La compression influe sur les performances des pastilles thermiques en modifiant la qualité du contact entre celles-ci, la source de chaleur et la surface de refroidissement. Une compression adéquate améliore le contact entre les surfaces, réduit les poches d’air, diminue la résistance de contact et permet à la pastille de transférer la chaleur plus efficacement. Une compression insuffisante peut entraîner la formation de vides et un mauvais contact. Une compression excessive peut augmenter les contraintes mécaniques, endommager les composants, déformer le circuit imprimé ou entraîner des problèmes de fiabilité à long terme.
En termes simples : un système thermique coussinet Il faut une compression suffisante pour combler l'espace et assurer un contact parfait, mais pas au point de surcharger l'ensemble.
La plage de compression optimale dépend de l'épaisseur du coussin, de sa dureté, de la tolérance d'écart, de la fragilité du composant, de la force de serrage disponible et de l'objectif thermique. Les ingénieurs doivent évaluer la compression du coussin thermique en tenant compte de l'épaisseur de la ligne de collage, de la résistance thermique, de la pression de contact et de la fiabilité mécanique.
Qu'est-ce que la compression par coussin thermique ?
La compression d'un tampon thermique désigne la réduction de l'épaisseur du tampon une fois celui-ci monté entre une source de chaleur et une surface de refroidissement. Elle est généralement exprimée en pourcentage.
Par exemple, si un coussin thermique de 1,0 mm est comprimé à 0,8 mm après l'assemblage, la compression est de :
(1,0 mm – 0,8 mm) / 1,0 mm × 100% = 20%
Les pastilles thermiques sont conçues pour être comprimées dans une plage recommandée. Cette compression permet à la pastille de s'adapter aux irrégularités de la surface, de combler les petits espaces d'air et d'assurer un meilleur contact entre le composant et le dissipateur thermique, le boîtier, le châssis ou la plaque froide.
La compression des pastilles thermiques est couramment utilisée dans :
- Électronique de puissance
- Modules LED
- Systèmes de gestion de batterie
- Équipements de télécommunications
- Électronique automobile
- Commandes industrielles
- Electronique grand public
- Serveurs d'IA et matériel de centre de données
La compression n'est pas seulement un détail mécanique. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles un coussin thermique est efficace.
Pourquoi la compression est-elle importante pour les performances thermiques ?
On utilise des pastilles thermiques car les surfaces réelles ne sont pas parfaitement planes. Même les surfaces métalliques usinées présentent des pics et des creux microscopiques. Les composants électroniques présentent également des tolérances de hauteur, des variations au niveau des soudures et des irrégularités au niveau du boîtier. Sans un TIM compressible, de l'air peut rester emprisonné entre les surfaces.
L'air présente une très faible conductivité thermique. Lorsque des poches d'air subsistent à l'interface, la résistance thermique augmente et la température des composants s'élève.
Une compression adéquate favorise l'efficacité du coussin thermique :
- Rugosité de surface du remplissage
- Réduire l'air emprisonné
- Augmenter la surface de contact
- Améliorer le transfert de chaleur
- Stabiliser l'interface
- Compenser les légères variations de tolérance
Cependant, la compression n'est bénéfique que si elle se situe dans une plage appropriée. Si la plaquette est à peine comprimée, elle risque de ne pas être en contact total avec la surface de freinage. Si elle est fortement comprimée, cela peut exercer une force excessive sur les composants ou nuire à sa stabilité à long terme.
C'est pourquoi les performances d'un pad thermique ne doivent pas être évaluées uniquement en fonction de sa conductivité thermique. L'article de HakTak Pourquoi une valeur élevée de W/mK n'est pas toujours synonyme d'une meilleure performance de refroidissement explique pourquoi le refroidissement réel dépend de l'ensemble de l'interface, et pas seulement de la valeur en W/mK.
Compression, résistance de contact et impédance thermique
La compression a une incidence directe sur la résistance de contact et l'impédance thermique.
La résistance de contact est la résistance due à un contact imparfait entre le tampon thermique et les surfaces avec lesquelles il est en contact. L'impédance thermique est la résistance effective de l'interface dans des conditions définies de pression, d'épaisseur et de surface.
Faible compression
Lorsque la pression est trop faible, le tampon peut ne toucher que les points les plus élevés de la surface. Il en résulte la formation de poches d'air entre le tampon et le composant ou le dissipateur thermique.
Une faible compression peut entraîner :
- Coordonnées incomplètes
- Résistance de contact élevée
- Mesures de température instables
- Lieux incontournables de la région
- Faible répétabilité
- Risque accru de limitation thermique
Cela pose particulièrement problème lorsque les surfaces sont rugueuses, déformées ou irrégulières.
Compression adéquate
Lorsque la compression se situe dans la fourchette recommandée, le coussin épouse la surface de contact et comble les irrégularités de celle-ci.
Une compression adéquate peut :
- Réduire la résistance de contact
- Impédance thermique plus faible
- Améliorer la stabilité de la température
- Compenser l'accumulation des tolérances
- Améliorer la reproductibilité entre les unités de production
Il s'agit généralement de la condition cible pour la conception des pastilles thermiques.
Compression excessive
Lorsque la compression est trop élevée, le patin peut certes continuer à bien dissiper la chaleur à court terme, mais les risques mécaniques augmentent.
Une compression excessive peut entraîner :
- Pliage de circuits imprimés
- Fissuration des composants
- Contrainte au niveau du joint de soudure
- Déformation du boîtier
- Déséquilibre du couple de serrage des vis
- Déformation rémanente après compression à long terme
- Extrusion ou déchirure du tampon
- Difficulté de montage
Dans les applications exigeantes, une surcompression peut entraîner un problème de fiabilité, même si les données thermiques initiales semblent acceptables.
Compression et épaisseur de la ligne de joint
L'épaisseur de la ligne de liaison (BLT) correspond à l'épaisseur finale du tampon thermique après compression. C'est l'un des principaux facteurs déterminants des performances thermiques.
Pour une interface simplifiée :
R = t / (k × A)
Où ?
- R est la résistance thermique
- t est l'épaisseur de la ligne de liaison
- k est la conductivité thermique
- A c'est la surface de contact
Cette équation explique pourquoi la compression peut améliorer les performances. Lorsque le patin se comprime, son épaisseur finale diminue, ce qui peut réduire la résistance thermique globale. Parallèlement, la qualité du contact s'améliore.
Mais là encore, il y a une limite. Une ligne de collage plus fine n'est utile que si le tampon continue d'assurer une couverture totale et ne génère pas de contraintes excessives.
HakTak consacre un article à ce sujet : Comment l'épaisseur de la ligne de collage influe sur les performances thermiques.
Épaisseur initiale par rapport à l'épaisseur finale
Les ingénieurs doivent faire la distinction entre l'épaisseur initiale de la plaquette et son épaisseur finale après compression.
Une cale de 2,0 mm peut ne plus mesurer 2,0 mm après l'assemblage. Si elle se comprime de 25%, l'épaisseur finale de la ligne de collage est d'environ 1,5 mm.
C'est important car la résistance thermique dépend de l'épaisseur finale, et pas seulement de l'épaisseur nominale.
Tolérance d'écart et fenêtre de compression
Les cales thermiques sont souvent choisies pour combler un écart connu. Or, les écarts réels varient en raison des tolérances de fabrication.
Par exemple :
- Tolérance de hauteur des composants
- Tolérance d'épaisseur des circuits imprimés
- Variation de l'épaisseur de la soudure
- Planéité du dissipateur thermique
- Tolérance du boîtier
- Variation du couple de serrage des vis
La cale doit être suffisamment épaisse pour combler l'écart maximal sans pour autant être trop comprimée dans l'écart minimal. C'est ce qu'on appelle la « fenêtre de compression ».
Une bonne conception thermique implique d'adapter l'épaisseur et la dureté des cales à l'ensemble de la plage de tolérance, et pas seulement à l'écartement nominal.
Dureté et force de compression des pastilles thermiques
La dureté des patins thermiques influe sur la force nécessaire pour les comprimer. Les patins plus souples se compriment plus facilement. Les patins plus durs nécessitent une pression plus importante.
La dureté est souvent mesurée à l'aide des échelles de Shore, telles que Shore 00 ou Shore A, en fonction de la souplesse du matériau.
Coussins thermiques souples
Les coussinets thermiques souples sont utiles dans les cas suivants :
- Les composants sont fragiles
- La pression est limitée
- Les surfaces sont inégales
- Il faut réduire au minimum la flexion des circuits imprimés
- Il faut prévoir des hauteurs différentes pour les différents éléments
Les coussinets souples améliorent l'adaptabilité, mais ils peuvent présenter certains inconvénients. Selon leur composition, ils peuvent être plus fragiles, plus difficiles à manipuler, plus sujets à la déformation ou moins stables dimensionnellement.
Coussins thermiques rigides
Les coussinets thermiques plus rigides peuvent offrir une meilleure maniabilité et une meilleure stabilité dimensionnelle. Ils peuvent s'avérer utiles lorsque l'écart est maîtrisé et que l'ensemble permet d'exercer une pression suffisante.
Cependant, les coussinets rigides peuvent poser des problèmes si la pression est limitée. Ils risquent de ne pas épouser correctement la forme de la surface, ce qui peut entraîner la formation d'espaces d'air et une résistance de contact élevée. Ils peuvent également transmettre davantage de contraintes aux composants.
La véritable question concernant la sélection
La bonne question n'est pas “ Quel matelas est le plus moelleux ? ” ni “ Quel matelas présente la valeur W/mK la plus élevée ? ”
La question qu'il faut plutôt se poser est la suivante :
Lequel coussinet permet-il d'atteindre la qualité de contact et l'épaisseur finale requises dans les limites de force disponibles ?
C'est là que les données d'impédance thermique à différentes pressions s'avèrent utiles. L'article de HakTak Conductivité thermique et impédance thermique dans la sélection des MIT explique pourquoi l'impédance en fonction de la pression est souvent plus utile que la conductivité seule.
Quel est le niveau de compression idéal ?
Il n'existe pas de pourcentage de compression idéal valable pour tous les coussinets thermiques. De nombreux modèles visent une plage de compression modérée, mais la valeur adéquate dépend du matériau du coussinet et de la conception du produit.
Les ingénieurs doivent suivre les recommandations des fournisseurs et les valider par des essais en conditions réelles d'assemblage.
Parmi les facteurs importants, on peut citer :
- Épaisseur du tampon
- Dureté du tampon
- Taille de l'écart
- Tolérance d'écart
- Résistance des composants
- Rigidité du circuit imprimé
- Disposition des vis
- Rigidité du boîtier
- Température de fonctionnement
- Exposition aux vibrations
- Résistance thermique requise
Compression insuffisante
Une compression insuffisante est généralement le signe d'un mauvais contact. Il se peut que le patin ne soit pas entièrement en contact avec les deux surfaces, notamment si l'écart est plus important que prévu ou si les surfaces sont irrégulières.
Les symptômes sont les suivants :
- Température plus élevée des composants
- Variation d'unité à unité
- Points chauds
- Résultats médiocres aux tests de fiabilité
- Sensibilité aux tolérances d'assemblage
Compression excessive
Une compression excessive peut certes réduire la résistance thermique dans un premier temps, mais elle peut entraîner des problèmes mécaniques et à long terme.
Les symptômes sont les suivants :
- Circuit imprimé courbé
- Composants fissurés
- Joints de soudure endommagés
- Vis abîmées
- Distorsion du marché du logement
- Extrusion de coussinets
- Déformation rémanente après vieillissement
La plage de compression optimale permet d'atteindre un équilibre entre performances thermiques et sécurité mécanique.
Déformation rémanente après compression et fiabilité à long terme
La déformation rémanente sous compression correspond à la déformation permanente d'un patin après avoir été soumis à une compression prolongée. Si un patin ne reprend pas bien sa forme initiale, il risque de perdre de sa pression de contact après des cycles thermiques ou à la suite du vieillissement.
C'est important car les appareils électroniques sont souvent exposés à :
- Haute température
- Redémarrage
- Vibrations
- Choc mécanique
- Humidité
- Longue durée de vie
Un tampon qui offre de bonnes performances dès le premier jour peut ne plus exercer la même pression après plusieurs mois ou années d'utilisation.
Les essais de fiabilité à long terme devraient inclure :
- Cyclage thermique
- Vieillissement à haute température
- Redémarrage
- Essais de vibration
- Évaluation des retouches
- Mesure de la déformation rémanente après compression
- Résistance thermique avant et après vieillissement
En ce qui concerne les pâtes thermiques, les problèmes de fiabilité à long terme sont souvent liés au dessèchement, à l'épuisement ou à la stabilité au stockage. HakTak aborde ces questions dans Comment conserver correctement la pâte thermique non utilisée. Les pastilles thermiques présentent un mode de défaillance différent, mais le principe est similaire : leurs performances thermiques initiales ne sont pas suffisantes.
La compression dans différentes applications
Les exigences en matière de compression varient selon l'application.
Électronique de puissance
Les modules de puissance, les MOSFET et les IGBT génèrent souvent beaucoup de chaleur. Les pastilles thermiques doivent présenter une faible résistance tout en garantissant l'isolation électrique et la fiabilité mécanique.
Une compression excessive peut exercer une contrainte sur les joints de soudure ou les substrats céramiques. Une compression insuffisante peut entraîner l'apparition de points chauds.
Modules LED
Les systèmes à LED nécessitent des voies thermiques stables, car une température élevée réduit le rendement lumineux et la durée de vie. La compression du coussin thermique doit être uniforme sur l'ensemble du module afin d'éviter toute surchauffe locale.
Équipements de télécommunications
Les équipements de télécommunications et les stations de base 5G fonctionnent souvent en continu et peuvent être soumis à des variations de température extérieures. Les coussinets doivent conserver leur compression et leur contact sur de longues périodes.
Électronique automobile
Les applications automobiles exigent une résistance aux vibrations, aux cycles thermiques et aux chocs mécaniques. La conception des joints de compression doit tenir compte des tolérances du boîtier et du comportement à long terme des garnitures.
Serveurs d'IA et centres de données
Les processeurs, les mémoires et les systèmes d'alimentation à haute puissance nécessitent un contrôle thermique rigoureux. La compression des pastilles doit être reproductible dans le cadre d'opérations d'assemblage et de maintenance à grande échelle.
Essai de compression d'un coussin thermique
La compression du coussin thermique doit être testée dans des conditions réelles d'utilisation. Une valeur indiquée dans la fiche technique et mesurée à haute pression peut ne pas refléter les performances du produit final si la pression exercée lors de l'assemblage est inférieure.
Parmi les données de test utiles, on peut citer :
- Impédance thermique à différentes pressions
- Courbe compression-déformation
- Dureté
- Kit de compression
- Épaisseur finale de la couche de liaison
- Performances en cycles thermiques
- Rigidité diélectrique après compression
- Contraintes mécaniques sur les composants
L'article de HakTak Normes courantes en matière de tests TIM que les ingénieurs doivent connaître aborde les normes d'essai courantes et explique pourquoi les ingénieurs doivent bien comprendre les conditions d'essai avant de comparer les résultats.
Courbe compression-déformation
Une courbe de compression-déformation indique la force nécessaire pour comprimer un tampon d'un certain pourcentage. Cela permet aux ingénieurs d'évaluer si l'ensemble du produit est capable de générer une pression suffisante sans endommager les composants.
Impédance thermique en fonction de la pression
L'impédance thermique diminue généralement à mesure que la pression augmente, jusqu'à un certain point. Une fois qu'un bon contact est établi, une pression supplémentaire peut n'apporter qu'un bénéfice thermique limité tout en augmentant le risque mécanique.
C'est pourquoi les données liées à la pression sont plus utiles qu'une simple valeur de conductivité.
Les erreurs courantes que les ingénieurs doivent éviter
La première erreur consiste à choisir des pastilles thermiques en se basant uniquement sur leur coefficient de conductivité thermique (W/mK). La conductivité est certes importante, mais ce sont la compression, l'épaisseur, la dureté et la qualité du contact qui déterminent les performances réelles.
La deuxième erreur consiste à choisir une cale trop épaisse. Une épaisseur excessive peut accroître la résistance et exercer une contrainte sur l'ensemble.
La troisième erreur consiste à choisir un tampon trop dur par rapport à la pression disponible. Un tampon trop dur risque de ne pas épouser correctement la surface, ce qui peut créer des poches d’air.
La quatrième erreur consiste à ne pas tenir compte de l'accumulation des tolérances. Une pastille qui fonctionne aux dimensions nominales peut présenter une défaillance lorsque l'écart est minimal ou maximal.
La cinquième erreur consiste à penser que les performances initiales dureront éternellement. La déformation rémanente après compression, le vieillissement et les cycles thermiques peuvent modifier la pression de contact au fil du temps.
La sixième erreur consiste à effectuer des essais sous une pression irréaliste. Les conditions d'essai doivent correspondre à celles de l'assemblage final.
La septième erreur consiste à négliger l'isolation électrique après la compression. Dans le domaine de l'électronique de puissance, l'isolation doit rester fiable même sous contrainte mécanique.
Comparaison entre les coussinets thermiques et les autres matériaux de transfert thermique sous compression
Les coussinets thermiques ne sont pas la seule solution lorsque la compression s'avère difficile.
Si la pression est très faible, la pâte thermique ou les matériaux à changement de phase peuvent permettre d'obtenir un meilleur contact au niveau des interfaces minces et planes. HakTak explique le comportement des PCM dans Tout savoir sur les coussinets thermiques PCM : comment les matériaux à changement de phase améliorent la gestion thermique.
Si les interstices sont irréguliers ou si la hauteur des composants varie, un mastic thermique ou un produit de comblement peut s'avérer plus adapté, car il s'adapte mieux aux contraintes réduites.
Si l'ensemble nécessite une protection contre les agressions extérieures et un transfert thermique, les composés d'enrobage thermoconducteurs peuvent s'avérer plus adaptés. Les produits HakTak Guide sur les composés d'enrobage thermoconducteurs utilisés en électronique explique cette catégorie.
Le choix du meilleur TIM dépend de la géométrie de l'interface et des contraintes mécaniques, et pas uniquement de l'objectif thermique.
Point de vue de HakTak
Chez HakTak, la compression des pastilles thermiques est considérée comme une variable de conception essentielle. Une pastille doit non seulement présenter une conductivité thermique adéquate, mais aussi se comprimer correctement au sein de l'ensemble final.
Pour la mise en place d'un tampon thermique, les ingénieurs doivent fournir :
- Distance nominale
- Tolérance minimale et maximale de jeu
- Zone de contact
- Puissance de la source de chaleur
- Matériaux de surface
- Pression ou couple de serrage disponible
- Rigidité du circuit imprimé
- Fragilité des composants
- Exigences en matière d'isolation électrique
- Température de fonctionnement
- Conditions de cycles thermiques
- Durée de vie prévue du produit
Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander avec plus de précision l'épaisseur, la dureté, la plage de compression et le type de matériau des patins.
L'objectif n'est pas d'obtenir une compression maximale. L'objectif est d'assurer un contact thermique stable, reproductible et sûr sur le plan mécanique.
Conclusion
La compression a une influence majeure sur les performances des pastilles thermiques. Une compression adéquate améliore le contact, réduit les espaces d'air, diminue la résistance de contact et favorise un transfert plus efficace de la chaleur du composant vers le dissipateur thermique ou le boîtier.
Une compression insuffisante entraîne un mauvais contact. Une compression excessive peut endommager les composants, tordre les cartes, déformer les boîtiers ou entraîner des problèmes de fiabilité à long terme.
Les ingénieurs doivent évaluer la compression du coussin thermique en tenant compte de l'épaisseur de la couche d'adhérence, de la dureté, de la pression, de l'impédance thermique, de la tolérance d'écart et des contraintes mécaniques. Le meilleur coussin thermique n'est pas toujours celui dont le coefficient de conductivité thermique (W/mK) est le plus élevé. Il s'agit du coussin qui permet d'atteindre les performances thermiques requises de manière sûre et reproductible dans l'assemblage final.
FAQ
Qu'est-ce que la compression par coussin thermique ?
La compression d'un tampon thermique correspond à la réduction de l'épaisseur du tampon après assemblage. Elle est généralement exprimée en pourcentage de l'épaisseur d'origine.
Pourquoi la compression améliore-t-elle les performances des coussinets thermiques ?
La compression améliore le contact avec la surface, comble les interstices d'air, réduit la résistance de contact et permet au tampon de s'adapter aux surfaces rugueuses ou irrégulières.
Une compression excessive peut-elle endommager les composants électroniques ?
Oui. Une compression excessive peut déformer les circuits imprimés, fissurer les composants, exercer une contrainte sur les joints de soudure, déformer les boîtiers ou provoquer l'extrusion des pastilles.
Que se passe-t-il si un tampon thermique n'est pas suffisamment comprimé ?
Il se peut que le patin ne soit pas entièrement en contact avec les deux surfaces, ce qui créerait des espaces d'air et augmenterait la résistance thermique.
Dans quelle mesure faut-il comprimer un coussin thermique ?
Il n'existe pas de valeur universelle. La compression adéquate dépend du matériau de la garniture, de son épaisseur, de sa dureté, de la tolérance d'écart, de la pression disponible et de la résistance du composant.
Un coussin thermique plus souple est-il plus performant ?
Ce n'est pas toujours le cas. Les tampons plus souples s'adaptent plus facilement et nécessitent moins de pression, mais ils peuvent être plus difficiles à manipuler ou moins stables dimensionnellement. Le meilleur choix dépend de l'application.
La compression a-t-elle une incidence sur l'impédance thermique ?
Oui. L'impédance thermique diminue souvent à mesure que la compression améliore le contact et réduit l'épaisseur de la ligne de liaison, mais une compression excessive peut entraîner un risque mécanique.
Comment les ingénieurs doivent-ils tester la compression des pastilles thermiques ?
Les ingénieurs doivent tester l'impédance thermique à une pression réaliste, mesurer l'épaisseur finale de la ligne de collage, vérifier la déformation rémanente après compression et valider les performances après des cycles thermiques et un vieillissement.
