Normes courantes en matière de tests TIM que les ingénieurs doivent connaître

La norme d'essai TIM la plus importante que les ingénieurs doivent connaître est la suivante : ASTM D5470, car elle est couramment utilisée pour mesurer l'impédance thermique et la conductivité thermique apparente des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs, notamment les graisses, les pâtes, les matériaux à changement de phase, les gels, les caoutchoucs et les solides rigides. Pour des essais plus complets sur les propriétés thermiques, les ingénieurs doivent également comprendre ISO 22007-2 pour les essais sur des sources de chaleur planes transitoires, ASTM E1461 pour la diffusivité par flash laser, ASTM C177 pour les essais sur plaque chauffante protégée, et ASTM C518 pour les essais sur les débitmètres thermiques.

Cependant, il n'existe pas de norme unique applicable à tous les matériaux d'interface thermique. Une méthode d'essai valable pour un coussin thermique plat peut ne pas être représentative d'un mastic thermique appliqué dans un interstice irrégulier. De même, une méthode valable pour un composé d'enrobage durci peut ne pas être représentative d'une fine couche de graisse entre une puce et un dissipateur thermique.

Lors du choix d'un isolant, l'essentiel n'est pas simplement de se demander : “ Quelle est la valeur W/mK ? ” La question qu'il faut se poser est plutôt : Quelle méthode d'essai reflète le mieux la forme du matériau, la pression, l'épaisseur, la surface de contact et l'application finale ?

Pourquoi les normes de test TIM sont-elles importantes ?

Les matériaux d'interface thermique, souvent appelés TIM, sont utilisés entre les composants générateurs de chaleur et les surfaces de refroidissement. Ils comblent les interstices microscopiques et améliorent le transfert de chaleur depuis les puces, les modules de puissance, les LED, les batteries, les équipements de télécommunications ou les composants électroniques industriels vers les dissipateurs thermiques, les boîtiers, les châssis ou les plaques froides.

Les TIM comprennent :

• Graisse thermique
• Pâte thermique
• Coussinets thermiques
• Matériaux à changement de phase
• Mastic thermique
• Remplisseurs de lacunes
• Gels thermiques
• Adhésifs thermoconducteurs
• Composés d'enrobage thermoconducteurs

Les normes d'essai sont importantes car les performances du TIM dépendent fortement des conditions d'essai. Un même matériau peut présenter des résultats différents selon la pression, l'épaisseur, la température, la rugosité de surface ou la préparation de l'échantillon.

En l'absence d'une méthode d'essai clairement définie, il peut être difficile de comparer les valeurs indiquées dans une fiche technique. Un fournisseur peut indiquer la conductivité thermique en vrac, un autre la conductivité thermique apparente, et un troisième l'impédance thermique à une pression donnée. Ces valeurs sont liées, mais elles ne sont pas interchangeables.

Pour un processus général de test, HakTak propose un guide à ce sujet : Comment tester la conductivité thermique des matériaux d'interface thermique ?.

La différence fondamentale : conductivité, résistance et impédance

Avant d'aborder la question des normes, les ingénieurs doivent faire la distinction entre trois termes courants.

Conductivité thermique indique la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Elle est généralement exprimée en W/mK.

Résistance thermique indique dans quelle mesure un chemin thermique s'oppose au flux thermique. Elle est souvent exprimée en K/W ou en °C/W.

Impédance thermique est couramment utilisé pour les TIM afin de décrire la résistance de l'interface au flux thermique dans des conditions définies de surface, d'épaisseur et de pression.

Cette distinction est importante, car une conductivité thermique élevée ne garantit pas toujours de meilleures performances de refroidissement. Un matériau présentant une valeur W/mK élevée peut s'avérer moins performant s'il est trop épais, trop dur, mal compacté ou s'il ne parvient pas à mouiller les surfaces de contact.

Pour plus d'informations, consultez l'article de HakTak : Pourquoi une valeur élevée de W/mK n'est pas toujours synonyme d'une meilleure performance de refroidissement.

ASTM D5470 : la norme de référence pour les TIM

Pour les ingénieurs travaillant avec les TIM, la norme ASTM D5470 est généralement la première à maîtriser. L'ASTM décrit la norme D5470 comme une méthode d'essai permettant de déterminer les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs. Cette norme est utile pour mesurer l'impédance thermique en régime permanent et calculer la conductivité thermique apparente.

Cette méthode est particulièrement pertinente pour la gestion thermique des composants électroniques, car elle peut s'appliquer à de nombreuses formes de matériaux de transfert thermique (TIM), notamment :

• Graisses
• Pâtes
• Matériaux à changement de phase
• Gels
• Caoutchoucs souples
• Caoutchoucs durs
• Céramique
• Métaux
• Certains plastiques

La norme D5470 de l'ASTM précise que cette méthode porte sur la mesure de l'impédance thermique et le calcul de la conductivité apparente de matériaux allant des composés liquides aux solides durs. Elle souligne également que le résultat mesuré repose sur un modèle idéalisé de flux thermique ; les ingénieurs doivent donc faire preuve de prudence lorsqu'ils appliquent ce résultat à des assemblages concrets.

Cet avertissement est important. La norme ASTM D5470 est extrêmement utile, mais il s'agit tout de même d'un essai en conditions contrôlées. Elle ne peut pas automatiquement refléter toutes les géométries réelles des produits.

Utilisez la norme ASTM D5470 dans les cas suivants :

• Il vous faut une méthode en régime permanent axée sur le TIM
• Le matériau sera utilisé entre deux surfaces
• Le contrôle de la pression et de l'épaisseur est essentiel
• Vous avez besoin de données d'impédance thermique
• Vous souhaitez comparer des graisses, des tampons, des gels ou des matériaux à changement de phase dans des conditions définies

Faites attention lorsque :

• Le véritable écart est inégal
• Ce matériau est très compressible.
• L'ensemble est soumis à une pression limitée
• La finition de surface diffère de celle du dispositif d'essai
• Le produit final présente une dissipation thermique complexe

En ce qui concerne plus particulièrement la pâte thermique, le guide de HakTak Comment choisir et tester la conductivité thermique d'une graisse thermique ? explique pourquoi les conditions de test et le comportement réel de l'application sont tous deux importants.

ISO 22007-2 : Méthode de la source de chaleur plane transitoire

La norme ISO 22007-2 est une autre norme importante pour la mesure des propriétés thermiques. L'édition 2022 actuelle couvre la méthode de la source de chaleur plane transitoire, également connue sous le nom de méthode du disque chaud, pour déterminer la conductivité thermique et la diffusivité thermique des plastiques. Le résumé de l'ISO précise que cette méthode peut être adaptée à différentes tailles d'échantillons et utilisée dans une large gamme de températures et de pressions.

Cette méthode s'avère utile lorsque les ingénieurs ont besoin de données sur la conductivité thermique et la diffusivité de matériaux tels que les polymères, les plastiques chargés, les composés durcis et certains matériaux homogènes.

Pour les ingénieurs spécialisés dans les TIM, la norme ISO 22007-2 mérite d'être connue, car de nombreux TIM sont à base de polymères et chargés de charges. Elle ne doit toutefois pas être considérée comme un substitut universel aux essais d'interface.

Utilisez la norme ISO 22007-2 dans les cas suivants :

• Vous avez besoin de mesurer les propriétés thermiques transitoires
• Le matériau se comporte comme un échantillon massif
• Vous évaluez des matériaux à base de polymères
• La diffusivité thermique est également utile
• Vous avez besoin de données recueillies à différentes températures ou dans différents environnements

Faites attention lorsque :

• Le TIM est une couche d'interface très fine
• La résistance de contact est le facteur déterminant pour les performances
• L'application concrète dépend fortement de la pression
• Le matériau est très hétérogène
• L'échantillon ne répond pas aux hypothèses de la méthode.

Pour la sélection du TIM, les données de la norme ISO 22007-2 peuvent s'avérer utiles pour la présélection des matériaux, mais les ingénieurs doivent tout de même valider la résistance thermique ou l'impédance dans les conditions réelles d'interface.

ASTM E1461 : Diffusivité par flash laser

La norme ASTM E1461 est généralement associée à la méthode du flash laser pour la détermination de la diffusivité thermique. Lors d'un essai par flash laser, une brève impulsion d'énergie chauffe un côté d'un échantillon, et l'élévation de température du côté opposé est mesurée. La diffusivité thermique peut alors être calculée, et la conductivité thermique peut être déduite lorsque la densité et la chaleur spécifique sont connues.

Cette méthode est utile pour les matériaux solides et les échantillons durcis, en particulier lors de mesures effectuées sur une plage de températures.

En ce qui concerne les applications TIM, la norme ASTM E1461 s'applique davantage à :

• Composés d'enrobage durcis
• Composites polymères solides
• Céramique
• Métaux
• Matériaux thermiques rigides
• Élastomères chargés après durcissement

Il est moins représentatif pour :

• Fines couches de graisse
• Gélules molles sous compression
• Matériaux à changement de phase lors de l'activation
• Mastic thermique dans les interstices irréguliers
• Interfaces où la résistance de contact est prédominante

Les données issues de l'analyse par flash laser peuvent être utiles, mais elles décrivent généralement le comportement du matériau dans sa masse plutôt que celui à l'interface. Dans le cas d'un TIM entre une puce et un dissipateur thermique, la résistance d'interface peut s'avérer plus importante que la diffusivité dans la masse.

HakTak’s Guide sur les composés d'enrobage thermoconducteurs utilisés en électronique constitue une référence interne utile lorsque les ingénieurs évaluent des matériaux d'encapsulation durcis plutôt que de fines couches d'interface.

ASTM C177 : Plaque chauffante protégée

La norme ASTM C177 porte sur la mesure du flux thermique en régime permanent à l'aide d'un appareil à plaque chauffante protégée. Il s'agit d'une méthode de référence pour mesurer les propriétés de transmission thermique dans le cadre d'un flux thermique unidimensionnel contrôlé.

Cette méthode est souvent associée aux matériaux isolants, aux dalles et aux échantillons de grande taille. Elle est moins couramment utilisée comme méthode principale pour les couches minces de TIM, mais les ingénieurs doivent la connaître car elle est à la base de nombreux concepts de mesure thermique en régime permanent.

Appliquer la norme ASTM C177 dans les cas suivants :

• Vous effectuez des essais sur des éprouvettes de dalle plane
• Le matériau présente une épaisseur suffisante pour permettre la mesure sur une plaque chauffante protégée.
• Vous avez besoin d'une méthode de référence en régime permanent
• Cet échantillon s'apparente davantage à un matériau isolant ou à un matériau en vrac qu'à un TIM de faible épaisseur.

Faites attention lorsque :

• Le matériau se présente sous la forme d'une fine couche de pâte
• L'échantillon ne peut pas conserver une géométrie stable
• La résistance de contact est le facteur déterminant dans ce résultat
• L'application finale repose sur un comportement sensible à la pression

Pour les ingénieurs spécialisés dans les TIM, la norme ASTM C177 sert davantage de référence générale que de méthode de référence. Elle permet de comprendre le fonctionnement des essais de transmission thermique en régime permanent, mais la norme ASTM D5470 est généralement plus pertinente pour les TIM électroniques.

ASTM C518 : Débitmètre thermique

La norme ASTM C518 porte sur les essais de transmission thermique en régime permanent à l'aide d'un appareil de mesure du flux thermique. La description fournie par l'ASTM présente cette méthode comme applicable à des éprouvettes en dalle plane, utilisant un étalonnage avec des matériaux connus et un flux thermique unidimensionnel entre les plaques.

Cette méthode est largement utilisée pour l'isolation et d'autres matériaux lorsqu'il est possible de placer un échantillon plat entre deux plaques. Elle peut s'avérer utile pour comparer les propriétés de transmission thermique lorsque la forme du matériau correspond aux exigences de l'équipement.

Appliquer la norme ASTM C518 dans les cas suivants :

• L'échantillon est une dalle plate
• La méthode a été étalonnée à l'aide de matériaux de référence appropriés
• La résistance thermique du matériau est adaptée à l'équipement
• L'objectif est d'obtenir des données de transmission en régime permanent

Faites attention lorsque :

• Ce matériau est constitué d'une fine couche de TIM
• L'échantillon est très compressible
• Ce matériau présente des ponts thermiques
• L'application finale dépend de la pression d'interface et de la résistance de contact

Pour les TIM, la norme ASTM C518 n'est généralement pas le premier choix, sauf si la forme et l'épaisseur du matériau sont adaptées à l'appareil.

ASTM E1225 : Mesure comparative du flux thermique longitudinal avec protection

La norme ASTM E1225 décrit une méthode comparative de mesure du flux thermique longitudinal en chambre isolée. Elle est souvent utilisée pour mesurer la conductivité thermique des solides en comparant le flux thermique traversant un échantillon inconnu à celui de matériaux de référence.

Cette méthode peut s'avérer utile pour les échantillons solides, les polymères rigides, les céramiques, les métaux et les matériaux composites. Elle n'est généralement pas la plus adaptée aux couches de TIM souples, minces et sensibles à la pression.

Utilisez la norme ASTM E1225 dans les cas suivants :

• L'échantillon est un spécimen solide.
• La géométrie peut être contrôlée
• Les conditions de contact peuvent être gérées
• La mesure comparative du flux thermique est indiquée

Faites attention lorsque :

• Il s'agit de graisse, de gel ou de mastic.
• L'application finale est une interface mince et compacte
• La résistance de contact joue un rôle prépondérant dans ce résultat

Pour le choix d'un TIM, la norme E1225 peut aider à caractériser un matériau solide en vrac, mais elle doit être associée à des essais d'interface lorsque ce matériau est utilisé comme TIM.

IPC, JEDEC et les tests au niveau des composants

Tous les tests TIM pertinents ne constituent pas nécessairement une norme relative aux matériaux. En électronique, les ingénieurs ont souvent besoin d'une validation au niveau des composants pour vérifier si un TIM permet réellement de réduire la température de ceux-ci.

Les essais au niveau des matériaux permettent de répondre aux questions suivantes :

• Qu'est-ce que la conductivité apparente ?
• Quelle est l'impédance sous une pression donnée ?
• En quoi l'épaisseur influe-t-elle sur les performances ?
• En quoi la température influe-t-elle sur le résultat ?

Réponse aux tests au niveau du périphérique :

• Quelle est la température réelle de la puce ?
• Ce produit présente-t-il une limitation de puissance ?
• Le dissipateur thermique reste-t-il dans les limites prévues ?
• Le TIM résiste-t-il aux cycles de charge et de décharge ?
• Les variations au niveau de l'assemblage ont-elles une incidence sur les performances ?

Pour les processeurs, les cartes graphiques, les modules LED, les modules d'alimentation et l'électronique automobile, les tests au niveau des composants constituent souvent le critère décisif. Les normes relatives aux matériaux sont indispensables, mais elles ne suffisent pas à elles seules.

Quelle norme les ingénieurs doivent-ils choisir ?

Le choix de la norme appropriée dépend du matériau et de la décision que vous devez prendre.

En ce qui concerne les matériaux à changement de phase, les ingénieurs doivent faire preuve d'une prudence particulière. Un PCM testé à une température inférieure à sa température d'activation peut ne pas refléter ses performances réelles en fonctionnement. HakTak’s Tout ce qu'il faut savoir sur les coussinets thermiques PCM fournit davantage de détails sur la manière dont ces matériaux se ramollissent et améliorent le mouillage à la température de fonctionnement.

Questions à poser lors de l'examen d'un rapport d'essai

Un rapport de test TIM pertinent devrait comporter plusieurs chiffres.

Les ingénieurs devraient se poser les questions suivantes :

• Quelle norme a été utilisée ?
• Quelle version de la norme a été utilisée ?
• Le matériau a-t-il été testé tel qu'il a été fourni ou après durcissement ?
• Quelle était l'épaisseur de l'échantillon ?
• Quelle était l'épaisseur finale de la couche de liaison ?
• Quelle pression a été exercée ?
• Quelle était la surface de contact ?
• Quelle température a-t-on utilisée ?
• Le résultat correspondait-il à la conductivité thermique, à la conductivité apparente, à la résistance ou à l'impédance ?
• Combien d'échantillons ont été analysés ?
• Quelle était la variation entre les échantillons ?
• Les surfaces ont-elles été nettoyées ou traitées ?
• A-t-on procédé à un vieillissement ou à des cycles thermiques ?
• Le résultat a-t-il été validé lors de l'assemblage final ?

Si ces informations font défaut, le résultat peut tout de même s'avérer utile à des fins de présélection, mais il ne doit pas être considéré comme une preuve définitive des performances du produit.

Les normes ne remplacent pas le jugement de l'ingénieur

Les normes d'essai sont essentielles, car elles garantissent une structure et une reproductibilité. Elles ne peuvent toutefois pas se substituer au jugement technique.

Les TIM sont particulièrement sensibles aux conditions d'application. Une graisse peut offrir de bonnes performances lorsqu'elle est fluide, mais de mauvaises lorsqu'elle est épaisse. Un tampon peut offrir de bonnes performances à un certain niveau de compression, mais de mauvaises à un autre. Un mastic peut bien fonctionner dans un interstice irrégulier, mais donner des résultats peu convaincants lors d'un test de résistance en charge uniforme. Un PCM peut présenter des performances différentes avant et après l'activation du changement de phase.

C'est pourquoi les ingénieurs devraient allier :

• Essais normalisés sur les matériaux
• Essais de montages spécifiques à une application
• Validation au niveau du dispositif
• Essais de fiabilité
• Contrôle des processus de fabrication

La norme vous indique comment un essai a été réalisé. Elle ne vous indique pas automatiquement si le matériau est adapté à votre produit.

Les erreurs courantes que les ingénieurs doivent éviter

La première erreur consiste à comparer des valeurs issues de normes différentes comme si elles étaient équivalentes. Les normes ASTM D5470, ISO 22007-2, ASTM E1461, ASTM C177 et ASTM C518 mesurent des éléments différents selon des hypothèses différentes.

La deuxième erreur consiste à se concentrer uniquement sur la conductivité thermique (W/mK). Le choix d’un matériau isolant thermique (TIM) doit également tenir compte de l’impédance thermique, de la pression, de l’épaisseur, de la résistance de contact et de la fiabilité.

La troisième erreur consiste à ne pas tenir compte de la forme du matériau. Une graisse liquide, un gel souple, un tampon compressible, un film à changement de phase et un composé d'enrobage durci ne doivent pas être considérés comme un seul et même cas d'essai.

La quatrième erreur consiste à négliger la pression. De nombreux TIM présentent des performances différentes selon le niveau de compression.

La cinquième erreur consiste à appliquer directement les résultats des fiches techniques à des assemblages complexes. Les produits réels peuvent présenter des jeux irréguliers, des surfaces non parallèles, une pression limitée, des vibrations ou des cycles thermiques.

La sixième erreur consiste à négliger les essais de vieillissement et les essais environnementaux. Les processus de vidange, de séchage, de dégazage, de durcissement ou de tassement de la charge peuvent modifier les performances thermiques au fil du temps. Pour les applications sensibles au vide, consultez l'article de HakTak La pâte thermique se volatilise-t-elle sous vide ? Comprendre le dégazage et les performances dans des environnements à basse pression.

Point de vue de HakTak

Chez HakTak, les normes d'essai TIM sont utilisées comme des outils, et non comme des raccourcis. La norme ASTM D5470 et les méthodes associées peuvent fournir des données de comparaison précieuses, mais le choix final du matériau doit refléter la conception réelle du produit.

Pour la pâte thermique, les variables clés comprennent l'épaisseur d'application, le mouillage de la surface, la résistance au pompage, la stabilité au stockage et la pression. Pour les coussinets thermiques, l'épaisseur, la dureté, la compression et l'isolation sont des facteurs importants. Pour les coussinets thermiques à PCM, la température d'activation et le comportement de contact après activation sont déterminants. Pour les mastics et les produits de comblement, la conformabilité et la tolérance aux écarts sont déterminantes. Pour les composés d'enrobage thermoconducteurs, la qualité du durcissement et le contrôle des vides sont essentiels.

Un processus d'évaluation TIM rigoureux comprend généralement :

• Sélection des matériaux à partir de données d'essais normalisées
• Essais d'impédance ou de résistance thermique dans des conditions de pression réelles
• Validation thermique au niveau de l'application
• Cycles thermiques et vieillissement
• Contrôles de la répétabilité des processus
• Vérification de l'isolation électrique lorsque cela est nécessaire

Le meilleur matériau n'est pas toujours celui qui présente la conductivité la plus élevée. C'est celui qui offre des performances thermiques stables une fois intégré dans l'ensemble final.

Conclusion

Les ingénieurs qui travaillent avec des matériaux d'interface thermique doivent connaître plusieurs normes d'essai courantes, mais ils doivent également en comprendre les limites.

La norme ASTM D5470 est la norme la plus directement pertinente pour de nombreuses applications TIM, car elle porte sur les propriétés de transmission thermique, l'impédance et la conductivité apparente des matériaux utilisés dans le transfert de chaleur électronique. La norme ISO 22007-2 est utile pour les essais de source de chaleur plane transitoire sur des matériaux à base de polymères. La norme ASTM E1461 est utile pour la mesure de la diffusivité par flash laser des solides et des composés durcis. Les normes ASTM C177 et ASTM C518 constituent des méthodes importantes en régime permanent pour les matériaux de type plaque et les concepts de transmission thermique.

Aucune norme ne peut se substituer entièrement aux essais d'application. Les performances du TIM dépendent de son épaisseur, de la pression, du contact avec la surface, de la température, de la géométrie et du vieillissement. La meilleure approche en matière d'essais consiste à associer des données normalisées à une validation en conditions réelles d'assemblage.

Pour les ingénieurs, l'objectif ne se limite pas à fournir une valeur de conductivité thermique. Il s'agit de choisir un TIM qui permette de garantir que le produit final reste froid, fiable et facile à fabriquer.

FAQ

Quelle est la norme de test TIM la plus couramment utilisée ?

La norme ASTM D5470 est l'une des normes les plus importantes et les plus couramment utilisées pour les essais TIM, car elle permet de mesurer l'impédance thermique et la conductivité thermique apparente des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs.

La norme ASTM D5470 s'applique-t-elle uniquement aux coussinets thermiques ?

Non. La norme ASTM D5470 peut être utilisée pour toute une gamme de types de matériaux, notamment les graisses, les pâtes, les matériaux à changement de phase, les gels, les caoutchoucs souples, les caoutchoucs durs et les solides rigides.

À quoi sert la norme ISO 22007-2 ?

La norme ISO 22007-2 porte sur la méthode de la source de chaleur plane transitoire permettant de déterminer la conductivité thermique et la diffusivité thermique des matières plastiques. Elle est utile pour les essais sur les matériaux à base de polymères et les matériaux en vrac.

Le test au flash laser est-il adapté aux TIM ?

Les essais par flash laser sont utiles pour les matériaux solides et les composés durcis, mais ils peuvent ne pas être représentatifs des interfaces TIM minces et sensibles à la pression, pour lesquelles la résistance de contact joue un rôle important.

Les normes ASTM C177 ou C518 peuvent-elles être utilisées pour les TIM ?

Elles sont le plus souvent associées aux matériaux de type plaque et aux essais de transmission thermique sur isolants. Il s'agit de méthodes de référence utiles, mais elles ne constituent généralement pas le premier choix pour les fines couches de TIM utilisées en électronique.

Pourquoi les résultats des tests TIM varient-ils d'un fournisseur à l'autre ?

Les résultats peuvent varier en fonction de la méthode d'essai, de l'épaisseur de l'échantillon, de la pression, de l'état de surface, de la température, de la méthode de préparation, ainsi que du type de résultat mesuré (conductivité, conductivité apparente, impédance ou résistance).

Les ingénieurs devraient-ils se fier uniquement aux données d'essais standard ?

Non. Les données d'essai standard sont utiles pour la présélection, mais la sélection finale du TIM doit inclure des essais thermiques au niveau de l'application et une validation de la fiabilité.

Que doit contenir un rapport d'essai TIM ?

Un rapport d'essai TIM doit mentionner la norme utilisée, la température d'essai, la pression, l'épaisseur de l'échantillon, l'épaisseur de la ligne de collage, la surface de contact, le nombre d'échantillons, le type de résultat, ainsi que tout historique de vieillissement ou de conditionnement.