Comment l'épaisseur de la ligne de collage influe sur les performances thermiques

L'épaisseur de la couche de liaison (souvent abrégée en BLT) correspond à l'épaisseur d'un matériau d'interface thermique situé entre une source de chaleur et une surface de refroidissement. Elle influe considérablement sur les performances thermiques, car la chaleur doit traverser cette couche avant d'atteindre le dissipateur thermique, la plaque froide, le boîtier ou le châssis.

Dans la plupart des cas, une couche de liaison plus fine réduit la résistance thermique et améliore le refroidissement, à condition que le matériau comble bien les interstices d’air et assure un contact total. Une couche de liaison trop épaisse peut augmenter la résistance thermique, même lorsque le matériau d’interface thermique présente une valeur W/mK élevée. Une couche de liaison trop fine peut laisser des vides, des zones de contact sèches ou une couverture incomplète.

En termes simples : La meilleure couche de liaison n'est pas toujours la plus fine possible. Il s'agit de la couche fiable la plus fine qui comble entièrement l'interface.

Pour les ingénieurs chargés de choisir une pâte thermique, des coussinets thermiques, des coussinets thermiques PCM, du mastic thermique ou des produits de comblement, le BLT est l'un des facteurs les plus importants pour les performances thermiques réelles.

Qu'est-ce que l'épaisseur de la ligne de collage ?

L'épaisseur de la couche de liaison correspond à l'épaisseur finale du matériau d'interface thermique (TIM) après assemblage. Il s'agit de la distance entre la source de chaleur et la surface de refroidissement une fois que le TIM a été comprimé, étalé, durci ou activé.

La source de chaleur peut être :

• UNITÉ CENTRALE
• GPU
• Module LED
• MOSFET
• IGBT
• Module d'alimentation
• Composant de batterie
• Puce de télécommunications
• Contrôleur industriel

La surface de refroidissement peut être :

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

Le TIM se trouve entre ces surfaces et comble les interstices qui, sans lui, contiendraient de l'air. L'air ayant une très faible conductivité thermique, le fait de le remplacer par du TIM améliore le transfert de chaleur. Cependant, le TIM lui-même présente une certaine résistance. Plus la couche de TIM est épaisse, plus la chaleur doit surmonter une résistance importante.

C'est pour cela que le BLT est si important.

Pourquoi l'épaisseur de la ligne de collage est-elle importante ?

La relation entre la résistance thermique et l'épaisseur de la couche de liaison peut s'expliquer à l'aide d'une équation simple :

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 montre que la résistance thermique augmente avec l'épaisseur. Toutes choses égales par ailleurs, doubler l'épaisseur de la ligne de liaison double la résistance thermique globale de la couche de TIM.

C'est également pour cette raison qu'un TIM à haute conductivité ne garantit pas toujours un meilleur refroidissement. Si le matériau forme une couche de liaison épaisse, sa résistance thermique réelle peut tout de même rester élevée.

HakTak a abordé cette question plus en détail dans Pourquoi une valeur élevée de W/mK n'est pas toujours synonyme d'une meilleure performance de refroidissement.

Conductivité thermique en fonction de l'épaisseur de la couche de liaison

La conductivité thermique fait l'objet d'une grande attention, car elle est facile à comparer dans une fiche technique. Un matériau dont la conductivité thermique est indiquée à 10 W/mK semble meilleur qu'un autre dont elle est indiquée à 5 W/mK.

Mais dans le cadre d'une sélection TIM réelle, l'épaisseur peut influencer le résultat.

Par exemple :

Même si le matériau A présente une conductivité plus élevée, le matériau B peut offrir un meilleur refroidissement s'il forme une interface beaucoup plus fine et plus homogène.

C'est pourquoi les ingénieurs devraient évaluer la résistance thermique ou l'impédance thermique, et pas seulement le W/mK. Pour plus d'informations, consultez le guide de HakTak : Conductivité thermique et impédance thermique dans la sélection des MIT.

Le rôle méconnu de la résistance de contact

Le meilleur BLT ne correspond pas simplement à la valeur la plus faible. Un TIM doit également combler les irrégularités de surface et éliminer les poches d'air.

Les surfaces réelles ne sont pas parfaitement planes. Même les surfaces métalliques polies présentent des crêtes et des creux microscopiques. Lorsque deux surfaces solides se touchent, seuls certains points élevés entrent en contact direct. Le reste de l'interface est rempli d'air.

Si la couche de liaison est trop fine, le TIM risque de ne pas combler entièrement ces vides. Cela peut entraîner une résistance de contact, l'apparition de points chauds et une performance thermique instable.

La résistance de contact dépend des facteurs suivants :

• Rugosité de la surface
• Propreté des surfaces
• Pression de contact
• Comportement de mouillage du TIM
• Viscosité ou dureté du matériau
• Taille des particules
• Pores d'air
• Oxydation ou contamination

Sur les surfaces très lisses, une fine couche de graisse peut s'avérer efficace. Sur les surfaces plus rugueuses ou irrégulières, une couche légèrement plus épaisse ou un matériau plus souple peut donner de meilleurs résultats.

En d'autres termes, l'objectif n'est pas d'obtenir une valeur BLT minimale à tout prix. L'objectif est d'obtenir une faible résistance thermique totale.

Épaisseur de la couche de colle dans la pâte thermique

La graisse thermique et la pâte thermique sont conçues pour former des couches très fines. Lorsqu'elles sont appliquées correctement, elles se répartissent dans les irrégularités microscopiques de la surface et créent une faible résistance thermique.

Cependant, on a facilement tendance à mettre trop de graisse.

Une quantité excessive de pâte thermique peut :

• Augmenter l'épaisseur de la ligne de collage
• Piéger les bulles d'air
• Augmenter la résistance thermique
• Provoquer un rachat obligatoire
• Contaminer les composants situés à proximité
• Réduire la répétabilité de l'assemblage

Une quantité insuffisante de pâte thermique peut :

• Laisser les zones de contact sèches
• Créer des poches d'air
• Provoque un transfert de chaleur inégal
• Augmentation du risque de « hot spot »

La quantité adéquate dépend de la surface, de la pression, de la planéité de la surface, de la viscosité et de la méthode d'assemblage. L'article de HakTak Conseils pour l'application de la graisse thermique et son fonctionnement explique les aspects pratiques à prendre en compte lors de la mise en œuvre.

En ce qui concerne la pâte thermique, le contrôle BLT repose souvent sur la rigueur du processus. Les opérateurs doivent veiller à appliquer une quantité constante de pâte, à ce que les surfaces soient propres, à exercer une pression adéquate et à suivre une méthode d'assemblage reproductible.

Épaisseur de la ligne de liaison dans les coussinets thermiques

Les pastilles thermiques sont fournies dans des épaisseurs bien définies. Elles offrent ainsi une plus grande précision et une meilleure reproductibilité que la graisse, notamment dans le cadre de la production en série. Le choix de l'épaisseur des pastilles est toutefois déterminant.

Si le tampon est trop fin, il risque de ne pas être en contact complet avec les deux surfaces. S'il est trop épais, il risque d'augmenter la résistance thermique ou d'exercer une contrainte excessive sur les composants.

Les performances du coussin thermique BLT dépendent :

• Épaisseur d'origine de la plaquette
• Pourcentage de compression
• Dureté du tampon
• Taille de l'écart
• Tolérance d'écart
• Planéité de la surface
• Pression d'assemblage
• Déformation rémanente après compression à long terme

Le choix d'une pastille thermique doit généralement se faire en fonction de l'écart réel et de la plage de compression requise. Une erreur courante consiste à choisir une pastille épaisse “ juste pour être sûr qu'elle soit en contact ”. Cela peut entraîner une résistance excessive et des contraintes mécaniques.

La meilleure approche consiste à mesurer l'écart réel, à comprendre l'accumulation des tolérances et à choisir une pastille qui se comprime correctement sans exercer de contrainte excessive sur le circuit imprimé ou le composant.

Épaisseur de la ligne de liaison dans les coussinets thermiques PCM

Les matériaux à changement de phase, ou pastilles thermiques PCM, se comportent différemment des pastilles classiques. Ils sont généralement solides ou semi-solides à température ambiante, puis se ramollissent à la température de fonctionnement. Cela leur permet de mouiller l'interface et de réduire la résistance de contact.

Pour les matériaux PCM, il faut tenir compte du BLT avant et après l'activation.

Parmi les questions importantes, on peut citer :

• Quelle est l'épaisseur initiale ?
• Quelle est l'épaisseur finale après le changement de phase ?
• Quelle pression est exercée lors de l'activation ?
• Le matériau s'écoule-t-il suffisamment pour combler la rugosité de la surface ?
• Reste-t-il stable après un cycle thermique ?
• Est-ce qu'il s'écoule ou se déplace ?

Les pastilles thermiques en PCM peuvent s'avérer utiles lorsque les ingénieurs recherchent une manipulation plus propre que celle offerte par la graisse, mais un meilleur mouillage de surface qu'avec une pastille classique. HakTak explique cette catégorie de matériaux dans Tout savoir sur les coussinets thermiques PCM : comment les matériaux à changement de phase améliorent la gestion thermique.

Pour les matériaux PCM, l'épaisseur finale de la ligne de collage peut s'avérer plus importante que l'épaisseur indiquée, car le matériau subit des modifications pendant le fonctionnement.

Épaisseur de la ligne de collage dans les mastics thermiques et les produits de comblement

Les mastics thermiques et les produits de comblement sont utilisés lorsque les interstices sont plus larges, irréguliers ou difficiles à maîtriser. Dans ces cas-là, il peut s'avérer impossible, voire indésirable, d'appliquer une couche de BLT très fine.

La pâte thermique est utile pour :

• Hauteurs inégales des composants
• Grande variation de l'écart
• Surfaces irrégulières
• Ensembles basse pression
• Refroidissement des circuits imprimés à plusieurs composants
• Électronique automobile et des télécommunications

Dans ces cas-là, la capacité du matériau à combler l'espace peut s'avérer plus importante que l'obtention d'une couche aussi fine que possible.

Par exemple, si plusieurs composants présentent des hauteurs différentes, une fine couche de pâte thermique ne suffit pas à combler l'espace jusqu'au boîtier. Un mastic ou un produit de remplissage plus épais peut présenter une résistance volumique plus élevée, mais il peut tout de même améliorer le refroidissement, car il remplace l'air et crée un chemin thermique continu.

L'essentiel est d'éviter toute épaisseur superflue tout en comblant entièrement l'espace.

Comment la pression influe sur le BLT

La pression est l'un des principaux facteurs qui déterminent l'épaisseur de la ligne de collage.

Une pression plus élevée peut :

• Appliquer de la pâte thermique plus fluide
• Compresser les coussinets thermiques
• Améliorer la surface de contact
• Réduire les vides d'air
• Activer plus efficacement certains matériaux à changement de phase

Mais une pression excessive peut également poser des problèmes :

• Pliage de circuits imprimés
• Fissuration des composants
• Contrainte au niveau du joint de soudure
• Déformation du boîtier
• Extraction de la graisse
• Compression excessive du patin
• Évacuation des matières au fil du temps

La pression optimale dépend du matériau et de la conception de l'ensemble. Les ingénieurs doivent examiner les plages de compression recommandées et effectuer des essais dans des conditions réelles.

Cela revêt une importance particulière lorsqu'on compare les valeurs indiquées dans les fiches techniques. Un matériau testé à haute pression peut présenter une faible résistance thermique en laboratoire, mais si le produit réel est soumis à une pression plus faible, ses performances réelles peuvent s'avérer moins bonnes.

Comment la planéité de la surface influe sur le BLT

La planéité de la surface détermine l'épaisseur minimale que peut réellement avoir la couche de TIM.

Si les deux surfaces sont très planes, le TIM peut être fin tout en assurant un contact total. Si les surfaces sont rugueuses, déformées, inclinées ou irrégulières, une couche très fine risque de ne pas remplir entièrement l'interface.

Parmi les causes courantes d'un BLT irrégulier, on peut citer :

• Tolérance d'usinage des dissipateurs thermiques
• Déformation des circuits imprimés
• Variation de la hauteur des composants
• Variation de l'épaisseur de la soudure
• Déformation du boîtier
• Couple de serrage irrégulier des vis
• Incompatibilité de dilatation thermique

Si les surfaces ne sont pas parallèles, la ligne de collage peut être fine d'un côté et épaisse de l'autre. Cela entraîne un transfert de chaleur inégal et peut créer des points chauds.

Les ingénieurs doivent évaluer non seulement la valeur moyenne du BLT, mais aussi la variation du BLT sur l'ensemble de l'interface.

Essais BLT et d'impédance thermique

Les essais d'impédance thermique sont utiles car ils permettent d'établir un lien entre le comportement du matériau et les conditions réelles à l'interface. L'impédance d'un TIM dépend fortement de l'épaisseur de la couche de liaison et de la pression.

Lorsqu'ils examinent les données de test, les ingénieurs doivent se poser les questions suivantes :

• Quelle était l'épaisseur de la couche de liaison ?
• Quelle pression a été exercée ?
• Le matériau a-t-il été testé tel qu'il a été fourni ou après conditionnement ?
• Le résultat concernait-il la conductivité thermique, la résistance ou l'impédance ?
• L'échantillon a-t-il été compressé ?
• Quelle était la température d'essai ?
• Quel type de finition de surface a été utilisé ?

L'article de HakTak Normes courantes en matière de tests TIM que les ingénieurs doivent connaître explique pourquoi les méthodes et les conditions d'essai sont importantes lorsqu'on compare des données TIM.

Une valeur W/mK sans informations sur le BLT est incomplète. Pour toute décision technique importante, le BLT doit toujours être pris en compte.

La technologie BLT dans les applications à haute puissance

L'épaisseur de la couche de liaison revêt une importance croissante à mesure que le flux thermique augmente.

En électronique de forte puissance, même une légère augmentation de la résistance thermique peut entraîner une hausse significative de la température des composants. Cela revêt une importance particulière dans les domaines suivants :

• Onduleurs EV
• Modules IGBT
• Assemblages de MOSFET
• Eclairage LED
• Serveurs d'IA
• Stations de base de télécommunications
• Alimentations électriques
• Électronique aérospatiale
• Entraînements de moteurs industriels

Dans ces systèmes, la gestion du BLT peut avoir une incidence sur la durée de vie, le rendement et la fiabilité des dispositifs.

Par exemple, un module LED dont l'épaisseur de la pâte thermique (TIM) est excessive peut chauffer davantage, ce qui réduit son rendement lumineux et sa durée de vie. Un module d'alimentation dont l'épaisseur de la pâte thermique (BLT) est inégale peut présenter des points chauds qui accélèrent sa défaillance. Un GPU dont l'épaisseur de la pâte thermique est mal contrôlée peut voir ses performances réduites en cas de charge élevée.

Plus la charge thermique est importante, plus il est essentiel de contrôler le BLT.

Fiabilité à long terme et BLT

L'épaisseur de la ligne de collage peut varier au fil du temps.

Les cycles thermiques, les vibrations, le pompage, le dessèchement, la déformation rémanente après compression et le vieillissement des matériaux peuvent tous avoir une incidence sur l'interface finale.

En ce qui concerne la pâte thermique, le pompage peut réduire la couverture et créer des zones sèches. Le dessèchement peut augmenter la résistance. HakTak aborde les questions de stockage et de stabilité dans Comment conserver correctement la pâte thermique non utilisée.

Pour les coussinets thermiques, la déformation rémanente sous compression peut réduire la capacité de reprise et la pression de contact au fil du temps. Pour les matériaux PCM, les cycles répétés de changement de phase peuvent affecter l'écoulement et la mise en place. Pour les mastics et les produits de comblement, le déplacement du matériau ou son affaissement peuvent modifier la couverture.

Les ingénieurs doivent évaluer le BLT non seulement après le montage initial, mais également après :

• Cyclage thermique
• Vieillissement à haute température
• Vibrations
• Redémarrage
• Remaniement
• Stockage
• Exposition environnementale

Les performances thermiques initiales sont utiles, mais la stabilité des performances dans le temps est plus importante.

Comment contrôler l'épaisseur de la ligne de collage

La maîtrise du BLT passe d'abord par une conception mécanique de qualité et un bon contrôle des processus.

Parmi les méthodes pratiques, on peut citer :

• Mesurer les dimensions réelles des jeux
• Définir l'accumulation des tolérances
• Choisissez le type de TIM approprié
• Choisissez une épaisseur de patin ou une quantité de graisse adaptée
• Contrôler le couple de serrage ou la force de serrage
• Utilisez des entretoises ou des tiges d'écartement si nécessaire
• Nettoyez les surfaces avant le montage
• Évitez d'appliquer une quantité excessive de graisse
• Vérifier la plage de compression
• Essai après cycles thermiques
• Veillez à respecter une disposition uniforme des éléments distribués ou découpés

En production, la reproductibilité est tout aussi importante que les meilleures performances obtenues en laboratoire. Un TIM qui donne de bons résultats sur un prototype mais dont les performances varient considérablement en production n'est peut-être pas le meilleur choix.

Guide pratique de sélection

Suivez ces conseils généraux lorsque vous envisagez de préparer un sandwich BLT :

Dans les environnements sous vide ou à basse pression, le BLT n'est pas la seule préoccupation. Le dégazage et la stabilité des matériaux peuvent également jouer un rôle. HakTak aborde ce sujet dans La pâte thermique se volatilise-t-elle sous vide ? Comprendre le dégazage et les performances dans des environnements à basse pression.

Les erreurs courantes que les ingénieurs doivent éviter

La première erreur consiste à choisir un TIM en se basant uniquement sur la valeur W/mK. La conductivité est certes importante, mais le BLT peut modifier le résultat final.

La deuxième erreur consiste à appliquer une quantité excessive de pâte thermique. Une plus grande quantité de pâte ne garantit pas un meilleur refroidissement.

La troisième erreur consiste à choisir un tampon thermique trop épais. Une épaisseur excessive augmente la résistance et peut mettre les composants à rude épreuve.

La quatrième erreur consiste à ne pas tenir compte de la planéité de la surface. Les surfaces irrégulières peuvent nécessiter un matériau plus souple.

La cinquième erreur consiste à comparer des données d'essai sans connaître l'épaisseur de la ligne de soudure. Les valeurs de conductivité mesurées pour des épaisseurs ou des pressions différentes peuvent ne pas être comparables.

La sixième erreur consiste à ne pas tenir compte de l'évolution à long terme des caractéristiques du BLT. Le pompage, la déformation rémanente après compression, le dessèchement et les cycles thermiques peuvent tous avoir une incidence sur les performances réelles.

Point de vue de HakTak

Au HakTak, l'épaisseur de la couche de liaison est considérée comme l'une des variables clés dans le choix du TIM. La conductivité thermique d'un matériau est importante, mais elle doit être adaptée à la géométrie réelle de l'interface, à la pression, à l'état de la surface et aux exigences de fiabilité.

Pour la pâte thermique, l'accent est mis sur une application fine et uniforme ainsi que sur un contact stable à long terme. Pour les coussinets thermiques, l'accent est mis sur l'épaisseur, la dureté, la compression et l'isolation. Pour les coussinets thermiques à PCM, l'accent est mis sur le comportement d'activation et l'épaisseur finale après fluage. Pour les mastics et les produits de comblement, l'accent est mis sur la conformabilité et le comblement complet des interstices.

Lorsqu'ils discutent d'une application d'interface thermique avec un fournisseur, les ingénieurs doivent fournir :

• Type et puissance de la source de chaleur
• Zone de contact
• Dimensions et tolérances des jeux
• Épaisseur cible de la ligne de liaison
• Matériaux de surface
• Planéité de la surface
• Pression disponible
• Température de fonctionnement
• Besoins en matière d'isolation électrique
• Exigences en matière de fiabilité

Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander un TIM en se basant sur la résistance thermique réelle plutôt que sur une simple valeur indiquée dans la fiche technique.

Conclusion

L'épaisseur de la couche de colle a un impact direct sur les performances thermiques. Une couche de TIM plus fine réduit généralement la résistance thermique, mais uniquement si elle comble toujours les imperfections de la surface et assure un contact total.

Si la couche de liaison est trop épaisse, la chaleur doit traverser une plus grande quantité de matériau, ce qui augmente la résistance. Si elle est trop fine, la présence de vides et un mauvais contact peuvent accroître la résistance. La meilleure couche de liaison (BLT) est la couche fiable la plus fine qui comble entièrement l'interface dans des conditions réelles d'assemblage.

Les ingénieurs doivent évaluer le BLT en tenant compte de la conductivité thermique, de la pression de contact, de la planéité de la surface, du type de matériau, de la fiabilité à long terme et de la reproductibilité de la production.

Le TIM le plus efficace n'est pas toujours celui qui présente la valeur W/mK la plus élevée. Il s'agit du matériau qui offre la résistance thermique stable la plus faible dans le produit fini.

FAQ

Qu'est-ce que l'épaisseur de la ligne de collage ?

L'épaisseur de la couche de liaison correspond à l'épaisseur finale du matériau d'interface thermique entre une source de chaleur et une surface de refroidissement après assemblage.

Pourquoi l'épaisseur de la couche de liaison influe-t-elle sur les performances thermiques ?

La chaleur doit traverser la couche de TIM. Une couche plus épaisse augmente généralement la résistance thermique, tandis qu'une couche complète plus fine améliore généralement le transfert thermique.

Une épaisseur de joint plus fine est-elle toujours préférable ?

Pas toujours. Une couche de liaison trop fine peut laisser des poches d’air ou ne pas recouvrir entièrement la surface. La meilleure couche de liaison est fine, mais remplit néanmoins entièrement l’interface.

En quoi l'épaisseur de la couche de liaison influe-t-elle sur la pâte thermique ?

La pâte thermique offre généralement de meilleures performances lorsqu'elle est appliquée en couche fine et uniforme. Une quantité excessive de pâte augmente l'épaisseur et la résistance, tandis qu'une quantité insuffisante peut laisser des vides.

Dans quelle mesure l'épaisseur de la couche de liaison influe-t-elle sur les pastilles thermiques ?

Les cales thermiques doivent être suffisamment épaisses pour combler l'espace, mais pas au point d'augmenter la résistance ou de générer une contrainte mécanique excessive.

Quels sont les facteurs qui déterminent l'épaisseur de la ligne de collage ?

Le BLT dépend de la taille de l'interstice, de l'épaisseur du matériau, de la pression, de la planéité de la surface, de la dureté du matériau, de la viscosité, de la compression et du processus d'assemblage.

Les ingénieurs doivent-ils choisir les TIM en fonction de leur conductivité thermique ou selon le critère BLT ?

Ces deux facteurs sont importants. La conductivité thermique permet de sélectionner les matériaux, mais ce sont le BLT et la résistance thermique qui déterminent les performances réelles de refroidissement.

Comment les ingénieurs peuvent-ils réduire l'épaisseur de la ligne de collage ?

Les ingénieurs peuvent réduire le BLT en améliorant la planéité de la surface, en choisissant le type de TIM approprié, en contrôlant la quantité appliquée, en augmentant la pression de manière adéquate et en utilisant des entretoises mécaniques ou une compression contrôlée.