Paddings thermiques isolants électriques : Quand en avez-vous besoin ?

Vous avez besoin de pads thermiques électriquement isolants lorsqu'un composant électronique dégageant de la chaleur doit transférer sa chaleur vers un dissipateur thermique métallique, un boîtier, un châssis ou une plaque froide sans créer de chemin électrique. Ils sont particulièrement importants dans l'électronique de puissance, les onduleurs de véhicules électriques, les modules MOSFET et IGBT, les drivers de LED, les alimentations, les systèmes de gestion de batteries et tout assemblage nécessitant à la fois un transfert thermique et une isolation électrique.

En termes simples : utiliser un isolant thermique électrique bloc-notes lorsque la surface de refroidissement peut être conductrice, mais que le composant ou le circuit doit rester électriquement isolé.

Le meilleur coussinet thermique isolant ne se choisit pas uniquement sur la base de sa conductivité thermique. Les ingénieurs doivent également évaluer la rigidité diélectrique, la tension de claquage, la résistivité volumique, l'épaisseur finale compressée, l'impédance thermique, la force de compression, la tolérance d'entrefer, l'inflammabilité, la plage de température et la fiabilité à long terme. Un coussinet doit maintenir l'appareil au frais et électriquement sûr tout au long de l'assemblage, du vieillissement, des vibrations et des cycles thermiques.

Qu'est-ce qu'un pad thermique isolant électrique ?

Un coussin thermique électriquement isolant est un matériau d'interface thermique qui transfère la chaleur tout en résistant au courant électrique. Il est placé entre une source de chaleur et une surface de refroidissement pour combler les interstices d'air et réduire la résistance thermique, tout en empêchant la conduction électrique entre les deux côtés.

La source de chaleur peut être :

• MOSFET
• IGBT
• Module d'alimentation
• Panneau LED
• Composant de gestion de batterie
• Dispositif d'alimentation pour télécommunications
• Automate industriel
• Convertisseur DC-DC
• Alimentation CA-CC
• Module d'électronique automobile

La surface de refroidissement peut être :

• Dissipateur thermique en aluminium
• Boîtier métallique
• Châssis
• Plaque froide
• Dissipateur thermique
• Mur d'enceinte

Dans de nombreux produits, le dissipateur thermique ou le boîtier est conducteur. Si un composant ou un nœud de circuit entre directement en contact avec ce métal, cela peut provoquer des courts-circuits, des courants de fuite, un risque de choc électrique ou une panne du système. Un coussinet thermique isolant crée un chemin thermique sans créer de chemin électrique.

Pourquoi l'isolation électrique est importante en conception thermique

La conception thermique et la conception électrique sont souvent liées. Les ingénieurs peuvent d'abord se concentrer sur le transfert de chaleur, mais l'électronique de puissance nécessite également une séparation électrique sûre.

Une interface thermique électriquement conductrice peut être dangereuse lorsque :

• Le dissipateur thermique est mis à la terre
• La patte du composant est sous tension électrique
• Le boîtier est en métal
• Plusieurs composants partagent un même dissipateur thermique
• La distance de fuite et le dégagement sont limités
• Haute tension présente
• Une certification de sécurité est requise

Dans ces cas, un matériau thermique doit accomplir deux tâches à la fois :

1. Évacuez efficacement la chaleur du composant.
2. Empêcher le courant de passer à travers l'interface.

C'est pourquoi les coussinets thermiques isolants électriquement sont largement utilisés dans l'électronique de puissance et les systèmes à haute fiabilité.

Pour la sélection générale de TIM, le brouillon du pôle de produits de HakTak Matériaux d'interface thermique est conçu pour relier les choix de matériaux tels que les pads, la graisse, les PCM, le mastic et les matériaux personnalisés.

Quand a-t-on besoin d'un coussin thermique isolant électrique ?

Vous avez besoin d'un coussin thermique électriquement isolant lorsque la chaleur doit passer dans une structure de refroidissement conductrice tandis que le circuit électrique doit rester isolé.

Lorsque le dissipateur thermique est conducteur

La plupart des dissipateurs thermiques sont en aluminium ou en cuivre. Tous deux sont conducteurs d'électricité. Si la surface du composant est électriquement active, un contact direct avec le métal est dangereux.

Un pad thermique isolant permet au dissipateur thermique d'évacuer la chaleur tout en empêchant le flux de courant.

C'est fréquent dans :

• Dissipateurs thermiques pour MOSFET
• Modules IGBT
• Dissipateurs thermiques d'alimentation
• Boîtiers de pilotes LED
• Électronique de commande des moteurs
• plaques froides pour onduleurs de véhicules électriques

Lorsque plusieurs composants partagent un seul dissipateur thermique

Dans de nombreux assemblages, plusieurs dispositifs de puissance sont montés sur le même dissipateur thermique. Ces dispositifs peuvent fonctionner à des potentiels électriques différents.

Sans isolation, le dissipateur thermique peut créer des connexions électriques non intentionnelles entre les composants. Un coussin isolant aide à isoler chaque dispositif tout en permettant à la chaleur de se déplacer vers la surface de refroidissement partagée.

Quand le boîtier fait partie du chemin thermique

De nombreux appareils électroniques compacts utilisent le boîtier métallique comme dissipateur thermique. C'est le cas des équipements de télécommunications, des unités de commande automobiles, de l'éclairage LED et de l'électronique industrielle.

Si le boîtier peut être touché, relié à la terre ou connecté à d'autres structures du système, l'isolation électrique devient importante.

Quand la haute tension ou la certification de sécurité est impliquée

Les dispositifs à haute tension ont besoin de matériaux capables de supporter des contraintes électriques. Un coussin thermique doit offrir une rigidité diélectrique et une tension de claquage adéquates pour la conception.

C'est particulièrement important dans :

• Systèmes VE
• Onduleurs
• Alimentations électriques
• Chargeurs de batterie
• Entraînements industriels
• Électronique médicale
• Électronique aérospatiale

Lorsque le bruit électrique ou les fuites doivent être contrôlés

Même si un court-circuit est improbable, un courant de fuite ou un couplage capacitif peut tout de même affecter les composants électroniques sensibles. Les matériaux isolants contribuent à maintenir la séparation électrique et à réduire les risques.

Pads thermiques électriquement isolants vs thermiquement conducteurs

Tous les coussinets thermiques ne sont pas électriquement isolants. Certains matériaux peuvent inclure des charges conductrices ou des structures à base de carbone qui améliorent le transfert thermique mais réduisent l'isolation électrique.

Si les exigences électriques ne sont pas claires, partez du principe qu'une isolation est nécessaire jusqu'à ce que la conception du circuit confirme le contraire.

Principales propriétés électriques à vérifier

Les tampons thermiques électriquement isolants doivent être évalués sur plus que leur conductivité thermique. Les ingénieurs doivent vérifier plusieurs propriétés électriques.

Rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique décrit la contrainte de tension qu'un matériau peut supporter avant claquage. Elle est souvent exprimée en kV/mm, en V/mil ou en unités similaires.

Référence officielle : ASTM D149.

Tension de claquage

La tension de claquage est la tension à laquelle se produit une défaillance de l'isolation à travers un échantillon dans des conditions d'essai définies.

Pour les coussinets thermiques, la tension de claquement dépend de :

• Formulation des matériaux
• Épaisseur du tampon
• Compression
• État de surface
• Température
• Humidité
• Géométrie des électrodes
• État de vieillissement

Un coussinet plus épais peut avoir une tension de claquage plus élevée, mais il augmente également la résistance thermique. Les ingénieurs doivent trouver un équilibre entre la sécurité et le transfert de chaleur.

Résistivité volumique

La résistivité volumique décrit la force avec laquelle un matériau s'oppose au passage du courant à travers son volume. Une résistivité volumique élevée est souhaitable pour les pads thermiques isolants.

Cette propriété aide les ingénieurs à comparer les performances d'isolation électrique, mais elle ne doit pas remplacer la tension de claquage ou les tests de sécurité spécifiques à l'application.

Résistivité superficielle

La résistivité de surface décrit la résistance le long de la surface du matériau. Elle peut avoir de l'importance en présence de risques de contamination, d'humidité ou de cheminement électrique.

Pour les produits réels, l'état de surface peut changer au fil du temps en raison de la poussière, de l'humidité, des huiles, des résidus de flux ou du vieillissement.

Propriétés thermiques clés à vérifier

L'isolation électrique n'est utile que si le coussinet transfère toujours la chaleur efficacement. Les performances thermiques doivent être évaluées en même temps.

Conductivité thermique

La conductivité thermique indique dans quelle mesure le matériau du pad conduit la chaleur. Elle est généralement mesurée en W/mK.

Une conductivité plus élevée peut aider, mais elle ne garantit pas un meilleur refroidissement. Si le pad est trop épais, trop dur ou mal compressé, la résistance thermique peut tout de même rester élevée.

HakTak a abordé ce principe dans Pourquoi une conductivité thermique élevée (W/mK) ne signifie pas toujours de meilleures performances de refroidissement.

Impédance thermique

L'impédance thermique est souvent plus utile que la conductivité car elle reflète l'interface dans des conditions spécifiques d'épaisseur, de pression et de contact.

Pour les tests TIM, la norme ASTM D5470 est couramment référencée pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermiquement conducteurs. Elle est pertinente lors de l'évaluation de l'impédance thermique et de la conductivité apparente des matériaux d'interface. Référence officielle : ASTM D5470.

Épaisseur de la ligne de liaison

L'épaisseur de la ligne de collage est l'épaisseur finale du coussin après compression. Elle affecte directement la résistance thermique.

Pour un chemin thermique simplifié :

R = t / (k × A)

Où :

• R est la résistance thermique
• t est l'épaisseur
• k est la conductivité thermique
• A est la zone de contact

Des coussinets plus épais peuvent améliorer la marge d'isolation, mais ils augmentent généralement la résistance thermique. C'est l'un des compromis fondamentaux dans le choix des coussinets thermiques isolants.

L'article de HakTak Comment l'épaisseur du joint de colle affecte la performance thermique explique cette relation en détail.

Épaisseur du pad thermique et sécurité électrique

L'épaisseur est l'une des variables de conception les plus importantes pour les coussinets thermiques électriquement isolants.

Une protection plus épaisse peut :

• Augmenter la tension de claquage
• Améliorer la couverture des tolérances
• Combler les plus grands espaces
• Réduire le risque de contact direct avec le métal

Mais une protection plus épaisse peut également :

• Augmenter la résistance thermique
• Exiger plus de compression
• Augmenter la contrainte mécanique
• Réduire la performance de refroidissement
• Rendre l'assemblage plus difficile

Ce compromis est la raison pour laquelle les ingénieurs ne devraient pas simplement choisir le coussin isolant le plus épais. Le bon choix est le coussin le plus mince qui comble l'espace, maintient l'isolation, résiste à la compression et maintient une faible résistance thermique.

Le guide de HakTak Comment choisir l'épaisseur du pad thermique pour l'électronique fournit un flux de travail pratique pour la sélection de l'épaisseur.

Compression et isolation

Les tampons thermiques doivent souvent être comprimés pour établir un bon contact. La compression améliore le transfert thermique, mais elle peut également modifier le comportement électrique et mécanique.

La compression affecte :

• Épaisseur finale
• Zone de contact
• Contrainte mécanique
• Espacement diélectrique
• Déformation de coussinet
• Déformation rémanente à long terme

Si un coussinet est surcomprimé, l'épaisseur finale peut être inférieure à celle prévue. Cela peut réduire la marge diélectrique. Cela peut également créer des contraintes sur les composants ou provoquer l'extrusion du coussinet.

Si un coussinet est sous-comprimé, il peut laisser des poches d'air, augmentant la résistance thermique et réduisant les performances de refroidissement.

L'article de HakTak Comment la compression affecte la performance des coussinets thermiques explique comment la compression affecte le contact, l'impédance thermique et la fiabilité mécanique.

Pads thermiques isolants souples vs rigides

Les coussinets thermiques isolants électriquement peuvent être mous ou relativement durs. La dureté influe sur la pression nécessaire pour obtenir un bon contact.

Les coussinets isolants souples sont utiles lorsque :

• La pression est limitée
• Les composants sont fragiles
• La planéité de la surface est mauvaise
• L'assemblage présente des variations de tolérance
• Une faible contrainte mécanique est requise

Les coussinets isolants plus durs sont utiles lorsque :

• L'écart est contrôlé
• La manipulation et la mise en place exigent de la stabilité
• La précision de la forme de découpe importe
• L'ensemble peut fournir une pression suffisante
• La propreté lors des retouches est importante

Pour plus de détails, voir l'article de HakTak Pads thermiques souples ou durs : lequel est le meilleur ?.

Pads thermiques isolants électriquement par rapport aux autres TIM

Les coussinets thermiques électriquement isolants ne sont pas la seule façon de résoudre un problème d'interface thermique. Les ingénieurs devraient comparer les options en fonction des exigences thermiques et électriques.

La pâte thermique peut être isolante sur le plan électrique, mais elle risque de s'étaler en dehors de la zone ciblée. Pour les assemblages haute tension ou critiques en matière de sécurité, un tampon permet de mieux contrôler l'épaisseur et le positionnement de la pâte.

Les tamis thermiques à changement de phase peuvent offrir une manipulation propre avec un mouillage amélioré après activation. Article de HakTak Explication des pads thermiques à changement de phase explique ce type de matériau.

Pour les espaces irréguliers, le mastic thermique ou le produit de remplissage d'interstice peut être plus approprié. Voir Pâte thermique ou pad thermique : comment choisir pour les espaces irréguliers.

Exemples d'application

Blocs d'alimentation

Les blocs d'alimentation utilisent souvent des MOSFET, des diodes, des redresseurs, des transformateurs et des composants de commande montés à proximité de dissipateurs thermiques ou de boîtiers métalliques. Des patins isolants électriquement aident à transférer la chaleur tout en empêchant une conduction indésirable vers le dissipateur thermique.

Principales exigences :

• Rigidité diélectrique
• Impédance thermique
• Épaisseur du tampon
• Contrôle de compression
• Classement d'inflammabilité
• Stabilité au vieillissement à long terme

Onduleurs pour VE et électronique automobile

Les onduleurs pour véhicules électriques et les modules de commande automobiles sont soumis à des tensions élevées, à des vibrations et à des cycles thermiques. Des tampons électriquement isolants peuvent être utilisés entre les dispositifs de puissance et les plaques froides ou les boîtiers.

Principales exigences :

• Haute fiabilité diélectrique
• Stabilité au cyclage thermique
• Résistance aux vibrations
• Contrôle de la déformation rémanente après compression
• Plage de température automobile
• Qualité de production constante

Éclairage LED

Les LED et les pilotes de LED génèrent de la chaleur et utilisent souvent des cartes métalliques, des boîtiers et des dissipateurs thermiques. Les pads thermiques isolants aident à prévenir le contact électrique tout en favorisant le transfert de chaleur.

Principales exigences :

• Ligne de collage mince
• Chemin thermique stable
• Isolation électrique
• Longue durée de vie
• Résistance au feu si requise

Équipements télécoms et 5G

L'électronique des télécommunications fonctionne souvent en continu et peut être exposée aux variations de température extérieures. Les tampons isolants peuvent aider à transférer la chaleur vers les boîtiers métalliques tout en isolant les nœuds de circuits.

Principales exigences :

• Stabilité de compression à long terme
• Résistance aux cycles thermiques
• Isolation électrique
• Résistance à l'humidité et au vieillissement
• Assemblage répétable

Entraînements industriels et commandes de moteurs

Les variateurs industriels et les commandes de moteurs peuvent utiliser de l'électronique de puissance à haute tension montée sur des dissipateurs thermiques métalliques. Des coussinets isolants électriquement assurent le transfert thermique et l'isolation dans des environnements difficiles.

Principales exigences :

• Rigidité diélectrique
• Durabilité mécanique
• Impédance thermique
• Résistance aux vibrations
• Considérations relatives à l'exposition à l'huile, à la poussière ou à l'humidité

Comment choisir un coussin thermique électriquement isolant

Un processus de sélection pratique devrait inclure à la fois les exigences électriques et thermiques.

Étape 1 : Définir l'exigence de tension

Commencez par la conception électrique. Identifiez la différence de tension maximale aux bornes de l'interface, y compris les transitoires, les pics et la marge de sécurité.

Demander

• Quelle tension le tampon doit-il isoler ?
• Le dissipateur thermique est-il mis à la terre ?
• L'onglet du composant est-il en ligne ?
• Plusieurs appareils partagent-ils un seul dissipateur thermique ?
• Les lignes de fuite et les distances dans l'air sont-elles limitées ?
• La certification est-elle requise ?

Étape 2 : Mesurer l'écart

Mesurez l'écart minimal, nominal et maximal. Le coussin doit combler l'écart maximal tout en évitant une surcompression au niveau de l'écart minimal.

Étape 3 : Choisissez l'épaisseur et la plage de compression

Sélectionnez une épaisseur de tampon qui offre un espacement diélectrique et des performances thermiques suffisants après compression. L'épaisseur finale compressée importe plus que l'épaisseur nominale.

Étape 4 : Vérifier l'impédance thermique

Examinez l'impédance thermique sous une pression réaliste et avec l'épaisseur finale. Ne vous fiez pas uniquement aux W/mK.

Étape 5 : Valider la rigidité diélectrique après l'assemblage

L'isolation électrique doit être validée dans des conditions qui reflètent l'utilisation réelle. La compression, la température, l'humidité et le vieillissement peuvent affecter les performances.

Étape 6 : Tester la fiabilité

Test après :

• Cyclage thermique
• Vieillissement à haute température
• Vibration
• Exposition à l'humidité
• Mise hors et sous tension
• Retravailler
• Déformation rémanente après compression

Liste de contrôle de sélection

Les erreurs courantes que les ingénieurs doivent éviter

La première erreur est de choisir un coussin thermique isolant uniquement en fonction de sa conductivité thermique en W/mK. L'isolation électrique, l'épaisseur, la pression et la rigidité diélectrique comptent tout autant.

La deuxième erreur est d'ignorer l'épaisseur finale compressée. L'isolation et la résistance thermique du coussin dépendent de l'épaisseur après assemblage.

La troisième erreur est d'utiliser un matériau thermique conducteur là où une isolation électrique est requise. Cela peut créer des courts-circuits ou des chemins de fuite.

La quatrième erreur est de sélectionner un tampon qui est trop épais pour les performances thermiques. Une épaisseur supplémentaire peut améliorer la marge de tension mais peut augmenter la température des composants.

La cinquième erreur est de tester l'isolation uniquement avant l'assemblage. La compression, la chaleur et le vieillissement peuvent modifier l'état réel.

La sixième erreur consiste à négliger l'inflammabilité ou les exigences de sécurité. En électronique de puissance, la résistance au feu peut faire partie du processus de sélection des matériaux. UL propose des services d'essais de matières plastiques et des ressources liées à l'inflammabilité ; les ingénieurs peuvent consulter un aperçu des essais de matières plastiques d'UL ici : Essai des matières plastiques UL.

La septième erreur est de supposer qu'un seul coussinet convient à tous les niveaux de tension. Une tension plus élevée, des intervalles plus étroits et des environnements plus difficiles nécessitent une validation plus minutieuse.

Perspective HakTak

Chez HakTak, les coussinets thermiques isolants électriquement sont traités à la fois comme des composants de conception thermique et électrique. Un coussinet ne doit pas seulement transférer la chaleur ; il doit également maintenir son isolation sous l'effet de la pression, de la température et d'une utilisation à long terme.

Pour une sélection précise des matériaux, les ingénieurs doivent fournir :

• Type et puissance de la source de chaleur
• Zone de contact
• Jeu minimal, nominal et maximal
• Tension de claquage requise ou rigidité diélectrique
• Que le dissipateur thermique ou le boîtier soit mis à la terre
• Pression disponible ou couple de serrage
• Fragilité des composants
• Conductivité thermique requise ou cible d'impédance
• Plage de températures de fonctionnement
• Exigences en matière de cyclage thermique et de vibrations
• Exigences de résistance au feu ou de sécurité
• Méthode de production et besoins en découpe

Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander plus précisément l'épaisseur, la dureté, la classe de conductivité, la rigidité diélectrique et la plage de compression du coussinet.

Le meilleur coussinet thermique isolant électriquement est celui qui maintient le composant au frais tout en assurant une isolation électrique sûre pendant toute la durée de vie du produit.

Conclusion

Des coussinets thermiques isolants électriquement sont nécessaires lorsque des composants électroniques doivent transférer de la chaleur vers un dissipateur thermique, un boîtier, un châssis ou une plaque froide conducteur sans créer de chemin électrique.

Ils sont particulièrement importants dans l'électronique de puissance, les systèmes de véhicules électriques, les pilotes de LED, les appareils de télécommunication, les commandes industrielles et tout produit où l'isolation électrique et la gestion thermique doivent fonctionner ensemble.

Le bon coussinet doit être sélectionné selon des critères à la fois thermiques et électriques. Les ingénieurs doivent évaluer la rigidité diélectrique, la tension de claquage, la résistivité volumique, l'épaisseur, la compression, l'impédance thermique, la dureté, le vieillissement, les cycles thermiques et la manipulation en production.

Ne choisissez pas un coussin thermique isolant uniquement en fonction de sa conductivité ou de sa tension nominale. Le véritable critère est une performance thermique et électrique stable dans l'assemblage final.

Foire aux questions

Qu'est-ce qu'un pad thermique électriquement isolant ?

Un coussinet thermique isolant électriquement est un matériau d'interface thermique qui transfère la chaleur tout en empêchant le courant électrique de passer entre un composant et une surface de refroidissement.

Quand ai-je besoin d'un coussin thermique isolant électriquement ?

Vous en avez besoin lorsqu'un composant dégageant de la chaleur doit transférer sa chaleur vers un dissipateur thermique conducteur, un boîtier, un châssis ou une plaque froide tout en restant électriquement isolé.

Tous les pads thermiques sont-ils électriquement isolants ?

Non. Certains coussinets thermiques sont électriquement isolants, tandis que d'autres peuvent être électriquement conducteurs selon le type de charge et la formulation.

Quelle est la rigidité diélectrique d'un pad thermique ?

La rigidité diélectrique décrit la quantité de contrainte électrique qu'un matériau peut supporter avant le claquage dans des conditions d'essai spécifiées.

Un matelas isolant plus épais offre-t-il une meilleure isolation ?

Souvent, un coussinet plus épais peut augmenter la tension de claquage, mais il augmente également la résistance thermique. Les ingénieurs doivent trouver un équilibre entre l'isolation et le refroidissement.

La graisse thermique peut-elle être électriquement isolante ?

Certaines pâtes thermiques sont électriquement isolantes, mais la pâte peut s'étaler et être plus difficile à contrôler qu'un pad. Les pads offrent une épaisseur et un placement plus précis.

Quelle est la différence entre la rigidité diélectrique et la tension de claquage ?

La tension de claquage est la tension à laquelle une défaillance se produit pour un échantillon. La rigidité diélectrique est généralement normalisée par l'épaisseur, comme en kV/mm.

La compression peut-elle affecter l'isolation électrique ?

Oui. La compression modifie l'épaisseur finale et peut affecter la marge diélectrique, le contact, la contrainte mécanique et la fiabilité à long terme.

Quelles applications utilisent couramment des coussinets thermiques isolants électriques ?

Les applications courantes comprennent les alimentations électriques, les MOSFET, les modules IGBT, les onduleurs pour véhicules électriques, les pilotes de LED, les équipements de télécommunication, les variateurs industriels et les systèmes de batteries.

Quelles données dois-je fournir pour sélectionner un tampon thermique isolant ?

Fournissez l'exigence de tension, la charge thermique, la zone de contact, la plage d'entrefer, la limite de pression, les matériaux de surface, la température de fonctionnement, l'objectif d'isolation et les exigences de fiabilité.