Pour choisir l'épaisseur d'un tampon thermique destiné à des composants électroniques, il convient tout d'abord de mesurer l'écart réel entre la source de chaleur et la surface de refroidissement, puis de sélectionner un tampon capable de combler cet écart au maximum tout en restant dans la plage de compression recommandée lorsque l'écart est minimal. Le tampon choisi doit assurer un contact total sans exercer de contrainte mécanique excessive, et son épaisseur finale après compression doit permettre de maintenir la résistance thermique dans les limites fixées par la conception.
En termes simples : choisissez le sous-vêtement thermique le plus fin coussinet qui comble de manière fiable tout l'espace sur toute la largeur tolérance variation sans trop comprimer l'ensemble.
L'épaisseur d'un tampon thermique ne doit pas être choisie uniquement en fonction de l'écart nominal. Les ingénieurs doivent également tenir compte de la tolérance d'écart, du rapport de compression, de la dureté du tampon, de la pression de contact, de la conductivité thermique, de l'impédance thermique, de l'isolation électrique, de la planéité de la surface, des vibrations, des cycles thermiques et de la déformation rémanente sous compression à long terme.
Pourquoi l'épaisseur du coussin thermique est-elle importante ?
Les pastilles thermiques servent à transférer la chaleur des composants électroniques vers des dissipateurs thermiques, des boîtiers métalliques, des châssis, des plaques de refroidissement ou des enceintes. Elles sont couramment utilisées lorsque l'espace à combler est trop grand ou irrégulier pour permettre l'application de pâte thermique, mais qu'il est néanmoins nécessaire d'assurer un chemin thermique propre et reproductible.
L'épaisseur du tampon thermique est importante, car la chaleur doit traverser ce dernier avant d'atteindre la surface de refroidissement. Un tampon plus épais entraîne généralement une résistance thermique plus élevée. Un tampon plus fin améliore généralement le transfert thermique, mais uniquement s'il est en contact total avec les deux surfaces.
Cela pose un dilemme pratique :
- Si le tampon est trop fin, il risque de ne pas être en contact avec les deux surfaces.
- Si la pastille est trop épaisse, cela peut augmenter la résistance thermique et les contraintes mécaniques.
- Si le coussin est trop dur, il risque de ne pas se comprimer suffisamment.
- Si le patin est trop mou, il risque de se déformer excessivement ou d'être difficile à manier.
Une épaisseur adaptée permet d'assurer un équilibre entre performances thermiques et sécurité mécanique.
Pour en savoir plus sur la relation générale entre l'épaisseur et le transfert thermique, consultez l'article de HakTak : Comment l'épaisseur de la ligne de collage influe sur les performances thermiques.
Qu'est-ce que l'épaisseur d'un tampon thermique ?
L'épaisseur d'un tampon thermique correspond à l'épaisseur du tampon tel qu'il est fourni avant son montage. Les épaisseurs courantes peuvent être de 0,5 mm, 1,0 mm, 1,5 mm, 2,0 mm, 3,0 mm ou plus, en fonction du matériau et de l'application.
Les ingénieurs doivent toutefois distinguer trois valeurs d'épaisseur.
| Type d'épaisseur | Signification | Pourquoi est-ce important ? |
| Épaisseur nominale du tampon | Épaisseur avant assemblage | Utilisé pour la sélection initiale des matériaux |
| Épaisseur après compression | Épaisseur après mise sous pression lors de l'assemblage | Détermine l'épaisseur réelle de la ligne de collage |
| Épaisseur de l'interstice | Distance entre le composant et la surface de refroidissement | Détermine si le patin entrera en contact |
La valeur la plus importante en matière de performances thermiques est généralement l'épaisseur finale après compression, également appelée « épaisseur de la ligne de liaison ». Il s'agit de l'épaisseur réelle que la chaleur doit traverser pendant le fonctionnement.
Commencez par mesurer réellement l'écart
La première étape consiste à mesurer l'écart réel. Ne vous fiez pas uniquement aux cotes nominales de la CAO, sauf si la conception en est encore à un stade précoce de conceptualisation.
Les écarts réels peuvent différer de ceux calculés par CAO pour les raisons suivantes :
- Tolérance de hauteur des composants
- Tolérance d'épaisseur des circuits imprimés
- Hauteur du joint de soudure
- Planéité du dissipateur thermique
- Tolérance du boîtier
- Variation du couple de serrage des vis
- Gondolage du panneau
- Dilatation thermique
- Assemblage par superposition
Mesurer l'écart minimal, nominal et maximal
Pour bien choisir l'épaisseur, il faut disposer de trois valeurs :
- Écart minimal : la plus petite distance possible après cumul des tolérances
- Écart nominal : l'écart de conception prévu
- Écart maximal : la plus grande distance possible après cumul des tolérances
Par exemple, une conception peut prévoir un jeu nominal de 1,0 mm, mais la plage de tolérance réelle peut aller de 0,8 mm à 1,25 mm. Une rondelle choisie uniquement pour 1,0 mm risque de ne pas tenir si l'ensemble atteint l'une ou l'autre de ces valeurs extrêmes.
Utiliser la validation physique
Parmi les méthodes utiles de mesure des écarts, on peut citer :
- Jauges d'épaisseur
- Films de mesure d'écart en argile ou compressibles
- Mesure de déplacement par laser
- Contrôle par machine à coordonnées (CMM)
- Analyse transversale
- Assemblage d'essai avec échantillon de référence
- Analyse de l'accumulation des tolérances mécaniques
Dans le cadre d'une production à grand volume, la validation physique est importante, car de faibles erreurs de tolérance peuvent entraîner d'importantes variations thermiques d'un appareil à l'autre.
Comprendre le taux de compression
Les pastilles thermiques sont conçues pour subir une compression. La compression permet à la pastille de combler les irrégularités de la surface, d'éliminer les poches d'air et d'améliorer le contact. Cependant, la pastille doit rester dans une plage de compression sûre.
Le taux de compression peut être calculé comme suit :
Taux de compression = (épaisseur initiale – épaisseur après compression) / épaisseur initiale × 100%
Par exemple, si un coussin de 1,5 mm est comprimé jusqu'à 1,2 mm :
(1,5 – 1,2) / 1,5 × 100% = 20% de compression
HakTak propose un guide dédié à ce sujet : Comment la compression influe sur les performances des coussinets thermiques.
Pourquoi la fenêtre de compression est-elle importante ?
Un tampon thermique doit fonctionner sur toute la plage d'épaisseur.
Si l'écart minimal est très faible, le patin risque d'être trop comprimé. Si l'écart maximal est important, le patin risque de ne pas être suffisamment en contact.
C'est ce qu'on appelle la fenêtre de compression.
| Condition de lacune | Risque | Ce qu'il faut vérifier |
| Écart minimal | Compression excessive | Contraintes sur les composants, flexion du circuit imprimé, extrusion des pastilles |
| Écart nominal | Objectifs de performance | Impédance thermique et force d'assemblage |
| Écart maximal | Sous-compression | Mauvais contact, poches d'air, résistance élevée |
L'épaisseur de la plaquette choisie doit résister à ces trois conditions.
Une méthode pratique pour choisir l'épaisseur d'un tampon thermique
Voici à quoi ressemble concrètement un processus de sélection :
- Mesurez l'écart minimal, nominal et maximal.
- Déterminez la pression de serrage ou la force de serrage disponible.
- Choisissez des épaisseurs de cales qui permettent de combler au maximum l'écart.
- Vérifier la compression à l'écartement minimal et nominal.
- Examinez les données relatives à la dureté des patins et à la déformation sous compression.
- Estimer l'épaisseur finale de la couche de coulis.
- Comparer l'impédance thermique à une pression réaliste.
- Vérifiez les contraintes mécaniques et l'isolation électrique.
- Valider dans l'assemblage réel.
- Essai après cycles thermiques et vieillissement.
Ce processus demande plus de travail que le simple choix d'une cale correspondant à l'écart nominal, mais il permet de réduire les défaillances sur le terrain et les variations de production.
Exemple : sélection de l'épaisseur de la cale à partir d'une plage d'écart
Supposons qu'un ensemble électronique comporte :
- Écart minimal : 0,85 mm
- Écart nominal : 1,00 mm
- Écart maximal : 1,20 mm
- Compression cible : 15-30%
Choix possibles de patins :
| Épaisseur du tampon | Compression avec un écart de 0,85 mm | Compression avec un écart de 1,00 mm | Compression avec un écart de 1,20 mm | Résultat |
| 1,0 mm | 15% | 0% | Aucun contact | Trop fin pour un écart maximal |
| 1,5 mm | 43% | 33% | 20% | Peut être trop comprimé au pas minimal |
| 1,2 mm | 29% | 17% | 0% | À la limite de l'écart maximal |
Dans ce cas, un tampon de 1,2 mm ne sera acceptable que si la pression de contact reste suffisante au niveau de l'écartement maximal. Un tampon plus souple de 1,5 mm pourrait convenir si l'ensemble peut supporter une compression plus élevée au niveau de l'écartement minimal. La décision finale nécessite une validation des aspects liés à la force, à la thermique et à la mécanique.
Résistance thermique et épaisseur du tampon
La résistance thermique augmente avec l'épaisseur. Pour un chemin thermique simplifié :
R = t / (k × A)
Où ?
- R est la résistance thermique
- t est l'épaisseur finale de la plaquette
- k est la conductivité thermique
- A c'est la surface de contact
Cela signifie que l'épaisseur de la pastille peut l'emporter sur la conductivité. Une pastille épaisse présentant un coefficient de conductivité thermique élevé (W/mK) peut offrir des performances inférieures à celles d'une pastille plus fine présentant un coefficient modéré (W/mK) si la ligne de collage finale est nettement plus large.
Pour plus de détails, consultez l'article de HakTak : Pourquoi une valeur élevée de W/mK n'est pas toujours synonyme d'une meilleure performance de refroidissement.
La conductivité ne suffit pas
Un coussin de 10 W/mK n'est pas forcément meilleur qu'un coussin de 5 W/mK. Si le coussin de 10 W/mK est trop épais, trop dur ou mal compressé, son impédance thermique réelle peut s'avérer plus élevée.
Les ingénieurs devraient comparer :
- Conductivité thermique
- Impédance thermique
- Épaisseur finale après compression
- Pression de contact
- Plage de compression
- Mouillage des surfaces
- Stabilité à long terme
L'article de HakTak Conductivité thermique et impédance thermique dans la sélection des MIT explique pourquoi l'impédance thermique est souvent plus utile que la seule valeur en W/mK.
Choix de la dureté et de l'épaisseur du tampon
Il est impossible de choisir l'épaisseur sans tenir compte de la dureté. Un tampon épais et souple et un tampon épais et dur se comportent de manière très différente.
Coussinets souples
Les coussinets thermiques souples sont utiles dans les cas suivants :
- La pression est limitée
- Les composants sont fragiles
- 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 permettent de combler plus facilement les espaces vides, mais ils peuvent être plus fragiles, plus difficiles à manipuler ou moins stables dimensionnellement.
Coussinets rigides
Les patins plus durs peuvent être plus faciles à manipuler et présenter une meilleure stabilité dimensionnelle. Ils peuvent donner de bons résultats lorsque l'écart est bien maîtrisé et que l'ensemble exerce une pression suffisante.
Cependant, les coussinets rigides peuvent être source de tension s’ils sont trop épais ou insuffisamment compressés. Ils peuvent également ne pas s’adapter correctement aux surfaces rugueuses ou irrégulières.
L'épaisseur et la force doivent être adaptées l'une à l'autre
La bonne question est la suivante :
Est-ce que cela coussinet L'épaisseur permettra-t-elle d'atteindre l'épaisseur finale requise de la ligne de collage dans les limites de force disponibles ?
Si la réponse est « non », le circuit imprimé peut sembler performant sur la fiche technique, mais présenter des défaillances une fois intégré au produit.
Planéité de la surface et surface de contact
L'épaisseur du coussin thermique dépend également du degré de planéité et de parallélisme des surfaces.
Si le dissipateur thermique et le composant sont plats et parallèles, un coussin plus fin peut convenir. Si les surfaces sont inclinées, déformées ou rugueuses, un coussin plus épais ou plus souple peut être nécessaire pour maintenir le contact.
Parmi les causes courantes d'un contact irrégulier, on peut citer :
- Tolérance d'usinage des dissipateurs thermiques
- Déformation du boîtier
- Déformation des circuits imprimés
- Variation de la hauteur des composants
- Couple de serrage irrégulier des vis
- Incompatibilité de dilatation thermique
Si un côté de l'interface présente un jeu de 0,5 mm et l'autre un jeu de 1,0 mm, un tampon uniforme risque d'être comprimé de manière inégale. Cela peut entraîner l'apparition de points chauds et de contraintes mécaniques.
Pour les assemblages à plusieurs composants, un mastic thermique ou un produit de remplissage d'interstices peut parfois s'avérer plus adapté qu'un tampon standard. L'article de HakTak Mastic thermique ou coussin thermique : Comment choisir pour les espaces inégaux explique ce compromis.
Isolation électrique et épaisseur
De nombreux coussinets thermiques sont électriquement isolants. En électronique de puissance, le coussinet peut devoir assurer à la fois le transfert thermique et l'isolation diélectrique.
Des pastilles plus épaisses peuvent augmenter la rigidité diélectrique, mais elles augmentent également la résistance thermique. Des pastilles plus fines peuvent améliorer les performances thermiques, mais elles doivent tout de même respecter les exigences en matière d'isolation.
Les ingénieurs doivent vérifier :
- Rigidité diélectrique
- Résistivité volumique
- Tension de claquage
- Exigences en matière de distance de fuite et de distance isolante
- Effets de la compression sur l'isolation
- Vieillissement après des cycles thermiques
Cela revêt une importance particulière dans les domaines suivants :
- Onduleurs EV
- Alimentations électriques
- Modules IGBT
- Assemblages de MOSFET
- Drivers LED
- Entraînements de moteurs industriels
Lorsque l'isolation revêt une importance cruciale pour la sécurité, le choix des caractéristiques thermiques doit être coordonné avec les exigences de sécurité électrique.
Conseils sur l'épaisseur en fonction de l'application
Le tableau ci-dessous fournit des indications générales. Le choix final doit toujours être validé dans le montage réel.
| Application | Condition de décalage courante | Priorité dans le choix de l'épaisseur |
| Modules CPU/GPU | Fin et maîtrisé | Faible impédance, BLT fin, bon contact |
| Modules LED | Plat mais sensible à la surface | Compression uniforme et contact stable |
| Alimentations électriques | Écarts de taille moyenne et besoins en matière d'isolation | Rigidité diélectrique et résistance thermique |
| Onduleurs EV | Chaleur intense et vibrations | Stabilité à la compression et isolation |
| Équipements de télécommunications | Longue durée de vie | Vieillissement, déformation rémanente après compression, cycles thermiques |
| Systèmes de gestion de batterie | Plusieurs composants | Tolérance d'écart et conformité souple |
| Commandes industrielles | Boîtiers variables | Tolérance mécanique et fiabilité |
| Serveurs d'IA | Haute densité de puissance | Faible impédance thermique et répétabilité |
Quand un coussin thermique n'est pas forcément le meilleur choix
Les coussinets thermiques sont utiles, mais ils ne constituent pas toujours le meilleur matériau de transfert thermique (TIM).
Optez pour une pâte thermique dans les cas suivants :
- L'interface est très fine et plate
- Une forte pression de serrage est disponible
- Le respect des règles d'hygiène est moins important
- Il faut que l'épaisseur de la ligne de liaison soit la plus faible possible
L'article de HakTak Conseils pour l'application de la graisse thermique et son fonctionnement explique les points à prendre en compte lors de l'application de graisse.
Optez pour les pastilles thermiques PCM dans les cas suivants :
- Il vous faut une prise en main similaire à celle d'un pad
- L'interface peut atteindre la température d'activation
- Un meilleur mouillage est nécessaire après le chauffage
- La répétabilité de la production est importante
Voir Tout ce qu'il faut savoir sur les coussinets thermiques PCM Pour plus de détails.
Optez pour un mastic thermique ou un produit de comblement dans les cas suivants :
- Les écarts sont inégaux
- La hauteur des éléments varie
- La pression est limitée
- L'ensemble présente une géométrie complexe
Optez pour des composés d'enrobage thermoconducteurs dans les cas suivants :
- Les composants doivent être encapsulés
- La protection de l'environnement est indispensable
- La chaleur doit traverser un volume rempli
- Un soutien technique est nécessaire
HakTak’s Guide sur les composés d'enrobage thermoconducteurs utilisés en électronique explique cette catégorie.
Contrôle de l'épaisseur du coussin thermique
Le choix du pad thermique doit être validé par des essais. Les valeurs indiquées dans la fiche technique sont utiles, mais elles ne peuvent se substituer à la validation de l'assemblage.
Parmi les examens utiles, on peut citer :
- Mesure de l'écart
- Essais de compression-déformation
- Essais d'impédance thermique
- Tests de température des appareils
- Essais d'isolation électrique
- Cyclage thermique
- Essais de vibration
- Essai de déformation rémanente après compression
- Évaluation des retouches
La norme ASTM D5470 est couramment utilisée pour évaluer les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs et s'applique largement aux essais d'impédance des TIM. Les ingénieurs peuvent consulter la fiche officielle de l'ASTM ici : ASTM D5470.
Pour une analyse plus complète des propriétés thermiques des matériaux polymères, la norme ISO 22007-2 décrit la méthode de la source de chaleur plane transitoire permettant de déterminer la conductivité thermique et la diffusivité thermique des plastiques. La page officielle de l'ISO est accessible ici : ISO 22007-2:2022.
L'article de HakTak Normes courantes en matière de tests TIM que les ingénieurs doivent connaître donne un aperçu concret de la manière dont ces méthodes s'intègrent dans la sélection TIM.
Erreurs courantes lors du choix de l'épaisseur d'un coussin thermique
La première erreur consiste à adapter l'épaisseur de la cale uniquement à l'écartement nominal. Les assemblages réels présentent en effet des plages de tolérance.
La deuxième erreur consiste à choisir un tampon plus épais “ par mesure de sécurité ”. Une épaisseur excessive augmente la résistance thermique et peut générer des contraintes mécaniques.
La troisième erreur consiste à ne pas tenir compte de la dureté. Un coussin trop dur risque de ne pas s'enfoncer suffisamment, tandis qu'un coussin très moelleux risque de se déformer excessivement.
La quatrième erreur consiste à comparer la conductivité thermique sans tenir compte de l'épaisseur finale. Un intercalaire présentant un coefficient W/mK élevé peut tout de même offrir de mauvaises performances si la couche de collage est épaisse.
La cinquième erreur consiste à effectuer des essais à une pression irréaliste. Un tampon testé à une pression élevée en laboratoire peut ne pas offrir les mêmes performances dans un dispositif fonctionnant à basse pression.
La sixième erreur consiste à ne pas tenir compte de la déformation rémanente à long terme. Un patin peut perdre de sa pression de contact après un vieillissement ou des cycles thermiques.
La septième erreur consiste à négliger l'isolation électrique. Un coussin plus fin peut améliorer le transfert thermique, mais ne pas répondre aux exigences diélectriques.
Point de vue de HakTak
Chez HakTak, l'épaisseur des pastilles thermiques est considérée comme un choix de conception à la fois thermique et mécanique. Une pastille doit combler l'espace, se comprimer en toute sécurité, maintenir le contact, répondre aux besoins d'isolation et conserver une faible résistance thermique au fil du temps.
Pour qu'une recommandation soit fiable, les ingénieurs doivent fournir :
- Écart minimal, nominal et maximal
- Zone de contact
- Puissance de la source de chaleur
- Matériaux de surface
- Pression ou couple de serrage disponible
- Tolérance de hauteur des composants
- Rigidité du circuit imprimé
- Isolation obligatoire
- Plage de température de fonctionnement
- Exigences en matière de vibrations et de cycles thermiques
- Réviser les attentes
- Méthode d'assemblage en production
Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander avec plus de précision l'épaisseur, la dureté, le niveau de conductivité, la plage de compression et le type de matériau.
L'épaisseur optimale d'un coussin thermique n'est pas celle qui comble l'espace le plus largement. Il s'agit de l'épaisseur la plus fine capable de combler l'espace dans le pire des cas, de se comprimer en toute sécurité dans le meilleur des cas et de maintenir un contact thermique fiable tout au long de la durée de vie du produit.
Conclusion
Le choix de l'épaisseur d'un tampon thermique pour les composants électroniques ne se limite pas à adapter le tampon à l'écartement nominal. Les ingénieurs doivent tenir compte de la tolérance d'écartement, du taux de compression, de la dureté du tampon, de l'épaisseur finale de la ligne de collage, de la résistance thermique, de la pression de contact, de l'isolation électrique et de la fiabilité à long terme.
En général, les cales plus fines réduisent la résistance thermique, mais uniquement lorsqu’elles sont en contact total avec les deux surfaces. Les cales plus épaisses permettent de combler des écarts plus importants, mais elles augmentent la résistance thermique et peuvent générer des contraintes mécaniques. L’épaisseur de cale appropriée est celle qui fonctionne sur toute la plage de tolérance tout en garantissant la stabilité thermique et mécanique de l’ensemble.
Pour les composants électroniques destinés à la production, le choix final doit être validé par des essais réalistes portant sur la compression, l'impédance thermique, la température des composants et la fiabilité.
FAQ
Comment choisir l'épaisseur d'un tampon thermique ?
Mesurez l'écart minimal, nominal et maximal, puis choisissez une cale qui comble l'écart maximal tout en restant dans la plage de compression recommandée pour l'écart minimal.
Le coussin thermique doit-il être plus épais que l'espace ?
En général, oui : la plaquette non comprimée est souvent légèrement plus épaisse que l'écartement, ce qui lui permet de se comprimer et d'assurer un contact total. L'ampleur de cette compression dépend de la plage de compression recommandée pour la plaquette.
Que se passe-t-il si un coussin thermique est trop fin ?
Si le tampon est trop fin, il risque de ne pas être en contact avec les deux surfaces, ce qui créerait des espaces d'air et augmenterait la résistance thermique.
Que se passe-t-il si un coussin thermique est trop épais ?
Si la pastille est trop épaisse, cela peut augmenter la résistance thermique, faire plier le circuit imprimé, exercer une contrainte sur les composants, déformer le boîtier ou rendre l'assemblage difficile.
Un coussin thermique plus épais garantit-il un meilleur refroidissement ?
Non. Les cales plus épaisses augmentent généralement la résistance thermique. Une cale plus épaisse n'est utile que lorsqu'elle sert à combler un espace.
Dans quelle mesure un coussin thermique doit-il se comprimer ?
Il n'existe pas de valeur universelle. Le taux de compression adéquat dépend du matériau de la garniture, de sa dureté, de son épaisseur, de la tolérance d'écartement et de la pression disponible. Il convient de se référer aux données fournies par le fournisseur et aux résultats des essais de montage.
La conductivité thermique est-elle plus importante que l'épaisseur ?
Ces deux facteurs sont importants. La conductivité thermique joue un rôle, mais l'épaisseur finale après compression et la qualité du contact ont une forte incidence sur les performances thermiques réelles.
Puis-je superposer des coussinets thermiques pour augmenter leur épaisseur ?
Il n'est généralement pas recommandé d'empiler les pastilles, car cela ajoute des interfaces supplémentaires et augmente la résistance de contact. Une seule pastille correctement choisie est généralement préférable.
Les cales thermiques souples sont-elles plus adaptées aux écarts irréguliers ?
Les coussinets souples s'adaptent mieux aux faibles pressions, mais leur utilisation peut présenter des inconvénients en termes de maniabilité ou de stabilité. Pour les jeux très irréguliers, un mastic thermique ou un produit de comblement peut s'avérer plus adapté.
Faut-il tester l'épaisseur du coussin thermique après vieillissement ?
Oui. La déformation rémanente après compression, les cycles thermiques et les vibrations peuvent modifier la pression de contact au fil du temps ; c'est pourquoi il est important de réaliser des essais de fiabilité.
