Les matériaux d'interface thermique (Thermal Interface Materials) et leurs avantages

Le fonctionnement des composants électroniques, en particulier dans l’électronique de puissance, génère de la chaleur qui doit être dissipée. Dans le cas contraire, il y a des pertes de puissance qui entraînent des dommages dans l’électronique. C’est pourquoi ces composants sont généralement couplés à des dissipateurs thermiques, des plaques de refroidissement, des systèmes de caloducs ou des échangeurs de chaleur. En raison des tolérances mécaniques, des irrégularités et des rugosités à la surface des composants et des dissipateurs, il reste toujours des poches d’air après le montage, ce qui entrave fortement le transfert de chaleur. Les matériaux d’interface thermique (en anglais Thermal Interface Materials : TIMs) comblent ces lacunes. Grâce à leur conductivité thermique élevée et à leur capacité de contact avec les surfaces, ils aident à transférer rapidement la chaleur des sources de chaleur vers les dissipateurs thermiques.

Les matériaux d’interface thermique (TIM) permettent une dissipation efficace de la chaleur générée dans les composants électriques pendant leur fonctionnement. Ils empêchent ainsi une surchauffe potentiellement nocive, qui ne peut être évitée par la simple utilisation de dissipateurs thermiques. En effet, lors de la liaison thermique de deux surfaces différentes (par exemple un transistor et un dissipateur thermique), la surface de contact effective se situe nettement dans la plage des faibles pourcentages – généralement moins de dix pourcent – en raison des irrégularités inévitables des surfaces. Inversement, cela signifie que : Bien plus de 90 pour cent du reste est constitué d’inclusions d’air qui, en raison de la faible conductivité de l’air, ne dissipent pratiquement pas de chaleur. La résistance thermique est donc très élevée à ces endroits. Les TIM compensent ces fentes et irrégularités et, grâce à leur conductivité thermique élevée, assurent une transmission rapide et efficace de la chaleur vers les dissipateurs thermiques.

En outre, il existe également des matériaux thermoconducteurs qui peuvent créer une isolation électrique fiable entre le dissipateur et le composant soumis à un potentiel électrique ou des matériaux à changement de phase qui, lors de la fusion pendant le passage d’une phase solide à une phase liquide, sont en mesure d’optimiser le contact thermique en remplissant toute la surface. Les élastomères thermoconducteurs – par exemple les Gap Filler et les Gap Filler Pads – épousent parfaitement les surfaces et peuvent même combler thermiquement de grands interstices de l’ordre de plusieurs millimètres.

Les deux matériaux d’interface thermique (en anglais Thermal Interface Materials : TIMs) les plus couramment utilisés sont les pâtes thermiques et les gap fillers.

Les pâtes liquides ou pâteuses remplissent les rugosités et les irrégularités inévitables entre le composant de puissance et le dissipateur thermique. Elles minimisent la résistance thermique de contact et permettent ainsi une dissipation plus efficace de la chaleur. La composition des pâtes thermiques dépend de l’application. Leur inconvénient : elles sont durablement fluides et ne peuvent être appliquées de manière fiable qu’au prix de gros efforts. Le risque de maculage et de pompage en cours de fonctionnement est élevé. Du point de vue de la conception robuste, leur utilisation dans des applications soumises à des chocs mécaniques et à des vibrations est donc critique.

En revanche, les gap fillers sont constitués de polymères élastiques souples et hautement conducteurs de chaleur, généralement à deux composants et durcissant en place ou sous forme solide de pastilles. Par rapport aux pâtes, ils peuvent être formés individuellement et sont donc souvent utilisés lorsqu’il s’agit de combler de grands espaces (jusqu’à plus de dix millimètres) ou de recouvrir plusieurs composants de différentes hauteurs non planes afin d’évacuer la chaleur vers un dissipateur thermique commun. Grâce à leur fiabilité et à leurs propriétés élastiques, ils conviennent bien aux applications soumises à un stress mécanique élevé.

D’autres variantes de TIM sont disponibles sous forme d’adhésifs, de feuilles, de films ou de masses d’encapsulation.

Les matériaux d’interface thermique (en anglais Thermal Interface Materials : TIMs) sont utilisés partout où la chaleur de l’électronique de puissance doit être dissipée par des dissipateurs thermiques afin de préserver la fonctionnalité d’un produit. Par exemple :

• dans le secteur automobile (par ex. infodivertissement, assistance et convenance, calculateurs, contrôleurs de bus, servomoteurs, semi-conducteurs de puissance, batteries et chargeurs pour l’e-mobilité, etc,)
• dans l’avionique (par ex. commandes de vol fly-by-wire, MCD électroniques, systèmes radars et applications militaires),
• dans tous les domaines de la technologie informatique (par ex. ordinateurs portables, ordinateurs industriels, routeurs, serveurs, mémoires, cartes graphiques, puces pilotes, jeux),
• la production d’énergie (par ex. onduleurs, inductances),
• dans la technique médicale,
• ou dans le domaine de l’électronique grand public.

La composition des matériaux d’interface thermique (TIM) dépend des exigences thermiques de l’application, du profil de mission de l’application et de la plage de températures de fonctionnement. Les matériaux thermoconducteurs contiennent souvent du silicone comme matrice de base. Toutefois, en cas de contact électrique sensible ou d’autres exigences critiques (par exemple le risque de rejet de la peinture), les TIM à base de silicone ne doivent pas être utilisés. En effet, leurs dégagements gazeux peuvent causer des dommages. Dans ces cas, on utilise des TIM composés de polymères sans silicone.

Pour obtenir les propriétés de conductivité thermique souhaitées, les TIM sont remplis, selon les exigences souhaitées, par exemple de poudres céramiques d’oxyde de zinc, d’oxyde d’aluminium, d’hydroxyde d’aluminium, de nitrure de bore ou de poudres métalliques d’aluminium, de cuivre, de graphite et de particules d’argent, entre autres.

Pour une utilisation professionnelle, le TIM optimal doit être choisi en fonction de l’application spécifique. Pour cela, un conseil approfondi en matière de conception est nécessaire. Celui-ci constitue la base d’une gestion thermique efficace et donc d’un fonctionnement sûr et d’une longue durée de vie des composants électroniques.

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