Pour choisir l’épaisseur d’un pad thermique destiné à l’électronique, mesurez d’abord l’espace réel entre la source de chaleur et la surface de refroidissement, puis choisissez un pad qui comble l’espace maximal tout en restant dans la plage de compression recommandée lorsque l’espace est minimal. Le pad sélectionné doit assurer un contact complet sans contrainte mécanique excessive, et son épaisseur finale après compression doit maintenir la résistance thermique dans les limites définies par la conception.
En termes simples : choisir le pad thermique le plus fin bloc-notes qui comble de manière fiable l’intégralité de l’espace sur tolérance variation sans comprimer excessivement l’assemblage.
L’épaisseur d’un pad thermique ne doit pas être choisie en fonction du seul écart nominal. Les ingénieurs doivent également prendre en compte la tolérance de l’écart, le taux de compression, la dureté du pad, la pression de contact, la conductivité thermique, l’impédance thermique, l’isolation électrique, la planéité des surfaces, les vibrations, les cycles thermiques et la déformation rémanente en compression à long terme.
Pourquoi l’épaisseur des pads thermiques est importante
Les pads thermiques servent à transférer la chaleur des composants électroniques vers des dissipateurs thermiques, des boîtiers métalliques, des châssis, des plaques froides ou des coffrets. Ils sont couramment utilisés lorsque l’intervalle est trop important ou irrégulier pour une graisse thermique, mais qu’un chemin thermique propre et reproductible reste nécessaire.
L’épaisseur du pad thermique est importante, car la chaleur doit le traverser avant d’atteindre la surface de refroidissement. Un pad plus épais présente généralement une résistance thermique plus élevée. Un pad plus fin améliore généralement le transfert thermique, mais uniquement s’il est en contact intégral avec les deux surfaces.
Cela implique un compromis pratique :
- Si le pad est trop fin, il risque de ne pas être en contact avec les deux surfaces.
- Si le pad est trop épais, il peut augmenter la résistance thermique et les contraintes mécaniques.
- Si le tampon est trop dur, il risque de ne pas se comprimer suffisamment.
- Si le pad est trop souple, il risque de se déformer excessivement ou d’être difficile à manipuler.
L’épaisseur adéquate assure un équilibre entre performances thermiques et sécurité mécanique.
Pour comprendre plus largement la relation entre l’épaisseur et le transfert thermique, consultez l’article de HakTak : Comment l'épaisseur du joint de colle affecte la performance thermique.
Qu’est-ce que l’épaisseur d’un pad thermique ?
L’épaisseur du pad thermique correspond à l’épaisseur fournie du pad avant assemblage. Les épaisseurs courantes peuvent inclure 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm, 3.0 mm et des épaisseurs supérieures, selon le matériau et l’application.
Toutefois, les ingénieurs doivent distinguer trois valeurs d’épaisseur.
| Type d’épaisseur | Signification | Pourquoi c'est important |
| Épaisseur nominale du pad | Épaisseur avant assemblage | Utilisé pour la sélection initiale des matériaux |
| Épaisseur comprimée | Épaisseur après application de la pression d’assemblage | Détermine l’épaisseur réelle de la ligne de collage |
| Épaisseur de l’espace | Distance entre le composant et la surface de refroidissement | Détermine si le pad sera en contact |
La valeur la plus importante pour les performances thermiques est généralement l’épaisseur finale comprimée, également appelée épaisseur de ligne de collage. Il s’agit de l’épaisseur réelle à travers laquelle la chaleur doit passer pendant le fonctionnement.
Commencez par mesurer le jeu réel
La première étape consiste à mesurer le jeu réel. Ne vous fiez pas uniquement aux dimensions nominales CAD, sauf si la conception en est encore au stade préliminaire.
Les jeux réels peuvent différer de CAD en raison de :
- Tolérance de hauteur des composants
- Tolérance d'épaisseur du PCB
- Hauteur du joint de soudure
- Planéité du radiateur
- Tolérance d'ajustement
- Variation du couple de serrage de la vis
- Gauchissement du panneau
- Dilatation thermique
- Empilement de l’assemblage
Mesurer l’écart minimal, nominal et maximal
Pour bien sélectionner l’épaisseur, il faut trois valeurs :
- Écart minimal : la distance minimale après cumul des tolérances
- Jeu nominal : le jeu de conception attendu
- Jeu maximal : la distance maximale possible après empilement des tolérances
Par exemple, une conception peut présenter un jeu nominal de 1.0 mm, mais la plage réelle de tolérance peut aller de 0.8 mm à 1.25 mm. Un pad sélectionné uniquement pour 1.0 mm peut ne pas convenir si l’assemblage atteint l’une ou l’autre des valeurs extrêmes.
Utiliser la validation physique
Les méthodes utiles de mesure du jeu comprennent :
- Jauges d’épaisseur
- Pâte à modeler ou films compressibles de mesure du jeu
- Mesure de déplacement laser
- Inspection CMM
- Analyse en coupe
- Montage d’essai avec matériau témoin
- Analyse de l’empilement des tolérances mécaniques
Pour la production en grande série, la validation physique est importante, car de faibles erreurs de tolérance peuvent entraîner d’importantes variations thermiques d’une unité à l’autre.
Comprendre le taux de compression
Les pads thermiques sont conçus pour être comprimés. La compression permet au pad d’épouser les irrégularités de surface, d’éliminer les poches d’air et d’améliorer le contact. Toutefois, le pad doit rester dans une plage de compression sûre.
Le taux de compression se calcule comme suit :
Rapport de compression = (épaisseur d’origine – épaisseur comprimée) / épaisseur d’origine × 100%
Par exemple, si un pad de 1.5 mm est comprimé 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 affecte la performance des coussinets thermiques.
Pourquoi la plage de compression est importante
Un pad thermique doit fonctionner sur toute la plage d’écart.
Si l’écart minimal est très faible, le pad risque d’être comprimé excessivement. Si l’écart maximal est important, le pad risque de ne pas assurer un contact suffisant.
C’est ce que l’on appelle la plage de compression.
| Condition de l'écart | Risque | À vérifier |
| Écart minimum | Surcompression | Contrainte sur les composants, PCB flexion, extrusion du pad |
| Écart nominal | Performance cible | Impédance thermique et force d’assemblage |
| Écart maximal | Sous-compression | Mauvais contact, vides d’air, résistance élevée |
L’épaisseur de la pastille sélectionnée doit supporter les trois conditions.
Méthode pratique de sélection de l’épaisseur d’un pad thermique
Une méthode de sélection pratique se présente comme suit :
- Mesurer l'écart minimal, nominal et maximal.
- Identifiez la pression de serrage disponible ou la force de serrage des vis.
- Choisissez des épaisseurs de pad thermique candidates couvrant le jeu maximal.
- Vérifiez la compression au niveau de l’entrefer minimal et nominal.
- Examinez la dureté du pad et les données de compression-déflexion.
- Estimez l’épaisseur finale de la ligne de collage.
- Comparez l’impédance thermique à une pression réaliste.
- Vérifier les contraintes mécaniques et l’isolation électrique.
- Valider dans l’assemblage réel.
- Tester après les cycles thermiques et le vieillissement.
Cette démarche demande davantage de travail que le simple choix d’un pad dont l’épaisseur correspond à l’entrefer nominal, mais elle réduit les défaillances sur le terrain et la variabilité de production.
Exemple : sélection de l’épaisseur du pad à partir de la plage d’entrefer
Supposons qu’un assemblage électronique présente :
- Écart minimal : 0.85 mm
- Jeu nominal : 1.00 mm
- Écart maximal : 1.20 mm
- Compression cible : 15-30%
Options de tampons possibles :
| Épaisseur du pad | Compression pour un écartement de 0.85 mm | Compression pour un entrefer de 1.00 mm | Compression à un entrefer de 1.20 mm | Résultat |
| 1,0 mm | 15% | 0% | Sans contact | Épaisseur insuffisante pour l’écart maximal |
| 1,5 mm | 43% | 33% | 20% | Peut être surcomprimé à l’entrefer minimal |
| 1.2 mm | 29% | 17% | 0% | Limite avec un écart maximal |
Dans ce cas, un pad 1.2 mm peut être acceptable uniquement si l’espace maximal reçoit encore une pression de contact suffisante. Un pad 1.5 mm plus souple pourrait convenir si l’assemblage peut tolérer une compression plus élevée au niveau de l’espace minimal. La décision finale nécessite une validation des aspects mécaniques, thermiques et liés à la force.
Résistance thermique et épaisseur du pad
La résistance thermique augmente avec l’épaisseur. Pour un trajet thermique simplifié :
R = t / (k × A)
Où :
- R est la résistance thermique
- t est l’épaisseur finale du tampon
- k est la conductivité thermique
- A est la zone de contact
Cela signifie que l’épaisseur du pad peut primer sur la conductivité thermique. Un pad épais à conductivité élevée en W/mK peut être moins performant qu’un pad plus fin à conductivité modérée en W/mK si l’épaisseur finale de la ligne de collage est nettement supérieure.
Pour une explication plus détaillée, consultez l’article de HakTak : Pourquoi une conductivité thermique élevée (W/mK) ne signifie pas toujours de meilleures performances de refroidissement.
La conductivité ne suffit pas
Un pad 10 W/mK n’est pas automatiquement meilleur qu’un pad 5 W/mK. Si le pad 10 W/mK est trop épais, trop dur ou mal comprimé, son impédance thermique réelle peut être plus élevée.
Les ingénieurs doivent comparer :
- Conductivité thermique
- Impédance thermique
- Épaisseur finale comprimée
- Pression de contact
- Plage de compression
- Mouillage de surface
- Stabilité à long terme
L'article de HakTak Conductivité thermique vs Impédance thermique dans la sélection des TIM explique pourquoi l'impédance thermique est souvent plus utile que les W/mK seuls.
Sélection de la dureté et de l’épaisseur du pad
L’épaisseur ne peut pas être choisie indépendamment de la dureté. Un tampon souple épais et un tampon dur épais se comportent très différemment.
Tampons souples
Les coussinets thermiques souples sont utiles lorsque :
- La pression est limitée
- Les composants sont fragiles
- Les surfaces sont inégales
- La flexion du circuit imprimé doit être minimisée.
- Il est nécessaire de couvrir plusieurs hauteurs de composants
Les pads souples peuvent combler les espaces plus facilement, mais ils peuvent être plus fragiles, plus difficiles à manipuler ou moins stables dimensionnellement.
Tampons rigides
Les pads plus durs peuvent être plus faciles à manipuler et présenter une meilleure stabilité dimensionnelle. Ils peuvent être bien adaptés lorsque l’espace est maîtrisé et que l’assemblage exerce une pression suffisante.
Toutefois, les pads durs peuvent générer des contraintes s’ils sont trop épais ou insuffisamment comprimés. Ils peuvent également ne pas épouser correctement les surfaces rugueuses ou irrégulières.
L’épaisseur et la force doivent correspondre
La bonne question est :
Est-ce que cela peut bloc-notes l’épaisseur atteint-elle l’épaisseur finale requise de la ligne de collage dans la limite de force disponible ?
Si la réponse est non, le pad peut sembler performant sur une fiche technique, mais être défaillant dans le produit final.
Planéité de surface et aire de contact
L’épaisseur du pad thermique dépend également de la planéité et du parallélisme des surfaces.
Si le dissipateur thermique et le composant sont plans et parallèles, un pad plus fin peut convenir. Si les surfaces sont inclinées, déformées ou rugueuses, un pad plus épais ou plus souple peut être nécessaire pour maintenir le contact.
Les causes courantes d’un contact irrégulier sont notamment :
- Tolérance d'usinage du dissipateur thermique
- Déformation du boîtier
- Gauchissement du circuit imprimé
- Variation de la hauteur des composants
- Couple de serrage des vis irrégulier
- 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 pad uniforme peut être comprimé de manière inégale. Cela peut créer des points chauds et des contraintes mécaniques.
Pour les assemblages multicomposants, une pâte thermique ou un matériau de comblement des interstices peut parfois être plus adapté qu’un pad standard. L’article de HakTak Pâte thermique ou pad thermique : comment choisir pour les espaces irréguliers explique cet arbitrage.
Isolation électrique et épaisseur
De nombreux coussinets thermiques sont électriquement isolants. Dans l’électronique de puissance, le coussinet peut devoir assurer à la fois le transfert thermique et l’isolation diélectrique.
Des pads plus épais peuvent augmenter la rigidité diélectrique, mais ils accroissent également la résistance thermique. Des pads plus fins peuvent améliorer les performances thermiques, mais ils doivent néanmoins respecter les exigences d’isolation.
Les ingénieurs doivent vérifier :
- Rigidité diélectrique
- Résistivité transversale
- Tension de claquage
- Exigences en matière de lignes de fuite et de distances d’isolement
- Les effets de compression sur l’isolation
- L’âge après un cycle thermique
C'est particulièrement important dans :
- Onduleurs pour véhicules électriques
- Alimentations électriques
- Modules IGBT
- Ensembles MOSFET
- Alimentations LED
- Entraînements de moteurs industriels
Lorsque l’isolation est critique pour la sécurité, la sélection du matériau thermique doit être coordonnée avec les exigences de sécurité électrique.
Recommandations d’épaisseur selon l’application
Le tableau ci-dessous fournit des indications générales. Le choix final doit toujours être validé sur l’assemblage réel.
| Application | Condition d’entrefer courante | Priorité de sélection de l’épaisseur |
| modules CPU/GPU | Fin et contrôlé | Faible impédance, BLT mince, bon contact |
| Modules LED | Plat, mais sensible à la surface | Compression uniforme et contact stable |
| Alimentations électriques | Jeux moyens et besoins d’isolation | Dielectric strength plus thermal resistance |
| Onduleurs pour véhicules électriques | High heat and vibration | Compression stability and insulation |
| Équipement de télécommunication | Longue durée de vie | Aging, compression set, thermal cycling |
| Systèmes de gestion de batterie | Multiple components | Gap tolerance and soft conformity |
| Commandes industrielles | Variable housings | Mechanical tolerance and reliability |
| Serveurs d'IA | Haute densité d'énergie | Low thermal impedance and repeatability |
When a Thermal Pad May Not Be the Best Choice
Thermal pads are useful, but they are not always the best TIM.
Choose thermal grease or paste when:
- L’interface est très fine et plane
- Une forte pression de serrage est disponible
- La propreté de la mise en œuvre est moins importante
- L’épaisseur minimale de la ligne de collage est nécessaire
L'article de HakTak Conseils pour appliquer la pâte thermique et fonctionnement explique les points à prendre en compte pour l’application de la graisse.
Choisissez les pads thermiques PCM dans les cas suivants :
- Vous avez besoin d’une manipulation similaire à celle d’un pad thermique
- L’interface peut atteindre la température d’activation
- Un meilleur mouillage est nécessaire après chauffage
- La répétabilité de la production est essentielle
Voir Explication des pads thermiques à changement de phase pour plus de détails.
Choisissez un mastic thermique ou un matériau de comblement lorsque :
- Les écarts sont inégaux
- Hauteurs de composants variables
- La pression est limitée
- L’assemblage présente une géométrie complexe
Choisissez des résines d’enrobage thermoconductrices lorsque :
- Les composants doivent être encapsulés
- La protection de l’environnement est requise
- La chaleur doit traverser un volume chargé
- Un support mécanique est nécessaire
HakTak Guide des résines d'enrobage thermoconductrices en électronique explique cette catégorie.
Test de l’épaisseur des pads thermiques
Le choix du pad thermique doit être confirmé par des essais. Les valeurs indiquées dans la fiche technique sont utiles, mais ne remplacent pas la validation de l’assemblage.
Les tests utiles comprennent :
- Mesure de l’écartement
- Essai de compression-déflexion
- Test d’impédance thermique
- Essais de température des dispositifs
- Essais d’isolation électrique
- Cyclage thermique
- Essai de vibration
- Essai de déformation rémanente après compression
- Réévaluation
ASTM D5470 est couramment utilisée comme référence pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d’isolation électrique thermoconducteurs et s’applique largement aux essais d’impédance TIM. Les ingénieurs peuvent consulter ici la fiche officielle ASTM : ASTM D5470.
Pour une mesure plus étendue des propriétés thermiques des matériaux polymères, ISO 22007-2 couvre la méthode de la source de chaleur plane transitoire pour déterminer la conductivité thermique et la diffusivité thermique des plastiques. La page officielle ISO se trouve ici : ISO 22007-2:2022.
L'article de HakTak Normes d'essai TIM courantes que les ingénieurs devraient connaître présente un aperçu pratique de la manière dont ces méthodes s’intègrent à la sélection TIM.
Erreurs courantes lors du choix de l’épaisseur d’un pad thermique
La première erreur consiste à choisir l’épaisseur du pad uniquement en fonction de l’écart nominal. Les assemblages réels présentent des plages de tolérance.
La deuxième erreur consiste à choisir un pad plus épais “ par sécurité ”. Une épaisseur excessive augmente la résistance thermique et peut engendrer des contraintes mécaniques.
La troisième erreur consiste à négliger la dureté. Un pad trop dur risque de ne pas se comprimer suffisamment, tandis qu’un pad très souple risque de trop se déformer.
La quatrième erreur consiste à comparer la conductivité thermique sans vérifier l’épaisseur finale. Un pad présentant une conductivité élevée en W/mK peut néanmoins être peu performant si l’épaisseur de la ligne de collage est importante.
La cinquième erreur consiste à effectuer les essais à une pression irréaliste. Un pad testé à une pression élevée en laboratoire peut ne pas offrir les mêmes performances dans un appareil à basse pression.
La sixième erreur consiste à négliger la déformation rémanente à long terme. Un pad peut perdre sa pression de contact après vieillissement ou après des cycles thermiques.
La septième erreur consiste à oublier l’isolation électrique. Un pad plus fin peut améliorer le transfert thermique, mais ne pas satisfaire aux exigences diélectriques.
Perspective HakTak
Chez HakTak, l’épaisseur d’un pad thermique est considérée comme un choix de conception à la fois thermique et mécanique. Le pad doit combler l’intervalle, se comprimer sans risque, maintenir le contact, répondre aux besoins d’isolation et conserver une faible résistance thermique dans le temps.
Pour obtenir une recommandation fiable, les ingénieurs doivent fournir les informations suivantes :
- Jeu minimal, nominal et maximal
- Zone de contact
- Puissance de la source de chaleur
- Matériaux de surface
- Pression disponible ou couple de serrage
- Tolérance de hauteur des composants
- Rigidité du circuit imprimé
- Isolation requise
- Plage de températures 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 plus précisément l’épaisseur, la dureté, le niveau de conductivité, la plage de compression et le type de matériau.
La meilleure épaisseur de pad thermique n’est pas la plus élevée permettant de combler l’interstice. C’est la plus faible qui permet de combler l’interstice maximal, de se comprimer sans risque dans l’interstice minimal et de maintenir un contact thermique fiable pendant toute la durée de vie du produit.
Conclusion
Le choix de l’épaisseur d’un pad thermique pour l’électronique ne consiste pas simplement à faire correspondre le pad à l’espace nominal. Les ingénieurs doivent tenir compte de la tolérance de l’espace, du taux de compression, de la dureté du pad, 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 pads plus fins réduisent la résistance thermique, mais uniquement lorsqu’ils sont en contact complet avec les deux surfaces. Les pads plus épais peuvent compenser des jeux plus importants, mais ils augmentent la résistance thermique et peuvent générer des contraintes mécaniques. La bonne épaisseur de pad est celle qui fonctionne sur toute la plage de tolérance, tout en assurant la stabilité thermique et mécanique de l’assemblage.
Pour les composants électroniques destinés à la production, le choix final doit être validé au moyen d’essais réalistes de compression, d’impédance thermique, de température du dispositif et de fiabilité.
Foire aux questions
Comment choisir l’épaisseur d’un pad thermique ?
Mesurez les jeux minimal, nominal et maximal, puis choisissez un pad qui comble le jeu maximal tout en restant dans la plage de compression recommandée au jeu minimal.
Un pad thermique doit-il être plus épais que l’espace à combler ?
En général, oui : le pad non comprimé est souvent légèrement plus épais que l’espace à combler, afin de pouvoir se comprimer et d’assurer un contact complet. Cela dépend de la plage de compression recommandée pour le pad.
Que se passe-t-il si un pad thermique est trop fin ?
Si le pad est trop mince, il risque de ne pas être en contact avec les deux surfaces, ce qui laisse des poches d’air et augmente la résistance thermique.
Que se passe-t-il si un pad thermique est trop épais ?
Si le pad est trop épais, il peut augmenter la résistance thermique, faire fléchir le PCB, exercer des contraintes sur les composants, déformer le boîtier ou compliquer l’assemblage.
Un pad thermique plus épais assure-t-il un meilleur refroidissement ?
Non. Les interfaces thermiques plus épaisses augmentent généralement la résistance thermique. Une interface plus épaisse est utile uniquement lorsqu’elle est nécessaire pour combler l’espace.
De combien faut-il comprimer un pad thermique ?
Il n’existe pas de valeur universelle. Le taux de compression approprié dépend du matériau du pad, de sa dureté, de son épaisseur, de la tolérance de l’intervalle et de la pression disponible. Il convient de se référer aux données du fournisseur et d’effectuer des essais d’assemblage.
La conductivité thermique est-elle plus importante que l’épaisseur ?
Les deux sont importants. La conductivité thermique joue un rôle, mais l’épaisseur finale comprimée et la qualité du contact influent fortement sur les performances thermiques réelles.
Puis-je superposer des pads thermiques pour augmenter l’épaisseur ?
Il est généralement déconseillé d’empiler les pads thermiques, car cela multiplie les interfaces et augmente la résistance de contact. Il est généralement préférable d’utiliser un seul pad correctement sélectionné.
Les pads thermiques souples sont-ils plus adaptés aux écarts irréguliers ?
Les pads souples épousent mieux les surfaces sous faible pression, mais peuvent être moins faciles à manipuler ou moins stables. Pour les jeux très irréguliers, un mastic thermique ou un matériau de comblement d’interstices peut être plus adapté.
L’épaisseur du pad thermique doit-elle être testée après vieillissement ?
Oui. La déformation rémanente à la compression, les cycles thermiques et les vibrations peuvent modifier la pression de contact au fil du temps ; il est donc important d’effectuer des essais de fiabilité.
