Normes d'essai TIM courantes que les ingénieurs devraient connaître

La norme de test TIM la plus importante que les ingénieurs devraient connaître est ASTM D5470, car il est couramment utilisé pour mesurer l'impédance thermique et la conductivité thermique apparente des matériaux d'isolation électrique thermiquement conducteurs, y compris les graisses, les pâtes, les matériaux à changement de phase, les gels, les caoutchoucs et les solides rigides. Pour des tests de propriétés thermiques plus larges, les ingénieurs doivent également comprendre ISO 22007-2 pour l'essai par source de chaleur plane transitoire, ASTM E1461 pour la diffusivité thermique par effet flash laser, ASTM C177 pour les essais sur plaque chaude gardée, et ASTM C518 pour les essais au fluxmètre thermique.

Cependant, aucune norme unique ne s'applique à tous les matériaux d'interface thermique. Une méthode d'essai qui fonctionne pour un coussin thermique plat peut ne pas représenter un mastic thermique dans un intervalle irrégulier. Une méthode qui fonctionne pour un produit d'enrobage polymérisé peut ne pas représenter une fine couche de graisse entre une puce et un dissipateur thermique.

Dans la sélection des TIM, la clé n'est pas simplement de demander : “ Quelle est la valeur en W/mK ? ” La meilleure question est : Quelle méthode d'essai représente 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 importantes

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

Les TIM comprennent :

• Pâte thermique
• Pâte thermique
• Pads thermiques
• Matériaux à changement de phase
• Pâte thermique
• Mots de remplissage
• Gels thermiques
• Adhésifs thermoconducteurs
• Résines d'enrobage thermoconductrices

Les normes d'essai sont importantes car les performances des TIM dépendent fortement des conditions de test. 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.

Sans méthode d'essai claire, la valeur d'une fiche technique peut être difficile à comparer. Un fournisseur peut indiquer la conductivité thermique apparente. Un autre peut indiquer la conductivité thermique apparente. Un autre peut indiquer l'impédance thermique à une pression spécifique. Ces chiffres sont liés, mais ils ne sont pas interchangeables.

Pour un flux de travail de test général, HakTak propose un guide connexe : Comment tester la conductivité thermique des matériaux d'interface thermique.

La différence fondamentale : conductivité, résistance et impédance

Avant de discuter des normes, les ingénieurs doivent distinguer trois termes courants.

Conductivité thermique décrit la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Il est généralement mesuré en W/mK.

Résistance thermique décrit la résistance d'un chemin thermique au flux de chaleur. Il est souvent mesuré en K/W ou °C/W.

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

Cette distinction importe car une conductivité thermique élevée ne signifie pas toujours de meilleures performances de refroidissement. Un matériau à haut W/mK peut être moins performant s'il est trop épais, trop dur, mal compressé ou s'il ne parvient pas à mouiller les surfaces de contact.

Pour plus de contexte, voir l'article de HakTak : Pourquoi une conductivité thermique élevée (W/mK) ne signifie pas toujours de meilleures performances de refroidissement.

ASTM D5470 : La norme clé pour les TIM

Pour les ingénieurs travaillant avec des matériaux d'interface thermique, la norme ASTM D5470 est généralement la première à comprendre. L'ASTM décrit la norme D5470 comme une méthode d'essai pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermiquement conducteurs. 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 électronique car elle peut être appliquée à de nombreuses formes de TIM, notamment :

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

La norme D5470 de l'ASTM indique que cette méthode couvre la mesure de l'impédance thermique et le calcul de la conductivité apparente pour des matériaux allant des composés liquides aux solides durs. Elle souligne également que le résultat mesuré provient d'un schéma de flux thermique idéalisez, de sorte que les ingénieurs doivent faire preuve de prudence lors de l'application de ce résultat à des assemblages pratiques.

Cet avertissement est important. La norme ASTM D5470 est extrêmement utile, mais il s'agit toujours d'un test contrôlé. Elle ne peut pas représenter automatiquement toutes les géométries de produits réels.

Utilisez la norme ASTM D5470 lorsque :

• 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 important
• Vous avez besoin de données d'impédance thermique
• Vous voulez comparer des graisses, des pads, des gels ou des matériaux à changement de phase dans des conditions définies

Faites attention lorsque :

• Le véritable fossé est irrégulier
• Le matériau est hautement compressible
• L'ensemble a une pression limitée
• L'état de surface diffère du montage de test
• Le produit final possède une dissipation thermique complexe

Pour la pâte thermique en particulier, le guide de HakTak Comment choisir et tester la conductivité thermique de la graisse thermique explique pourquoi les conditions de test et le comportement réel de l'application comptent tous les deux.

ISO 22007-2 : Méthode de la source plan transitoire

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

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

Pour les ingénieurs TIM, il est utile de connaître la norme ISO 22007-2, car de nombreux TIM sont à base de polymères et chargés de charges. Cependant, elle ne doit pas être considérée comme un remplacement universel des tests d'interface.

Utilisez la norme ISO 22007-2 lorsque :

• Vous avez besoin d'une mesure des 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 à différentes températures ou dans différents environnements

Faites attention lorsque :

• Le TIM est une couche d'interface très mince
• La résistance de contact domine les performances
• La véritable application dépend fortement de la pression
• Le matériau est fortement hétérogène
• L'échantillon ne correspond pas aux hypothèses de la méthode.

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

ASTM E1461 : Diffusivité thermique par la méthode flash laser

La norme ASTM E1461 est communément associée à la méthode flash pour la détermination de la diffusivité thermique. Lors d'un essai par la méthode flash, une brève impulsion d'énergie chauffe une face d'un échantillon, et l'élévation de température sur la face opposée est mesurée. La diffusivité thermique peut alors être calculée, et la conductivité thermique peut être déduite lorsque la masse volumique et la chaleur spécifique sont connues.

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

Pour les applications TIM, la norme ASTM E1461 est plus pertinente pour :

• Résines d'enrobage polymérisées
• Composites polymères solides
• Céramique
• Métaux
• Matériaux thermiques rigides
• Élastomères chargés après réticulation

Il est moins directement représentatif pour :

• Couches de graisse minces
• Capsules molles sous compression
• Matériaux à changement de phase lors de l'activation
• Pâte thermique dans les espaces irréguliers
• Interfaces où la résistance de contact domine

Les données d'éclair laser peuvent être précieuses, mais elles décrivent généralement le comportement du matériau en masse plutôt que celui de l'interface. Pour un matériau d'interface thermique (TIM) entre une puce et un dissipateur thermique, la résistance d'interface peut être plus importante que la diffusivité en masse.

HakTak Guide des résines d'enrobage thermoconductrices en électronique constitue une référence interne utile lorsque les ingénieurs évaluent des matériaux d'encapsulation durcis plutôt que de de minces couches d'interface.

ASTM C177 : Plaque chauffante gardée

La norme ASTM C177 traite de la mesure du flux thermique en régime permanent à l'aide d'un appareil à plaque chauffante gardée. Il s'agit d'une méthode fondamentale pour mesurer les propriétés de transmission thermique dans des conditions contrôlées d'écoulement thermique unidimensionnel.

Cette méthode est souvent associée aux matériaux isolants, aux dalles et aux spécimens plus volumineux. Elle est moins couramment utilisée comme méthode principale pour les fines couches de TIM, mais les ingénieurs doivent la connaître car elle sous-tend de nombreux concepts de mesure thermique en régime stationnaire.

Utilisez la norme ASTM C177 lorsque :

• Vous testez des éprouvettes de dalles plates
• Le matériau a une épaisseur suffisante pour la mesure par plaque chaude gardée
• Vous avez besoin d'une méthode de référence en régime permanent
• L'échantillon se rapproche davantage d'un matériau isolant ou en vrac que d'un TIM mince.

Faites attention lorsque :

• Le matériau est une fine couche de pâte
• L'échantillon ne peut pas maintenir une géométrie stable
• La résistance de contact domine le résultat
• L'application finale implique un comportement sensible à la pression

Pour les ingénieurs TIM, la norme ASTM C177 relève davantage d'une référence générale que d'une méthode de prédilection. Elle aide à 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 : Fluxmétre

La norme ASTM C518 couvre les essais de transmission thermique en régime permanent au moyen d'un appareil à flux thermique. La description de l'ASTM la qualifie de méthode pour des spécimens en dalle plane, utilisant l'étalonnage avec des matériaux connus et un flux thermique unidimensionnel entre des plaques.

Cette méthode est largement utilisée pour l'isolation et d'autres matériaux pour lesquels un spécimen plat peut être placé entre des plaques. Elle peut s'avérer utile pour comparer les propriétés de transmission thermique lorsque la forme du matériau correspond aux exigences de l'équipement.

Utilisez la norme ASTM C518 lorsque :

• 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 appropriée pour l'équipement
• L'objectif est d'obtenir des données de transmission en régime permanent

Faites attention lorsque :

• Le matériau est une fine couche de TIM
• L'échantillon est hautement compressible
• Le 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, à moins que la forme et l'épaisseur du matériau ne conviennent à l'appareil.

ASTM E1225 : Flux thermique longitudinal comparatif gardé

La norme ASTM E1225 est une méthode de flux thermique longitudinal comparatif avec anneau de garde. Elle est souvent utilisée pour mesurer la conductivité thermique des solides en comparant le flux thermique à travers un échantillon inconnu avec des matériaux de référence.

Cette méthode peut être utile pour les échantillons solides, les polymères rigides, les céramiques, les métaux et les matériaux composites. Ce n'est généralement pas la meilleure méthode pour les couches de TIM souples, minces et sensibles à la pression.

Utilisez la norme ASTM E1225 lorsque :

• 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 appropriée

Faites attention lorsque :

• Le matériau est de la graisse, du gel ou du mastic
• L'application finale est une interface mince et compressée
• La résistance de contact est une part majeure du résultat

Pour la sélection de TIM, l'E1225 peut aider à caractériser un matériau solide en vrac, mais il doit être associé à des tests d'interface lorsque le matériau est utilisé comme TIM.

IPC, JEDEC et tests au niveau des composants

Tous les tests de TIM utiles ne constituent pas une norme de matériau. En électronique, les ingénieurs ont souvent besoin d'une validation au niveau du composant pour confirmer si un TIM réduit effectivement la température de celui-ci.

Les essais au niveau des matériaux peuvent répondre à :

• Quelle est la conductivité apparente ?
• Quelle est l'impédance sous pression définie ?
• Comment l'épaisseur affecte-t-elle les performances ?
• Comment la température modifie-t-elle le résultat ?

Réponses aux tests au niveau de l'appareil :

• Quelle est la température réelle de la puce ?
• Le produit réduit-il ses performances ?
• Le dissipateur thermique reste-t-il dans la cible ?
• Est-ce que le TIM survit aux cycles ?
• La variation d'assemblage affecte-t-elle les performances ?

Pour les processeurs, les GPU, les modules LED, les modules d'alimentation et l'électronique automobile, les tests au niveau des composants constituent souvent le point de décision final. Les normes de matériaux sont nécessaires, mais elles ne suffisent pas à elles seules.

Quelle norme les ingénieurs doivent-ils choisir ?

La bonne norme dépend du matériel et de la décision que vous devez prendre.

Pour les matériaux à changement de phase, les ingénieurs doivent faire preuve d'une attention particulière. Un MCP testé en dessous de sa température d'activation peut ne pas représenter ses performances en fonctionnement. Le système de HakTak Explication des pads thermiques à changement de phase donne plus de détails sur la façon dont ces matériaux se ramollissent et améliorent le mouillage à la température de service.

Que demander lors de l'examen d'un rapport de test

Un rapport de test TIM utile doit inclure plus d'un chiffre.

Les ingénieurs devraient se demander :

• 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 séchage ?
• Quelle était l'épaisseur de l'échantillon ?
• Quelle était l'épaisseur finale du joint de colle ?
• Quelle pression a été appliquée ?
• Quelle était la surface de contact ?
• Quelle température a été utilisée ?
• Le résultat était-il la conductivité thermique, la conductivité apparente, la résistance ou l'impédance ?
• Combien d'échantillons ont été testés ?
• Quelle était la variation entre les échantillons ?
• Les surfaces ont-elles été nettoyées ou traitées ?
• Un vieillissement ou un cyclage thermique a-t-il été effectué ?
• Le résultat a-t-il été validé lors de l'assemblage final ?

Si ces détails sont manquants, le résultat peut toujours être utile pour un premier filtrage, mais il ne doit pas être considéré comme une preuve définitive des performances du produit.

Les normes n'éliminent pas le jugement technique

Les normes de test sont essentielles car elles créent de la structure et de la répétabilité. Mais elles ne peuvent pas éliminer le besoin de jugement technique.

Les TIMs sont exceptionnellement sensibles aux conditions d'application. Une graisse peut bien fonctionner lorsqu'elle est fine et mal lorsqu'elle est épaisse. Un pad peut donner de bons résultats à un niveau de compression et de mauvais à un autre. Un mastic (putty) peut bien fonctionner dans un espace irrégulier mais sembler peu performant lors d'un test en bloc plat. Un matériau à changement de phase (PCM) peut se comporter différemment avant et après l'activation du changement de phase.

C'est pourquoi les ingénieurs devraient combiner :

• Essai de matériaux normalisé
• Test de fixture spécifique à l'application
• Validation au niveau de l'appareil
• Tests de fiabilité
• Contrôle du processus de fabrication

La norme vous indique comment un test a été exécuté. Elle ne vous dit pas automatiquement si le matériau convient à votre produit.

Les erreurs courantes que les ingénieurs doivent éviter

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

La deuxième erreur est de se concentrer uniquement sur les W/mK. La sélection du TIM doit également prendre en compte l'impédance thermique, la pression, l'épaisseur, la résistance de contact et la fiabilité.

La troisième erreur est d'ignorer la forme physique. Une graisse liquide, un gel mou, un coussin compressible, un film à changement de phase et un matériau d'enrobage durci ne doivent pas être traités comme le même problème de test.

La quatrième erreur est de négliger la pression. De nombreux TIM se comportent différemment sous différents niveaux de compression.

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

La sixième erreur est d'omettre les tests de vieillissement et environnementaux. L'épuisement, le dessèchement, le dégagement gazeux, le durcissement ou la sédimentation de la charge peuvent modifier les performances thermiques au fil du temps. Pour les applications sensibles au vide, consultez l'article de HakTak La graisse thermique se volatilise-t-elle dans le vide ? Comprendre le dégagement gazeux et les performances dans les environnements à basse pression.

Perspective HakTak

Chez HakTak, les normes d'essai des TIM sont utilisées comme des outils, et non comme des raccourcis. Les méthodes 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 graisse thermique, les variables clés comprennent l'épaisseur d'application, le mouillage de surface, la résistance à l'éjection, la stabilité au stockage et la pression. Pour les pads thermiques, l'épaisseur, la dureté, la compression et l'isolation comptent. Pour les pads thermiques à changement de phase (PCM), la température d'activation et le comportement de contact après activation comptent. Pour le mastic et les bourrages d'interstices, la conformabilité et la tolérance aux interstices comptent. Pour les composés d'enrobage thermoconducteurs, la qualité de polymérisation et le contrôle des vides comptent.

Un processus d'évaluation TIM robuste comprend généralement :

• Criblage des matériaux par données d'essai standard
• Essai d'impédance ou de résistance thermique sous pression réaliste
• Validation thermique au niveau de l'application
• Cyclage thermique et vieillissement
• Contrôles de répétabilité des processus
• Vérification de l'isolement électrique lorsque requise

Le meilleur matériau n'est pas toujours celui qui a la conductivité la plus élevée. C'est celui qui offre des performances thermiques stables dans l'assemblage réel.

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.

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

Aucune norme ne peut remplacer totalement les tests d'application. Les performances du TIM dépendent de l'épaisseur, de la pression, du contact de surface, de la température, de la géométrie et du vieillissement. La meilleure approche de test combine des données normalisées et une validation sur un assemblage réel.

Pour les ingénieurs, l'objectif n'est pas seulement de rapporter une valeur de conductivité thermique. L'objectif est de choisir un TIM qui maintient le produit final frais, fiable et fabricable.

Foire aux questions

Quel est le standard de test TIM le plus courant ?

La norme ASTM D5470 est l'une des normes les plus importantes et les plus fréquemment citées pour les tests des TIM (matériaux d'interface thermique) car elle mesure l'impédance thermique et la conductivité thermique apparente des matériaux d'isolation électrique thermiquement conducteurs.

La norme ASTM D5470 est-elle uniquement destinée aux pads thermiques ?

Non. La norme ASTM D5470 peut être utilisée pour 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 traite de la méthode de la source chaude plane transitoire pour la détermination de la conductivité thermique et de la diffusivité thermique des plastiques. Elle est utile pour les essais sur des matériaux à base de polymères et des matériaux en vrac.

La méthode flash laser est-elle efficace pour les TIM ?

Le test par éclair laser est utile pour les matériaux solides et les composés polymérisés, mais il peut ne pas représenter les interfaces TIM minces et sensibles à la pression où la résistance de contact est importante.

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

Ils sont plus communément associés aux matériaux de type dalle et aux tests de transmission thermique de type isolation. Ce sont des méthodes de référence utiles, mais elles ne constituent généralement pas le premier choix pour les couches TIM électroniques minces.

Pourquoi les résultats des tests de TIM diffèrent-ils selon les fournisseurs ?

Les résultats peuvent différer en raison 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, et selon qu'il s'agit de la conductivité, de la conductivité apparente, de l'impédance ou de la résistance.

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

Non. Les données de test standard sont utiles pour le criblage, mais la sélection finale de l'interface thermique (TIM) doit inclure des tests thermiques au niveau de l'application et une validation de la fiabilité.

Que doit contenir un rapport de test TIM ?

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