Coussin thermique en silicone ou sans silicone : quelles sont les différences ?

Un coussinet thermique en silicone utilise généralement un élastomère de silicone comme matrice polymère. Des charges céramiques thermoconductrices sont dispersées dans cette matrice. Le silicone confère au coussinet sa souplesse, sa résistance à la température, sa capacité d'adaptation et un comportement élastique stable. Il s'agit de la base matérielle la plus couramment utilisée pour les coussinets thermiques souples destinés à combler les interstices.

Un tampon thermique sans silicone utilise un autre système polymère, tel que l'acrylique, l'uréthane ou un autre élastomère exclusif. Son objectif principal est de transférer la chaleur sans introduire de composants à base de silicone dans l'ensemble. Les ingénieurs le prescrivent souvent à proximité de composants optiques, de contacts électriques, de capteurs, de dispositifs de stockage, de procédés de revêtement ou d'autres zones sensibles au silicone.

Aucun des deux types n’est universellement meilleur. Les coussinets en silicone offrent généralement la combinaison la plus complète en termes de souplesse, d’épaisseurs disponibles, de performances thermiques et de plage de températures. Les cales sans silicone sont particulièrement utiles lorsque la migration d’huile de silicone, la présence de siloxanes volatils, la contamination de surface ou la compatibilité avec les processus en aval constituent un risque réel. Le choix final doit se fonder sur l’impédance thermique mesurée, la force de compression, l’environnement d’exploitation, les exigences électriques et la résistance au vieillissement, plutôt que sur la seule dénomination du polymère.

Comparaison entre un coussin thermique en silicone et un coussin thermique sans silicone

Le tableau ci-dessous propose une première comparaison utile. Il s'agit d'un outil de présélection qui ne remplace pas les essais du pad dans la configuration réelle.

Le point le plus important est que le terme “ silicone ” désigne la matrice, et non l'ensemble des performances de la plaquette. Deux plaquettes en silicone peuvent présenter des caractéristiques très différentes en termes de dureté, de teneur en charge, de suintement d'huile, d'impédance thermique et de durabilité. Il en va de même pour deux plaquettes non siliconées.

De quoi est composé un coussin thermique en silicone ?

A coussin thermique en silicone Il s'agit d'un matériau composite. L'élastomère de silicone forme un réseau souple, tandis que les charges céramiques créent des voies de conduction thermique. La matrice et les charges déterminent ensemble la conductivité, la dureté, la densité, la résistance à la déchirure et la résistance à la compression. Une forte teneur en charges peut améliorer la conductivité, mais peut également rendre le tampon plus dur et moins capable de s'adapter aux irrégularités de la surface.

Pourquoi le silicone est-il largement utilisé dans les cales thermiques ?

Les élastomères de silicone peuvent conserver leur souplesse sur une large plage de températures d'utilisation. Ils peuvent être formulés pour présenter une faible dureté et une bonne reprise élastique. Ils permettent également d'incorporer des proportions élevées de charges céramiques. Cette combinaison rend le silicone particulièrement adapté au comblement d'interstices de l'ordre du millimètre entre des composants générateurs de chaleur et un dissipateur thermique, une plaque de refroidissement, un boîtier métallique ou un châssis structurel.

La souplesse permet au matériau de s'adapter aux micro-irrégularités de la surface lors du serrage. Elle permet également à un seul tampon d'entrer en contact avec des composants présentant de faibles différences de hauteur. Il en résulte une résistance de contact réduite et moins de poches d'air. C'est pourquoi l'avantage apparent d'un indice de conductivité plus élevé peut disparaître lorsqu'un matériau plus dur établit un mauvais contact. Cette relation est abordée plus en détail dans Pourquoi une valeur élevée de W/mK n'est pas toujours synonyme d'une meilleure performance de refroidissement.

Que signifient les termes « migration d'huile de silicone » et « dégazage de siloxane » ?

Certaines formulations de silicone peuvent libérer de faibles quantités de substances de faible poids moléculaire. Les résidus liquides qui s'échappent du tampon sont souvent qualifiés de « suintement d'huile ». Les molécules volatiles libérées dans l'environnement immédiat sont quant à elles désignées sous le terme de « dégazage ». Il s'agit de problèmes liés, mais qui ne sont pas identiques.

Le risque réel dépend de la composition, de la température, de la pression, de la durée, du débit d'air, des surfaces environnantes et de la sensibilité du dispositif. Un tampon en silicone présentant un faible dégagement contrôlé peut donner de bons résultats dans de nombreux produits électroniques exigeants. Cependant, même une infime quantité de contamination peut s'avérer inacceptable à proximité d'une surface optique ou d'un contact électrique.

Il ne faut pas partir du principe que toutes les cales en silicone présentent le même comportement en matière de migration. Les fournisseurs proposent désormais des grades de silicone à faible migration d’huile et à faible dégazage. Par exemple, Parker décrit une cale d’espacement en silicone à faible migration d’huile, conçue pour les applications dans lesquelles la migration de l’huile de silicone peut poser des problèmes de fabrication ou d’aspect dans son Caractéristiques techniques du THERM-A-GAP PAD 80LOE. Cela montre pourquoi le choix ne se résume pas toujours à une simple décision entre le silicone standard et des matériaux totalement exempts de silicone.

Qu'est-ce qu'un coussin thermique sans silicone ?

A coussin thermique sans silicone remplace l'élastomère de silicone par un autre système liant tout en conservant les charges thermoconductrices. Les fournisseurs peuvent recourir à des polymères acryliques, uréthaniques, dérivés de polyoléfines ou à une composition polymère exclusive. Le tampon fini doit néanmoins conserver sa souplesse, rester électriquement stable, résister à la chaleur et conserver sa forme sous compression.

Le terme “ sans silicone ” doit être considéré comme une allégation relative à un matériau soumis à des contrôles. Il convient de préciser s’il s’agit de l’absence de silicone ajoutée intentionnellement, d’équipements de fabrication soumis à des contrôles ou d’une limite testée pour les siloxanes volatils. Ces définitions ne sont pas équivalentes.

Pourquoi les ingénieurs prescrivent-ils des pastilles thermiques sans silicone ?

On opte pour des tampons sans silicone lorsque des résidus dérivés du silicone risquent d'interférer avec le produit ou avec un autre processus de fabrication. Parmi les problèmes courants, on peut citer :

• Buée ou pellicule sur les lentilles, les miroirs, les guides de lumière, les vitres et les caches d'appareil photo
• Augmentation de la résistance de contact au niveau des relais, des interrupteurs, des connecteurs ou des contacts exposés
• Interférences avec la peinture, les revêtements, le collage, l'impression ou le traitement de surface
• Contamination des capteurs de précision ou des équipements d'analyse
• Restrictions dans les zones de fabrication propres
• Spécifications du client interdisant l'ajout intentionnel de silicone

Henkel décrit une application d'unité de commande dans laquelle un coussinet thermique sans silicone Ce choix a été fait afin d'éviter toute contamination au niveau des contacts électroniques, des composants optiques et des processus de fabrication automobile. Ce cas met également en évidence une réalité importante en matière d'ingénierie : le produit de remplacement devait tout de même répondre à des exigences en matière de tolérance d'empilement, de souplesse, d'impédance thermique, de température de fonctionnement en continu et de longue durée de vie.

Le fait qu'un produit ne contienne pas de silicone ne signifie pas automatiquement qu'il présente un faible dégazage.

Tout polymère peut contenir des composants volatils ou extractibles. L'élimination de la silicone permet de remédier à la contamination spécifique à cette substance. Elle ne prouve pas pour autant que le dégazage total, la perte de masse, l'odeur, la contamination ionique ou les résidus condensables soient suffisamment faibles pour l'application concernée.

Si le produit est destiné à fonctionner dans une chambre optique hermétique, un système sous vide, une enceinte à haute température ou tout autre environnement sensible, demandez à connaître la méthode d’essai et les résultats concrets. Une simple mention générale “ sans silicone ” ne suffit pas. Le plan de qualification doit préciser quelles substances sont concernées, quelles sont les concentrations autorisées et à quelle température le matériau sera testé.

Performances thermiques des cales d'espacement en silicone et sans silicone

Les ingénieurs partent souvent de la conductivité thermique exprimée en watts par mètre-kelvin. Cette valeur est utile, mais elle ne reflète pas toute la réalité. La chaleur doit traverser la première surface de contact, se propager à travers le tampon, puis traverser la deuxième surface de contact. L'épaisseur du tampon, la pression, la dureté, l'adhérence, la planéité de la surface et la répartition des charges influent toutes sur l'élévation finale de la température.

Pour une couche unidimensionnelle simplifiée, la résistance thermique volumique est proportionnelle à l'épaisseur et inversement proportionnelle à la conductivité :

R = t / (k × A)

Ici, R est la résistance thermique, t est l'épaisseur de la ligne de liaison, k est la conductivité thermique, et A Il s'agit de la surface de transfert thermique. Cette équation ne rend pas pleinement compte d'une interface souple telle qu'on la rencontre dans la réalité, car elle ne tient pas compte de la résistance de contact. Elle met toutefois clairement en évidence un point : un tampon plus épais augmente la résistance, même si sa conductivité est élevée.

Comparer l'impédance thermique pour une même épaisseur et une même pression

Pour obtenir une comparaison la plus juste possible, il faut utiliser les données d'impédance thermique correspondant à la même épaisseur finale, à la même pression, à la même température et à la même méthode d'essai. Ne comparez pas la conductivité annoncée d'un coussin en silicone à l'impédance thermique d'un autre coussin non en silicone. Il s'agit de mesures différentes.

ASTM D5470 couvre les mesures d'impédance thermique en régime permanent et de conductivité thermique apparente pour les matériaux d'isolation électrique thermoconducteurs. L'ASTM précise également que ses conditions contrôlées de flux thermique ne reproduisent pas directement toutes les applications pratiques. C'est pourquoi la sélection doit s'appuyer sur les données fournies par les fournisseurs, puis être validée par un essai réalisé sur l'assemblage cible.

Le guide de HakTak sur Conductivité thermique et impédance thermique dans la sélection des MIT explique comment la résistance de contact et l'épaisseur de la ligne de liaison peuvent modifier le classement entre deux matériaux. Un plot de conductivité inférieure peut parfois permettre d'obtenir une température plus basse du composant s'il est plus fin, plus souple ou mieux adapté aux surfaces.

Un coussin en silicone conduit-il mieux la chaleur ?

Pas nécessairement. La chimie du silicone offre aux formulateurs une base utile, ce qui explique la présence sur le marché de nombreux tampons en silicone hautement performants. Les formulations sans silicone peuvent également assurer un transfert thermique efficace. Le résultat dépend du type de charge, de sa concentration, de la structure du tampon, de son épaisseur et de la qualité du contact.

Limitez la comparaison à l'empilement mécanique. Vérifiez la tolérance d'écart, choisissez une épaisseur permettant de maintenir le contact, calculez la compression et la force au niveau de l'écart le plus petit, puis comparez l'impédance thermique dans ces conditions. Terminez par un essai de température sur un assemblage représentatif.

Coussin thermique en silicone vs coussin thermique sans silicone : compression et souplesse

Les cales d'espacement doivent se déformer suffisamment pour évacuer l'air et respecter les tolérances. Elles doivent le faire sans fissurer un composant, sans déformer un circuit imprimé, sans soulever un connecteur et sans surcharger les éléments de fixation. La force de compression revêt donc une importance tout aussi grande que la conductivité thermique.

Les systèmes à base de silicone sont utilisés depuis longtemps dans la fabrication de coussinets très souples. De nombreux coussinets sans silicone sont également souples, mais les combinaisons possibles en termes de dureté, d'épaisseur et de conductivité peuvent varier. Les données spécifiques à chaque produit sont plus utiles qu'une comparaison chimique générale.

La dureté n'est pas la même chose que la force de compression

La dureté Shore donne une indication rapide de la résistance de la surface à l'indentation. Elle ne permet toutefois pas de prédire avec précision la force nécessaire pour comprimer un tampon en 10%, 20% ou 30%. L'épaisseur du tampon, le renfort, la teneur en charge, la vitesse d'essai, la taille de l'échantillon et le comportement viscoélastique sont autant de facteurs qui influencent la courbe de force.

Demandez les données de compression-déformation chaque fois que la contrainte subie par le panneau est un facteur important. Si le fournisseur ne fournit que la dureté Shore 00, considérez-la comme un point de comparaison initial. Ne l'utilisez pas comme seule donnée mécanique. Vous pouvez utiliser le cadre présenté dans Coussinets thermiques souples ou rigides : lesquels sont les meilleurs ? pour établir un lien entre la dureté et la conformabilité, la maniabilité et les risques liés à l'assemblage.

La déformation rémanente après compression et la relaxation des contraintes influent sur le contact à long terme

Une pastille thermique subit des modifications après avoir été serrée pendant des semaines, des mois, voire des années. Une partie de la force initiale s'atténue. Le matériau peut également conserver une partie de sa forme comprimée une fois la charge retirée. Les cycles thermiques accélèrent ces changements.

La conception doit garantir une pression de contact suffisante après relâchement. Elle ne doit pas reposer uniquement sur une forte compression initiale. Les élastomères de silicone offrent souvent une stabilité élastique utile, mais leur comportement exact varie en fonction de la formulation. Les coussinets sans silicone doivent également être évalués à l'aide de données de vieillissement plutôt que sur la base d'hypothèses concernant la famille de polymères.

En ce qui concerne la conception des piles, Comment la compression influe sur les performances des coussinets thermiques Cela explique pourquoi une compression insuffisante entraîne un mauvais contact, tandis qu’une compression excessive augmente les contraintes mécaniques et peut causer des dommages matériels. La compression recommandée par le fournisseur constitue la plage de référence. L’assemblage final constitue le test décisif.

Contamination des pastilles thermiques, dégazage et suintement d'huile

Les préoccupations liées à la contamination constituent la principale raison pour laquelle les ingénieurs comparent les joints en silicone et ceux sans silicone. Ce sujet nécessite une formulation précise, car plusieurs mécanismes de défaillance sont souvent regroupés sous une même catégorie.

Lorsque la contamination par le silicone devient un véritable risque de conception

Les applications sensibles au silicone ne se limitent pas aux équipements sous vide. Une caméra étanche peut retenir des substances volatiles à proximité d'un objectif. Un relais peut exposer ses surfaces de contact à des composés susceptibles d'altérer son comportement électrique. Une pièce automobile peinte peut présenter des défauts d'adhérence si des impuretés atteignent la surface préparée. Un capteur peut réagir à des dépôts infimes qui n'ont aucun effet sur les composants électroniques ordinaires.

La distance a également son importance. Il n'est pas nécessaire qu'un tampon soit en contact avec la surface sensible. La chaleur et les courants d'air peuvent transporter des composés volatils. Le volume de l'enceinte, le trajet d'évacuation et la température locale doivent être pris en compte dans l'évaluation.

Quand un coussin thermique en silicone à faible dégagement peut suffire

L'exclusion totale du silicone peut restreindre le choix des matériaux et nécessiter un nouveau programme de qualification. Pour certains produits, le risque se limite à une migration visible d'huile plutôt qu'à une contamination par des traces de siloxane. Un tampon en silicone validé à faible dégagement peut alors constituer une solution pratique.

Demandez au fournisseur les données relatives au dégazage, à la volatilité et au vieillissement. Testez l'ensemble complet à la température maximale réaliste. Placez des échantillons témoins ou des surfaces optiques et de contact représentatives aux emplacements pertinents. Inspectez-les après exposition. Ce test d'application fournit souvent des informations plus utiles que les indications génériques figurant sur l'étiquette du matériau.

Plage de température des coussinets thermiques en silicone et sans silicone

Les coussinets en silicone sont largement utilisés dans les composants électroniques soumis à des températures élevées, car les élastomères de silicone conservent leur souplesse sur une large plage de températures. Cela ne signifie pas pour autant que tous les coussinets en silicone soient adaptés aux mêmes températures minimales et maximales. Les couches adhésives, les films de support, les renforts et les charges peuvent en effet imposer des limites inférieures à celles du polymère de base.

Les patins sans silicone peuvent également résister à des températures de fonctionnement élevées. Leur limite dépend de la composition chimique du liant et de la durée de vie requise. Une résistance à une exposition de courte durée n'est pas comparable à un fonctionnement continu pendant 10 ou 20 ans.

Vérifiez la durée d'utilisation continue, et pas seulement la durée maximale indiquée

La valeur maximale indiquée dans la fiche technique peut correspondre à une brève exposition du matériau dans le cadre d'un essai spécifique. Renseignez-vous pour savoir si cette valeur est valable en fonctionnement continu, si elle tient compte d'une couche adhésive, et comment l'impédance thermique, la dureté, les dimensions et la résistance évoluent après vieillissement. Un tampon peut rester physiquement intact tout en perdant ses performances thermiques ou mécaniques utiles.

Les cycles thermiques peuvent mettre en évidence des différences entre les matériaux

La cale est placée entre deux surfaces présentant des coefficients de dilatation thermique différents. Chaque cycle de mise sous tension génère un mouvement. La cale doit suivre ce mouvement sans se déchirer, sans se décaler ni perdre le contact.

Les cycles thermiques revêtent une importance particulière pour l'électronique automobile, les alimentations électriques, les équipements de télécommunications en extérieur, les luminaires à LED, les systèmes de batteries et les commandes industrielles. Il convient de tester la pression de montage et l'écart réels. Un essai sur un échantillon non fixé ne permettra pas de reproduire l'état de contrainte présent dans le produit.

Isolation électrique dans les coussinets thermiques en silicone et sans silicone

De nombreux coussinets thermiques utilisent des charges céramiques électriquement isolantes. Cependant, le terme “ coussinet thermique ” ne signifie pas automatiquement “ isolant électrique ”. Certaines interfaces thermiques sont électriquement conductrices. D’autres intègrent des renforts ou de fines couches diélectriques afin d’améliorer leur résistance à la perforation.

Les cales en silicone comme celles sans silicone peuvent être rendues électriquement isolantes. Le choix doit se fonder sur les propriétés diélectriques vérifiées de l'ensemble fini.

Comparer la tension de claquage en fonction de l'épaisseur réelle du plot

La rigidité diélectrique est souvent exprimée en kV/mm. La tension de claquage correspond à la tension à laquelle un échantillon subit une rupture selon une méthode et une épaisseur définies. Ces valeurs sont liées, mais ne sont pas interchangeables dans la conception des systèmes.

ASTM D149 Elle sert généralement de référence pour la tension de claquage diélectrique et la rigidité diélectrique des matériaux isolants électriques solides. Le résultat dépend de l'épaisseur de l'échantillon, des électrodes, de la courbe de montée en tension, de l'environnement et de la procédure d'essai. Une valeur catalogue est utile à des fins de comparaison, mais les marges de sécurité doivent respecter les exigences du produit en matière de tension, de réglementation, de pollution et de défauts.

Le guide Coussins thermiques isolants : quand en avez-vous besoin ? aborde plus en détail les questions relatives à l'isolation. Cela s'avère particulièrement pertinent lorsque le support relie un composant sous tension, un module d'alimentation, une barre omnibus ou une zone du circuit imprimé à un châssis métallique mis à la terre.

Le renforcement peut modifier à la fois le comportement thermique et mécanique

Un renfort en fibre de verre ou en film peut améliorer la maniabilité, la résistance à la déchirure et la fiabilité diélectrique. Il peut également réduire la capacité d'adaptation du tampon. Un produit renforcé peut nécessiter une pression plus importante pour épouser des surfaces rugueuses ou déformées.

Ne comparez pas un coussin en silicone renforcé à un coussin non renforcé et non en silicone en partant du principe que la matrice est la seule différence. Comparez les structures dans leur ensemble. Vérifiez la résistance à la perforation au niveau des bavures, des angles des composants, des éléments de vissage et des marques d'usinage des dissipateurs thermiques.

Choix de l'épaisseur des coussinets thermiques : silicone ou sans silicone

L'épaisseur nominale correcte correspond au tampon le plus fin capable de maintenir un contact fiable sur toute la plage de tolérance de production. Un tampon trop fin risque de ne pas entrer en contact avec la surface lorsque l'écart est maximal. Un tampon trop épais augmente la résistance thermique et peut surcharger l'ensemble lorsque l'écart est minimal.

Calculer la compression minimale et maximale

Supposons qu'une cale d'une épaisseur nominale de 2,0 mm soit installée dans un jeu variant entre 1,5 et 1,8 mm.

• Pour un écart de 1,8 mm, la compression est égale à (2,0 – 1,8) / 2,0 = 10%.
• Pour un écart de 1,5 mm, la compression est égale à (2,0 – 1,5) / 2,0 = 25%.

Le candidat doit maintenir le contact à une compression de 10% et respecter la force autorisée à 25%. Répétez le calcul pour chaque angle important ou groupe de composants. Tenez compte de la courbure du circuit imprimé, de la hauteur des composants, de la planéité du châssis, de la tolérance des fixations et de la tolérance d'épaisseur des pastilles.

La procédure étape par étape décrite dans Comment choisir l'épaisseur d'un coussin thermique pour les composants électroniques permet de convertir ces dimensions d'empilement en une spécification concrète pour les coussinets. Cette méthode s'applique aussi bien aux produits à base de silicone qu'à ceux qui n'en contiennent pas.

L'épaisseur finale de la couche de liaison détermine le flux thermique

L'épaisseur nominale de la tôle n'est pas la dimension qui détermine la résistance thermique globale après assemblage. C'est l'épaisseur de la ligne de joint comprimée qui est déterminante. Si un patin de 2,0 mm présente une épaisseur finale de 1,6 mm, les calculs doivent être effectués en utilisant cette valeur de 1,6 mm ainsi que les données de contact correspondantes.

Comment l'épaisseur de la ligne de collage influe sur les performances thermiques explique pourquoi la réduction d'une épaisseur superflue apporte souvent un gain thermique plus important que le passage à un matériau présentant une conductivité nettement supérieure. Il s'agit là d'un des critères de vérification les plus utiles lorsqu'une alternative sans silicone présente une valeur W/mK publiée inférieure à celle du coussin en silicone utilisé actuellement.

Différences de fiabilité entre les coussinets thermiques en silicone et ceux sans silicone

La fiabilité n'est pas une propriété unique. Il s'agit de la capacité à maintenir le contact thermique, l'isolation électrique, la position physique et un niveau de propreté acceptable tout au long de la durée de vie du produit. Cela nécessite plusieurs essais.

Tester les performances thermiques avant et après le vieillissement

Une pastille peut réussir un test de température initial et néanmoins présenter des défaillances au fil du temps. Mesurez les mêmes points thermiques avant et après l'exposition aux conditions environnementales. Veillez à maintenir sous contrôle l'alimentation électrique, le débit d'air, la température du liquide de refroidissement, le couple de serrage et l'emplacement des capteurs.

Pour une comparaison au niveau des matériaux, les données de la norme ASTM D5470 peuvent servir de base à une évaluation de l'impédance thermique. La présentation générale de HakTak sur Normes courantes en matière de tests TIM que les ingénieurs doivent connaître peut contribuer à l'élaboration d'un plan d'essais plus complet, portant notamment sur les propriétés thermiques, mécaniques et électriques.

Tester le processus de production dans le cadre des essais de fiabilité

Les propriétés du matériau peuvent être altérées lors de la transformation et de l'assemblage. Un tampon très souple peut s'étirer lors du retrait du film protecteur. Une surface à forte adhérence peut retenir de l'air. Un matériau sans silicone peut être propre à l'état de feuille d'origine, mais être contaminé lors de l'utilisation d'équipements de découpe partagés. Une partie fine peut se déchirer près d'un trou ou d'une paroi étroite.

Les échantillons de qualification doivent respecter la géométrie de découpe prévue, le support, le conditionnement, la durée de stockage, la méthode de prélèvement et le processus de mise en place. Si l'exclusion du silicone est obligatoire, les contrôles relatifs à la transformation et au conditionnement doivent être inclus dans le contrat avec le fournisseur.

Quand faut-il opter pour un coussin thermique en silicone ?

Un coussin thermique en silicone constitue souvent le meilleur choix de départ lorsque l'application ne présente pas de sensibilité particulière au silicone et nécessite une solution éprouvée et flexible pour combler les interstices. Parmi les raisons courantes, on peut citer :

• Une large plage de températures de fonctionnement requise
• Force de compression très faible
• Écarts importants ou variables
• Excellente adaptabilité aux surfaces irrégulières
• Large gamme de conductivités et d'épaisseurs disponibles
• Large gamme de configurations de découpe et de fixation
• Une expertise reconnue dans le domaine du refroidissement des composants électroniques
• La nécessité de trouver un équilibre entre le transfert thermique et l'amortissement des vibrations

Le matériel informatique général, les blocs d'alimentation, les équipements de télécommunications, les batteries, les pilotes LED, l'électronique industrielle, les onduleurs, les produits grand public et de nombreux modules automobiles utilisent couramment des coussinets thermiques en silicone. Cela ne dispense toutefois pas de vérifier l'absence de suintement d'huile ou de dégazage. Cela signifie simplement que l'utilisation du silicone est acceptable lorsque ces risques ont été évalués et maîtrisés.

Quand faut-il opter pour un coussin thermique sans silicone ?

Un tampon thermique sans silicone est indiqué lorsque la conception présente un mécanisme de défaillance spécifique lié au silicone ou fait l'objet d'une restriction imposée par le client. Voici quelques exemples courants :

• Caméras, modules laser, capteurs optiques, guides de lumière et lentilles étanches
• Relais, interrupteurs, connecteurs et contacts électriques apparents
• Équipements utilisés à proximité d'opérations de peinture, de revêtement, de collage ou d'impression
• Instruments de mesure de précision et d'analyse
• Certains équipements de stockage et de fabrication de semi-conducteurs
• Des chaînes de production propres grâce à des politiques de maîtrise de l'utilisation du silicone
• Produits dont le cahier des charges du client interdit l'utilisation de silicone

Le choix doit néanmoins respecter les exigences thermiques et mécaniques. Évitez de remplacer un tampon en silicone souple par un tampon plus rigide, sans silicone, de même épaisseur nominale, sans recalculer la force. Vérifiez également si une limite de température inférieure, une adhérence différente ou un coût plus élevé ont une incidence sur le produit.

La présentation générale des matériaux thermiques de Parker confirme que les gammes commerciales de cales d'épaisseur comprennent à la fois élastomères à base de silicone et sans silicone pour le transfert de chaleur à travers des interstices importants et variables. Cette disponibilité est utile, mais chaque candidat reste un système de matériaux distinct, avec ses propres données et ses propres exigences en matière de qualification.

Comment choisir entre des coussinets thermiques en silicone et ceux sans silicone ?

Adoptez une approche axée sur les besoins. Ne commencez pas par vous demander quelle composition chimique est la meilleure. Commencez par définir ce que l'interface doit faire.

Étape 1 : Vérifier si l'utilisation du silicone est effectivement interdite

Demandez aux équipes chargées des produits, de la qualité, des processus et de la relation client la raison de cette restriction. “ Nous préférons les produits sans silicone ” n’est pas une exigence vérifiable. En revanche, “ aucune trace détectable de siloxanes D4-D10 au-delà d’une limite définie après exposition ” est vérifiable. Il en va de même pour “ aucun dépôt visible sur la lentille après 1 000 heures à la température maximale de l’enceinte ”.”

Si le seul problème concerne les suintements d'huile visibles, une graisse à base de silicone à faible suintement et homologuée peut s'avérer suffisante. Si des traces de siloxanes risquent d'endommager les contacts ou de provoquer la formation d'un voile sur les optiques, un produit certifié sans silicone est plus approprié.

Étape 2 : Définir l'objectif thermique

Définissez la température maximale du composant, la charge thermique, la température de la surface de refroidissement et la résistance d'interface admissible. Prenez en compte un scénario réaliste correspondant au pire cas. Tenez compte, le cas échéant, d'une baisse des performances du ventilateur, d'une température ambiante élevée, de la tolérance du liquide de refroidissement et des variations de production.

Commencez par le plus général Matériaux d'interface thermique cadre de sélection : l'interface pourrait-elle également utiliser du putty, du gel, de la graisse, un matériau à changement de phase ou un isolant mince ? Un tampon n'est pas toujours la meilleure solution pour une interface quasi plane et strictement contrôlée.

Étape 3 : Déterminer la tolérance totale de jeu

Mesurez ou calculez l'écart minimal et maximal. Tenez compte de tous les éléments qui y contribuent. Choisissez la plaquette la plus fine qui soit en contact au niveau de l'écart maximal et calculez la compression au niveau de l'écart minimal. Comparez ensuite cette compression à la plage recommandée par le fournisseur.

Étape 4 : Régler la limite de force mécanique

Identifiez les boîtiers fragiles, les soudures, les limites de déformation des circuits imprimés, l'alignement des connecteurs et la rigidité des boîtiers. Demandez aux fournisseurs de vous fournir les courbes « pression-déformation ». Comparez les produits candidats en tenant compte de leur épaisseur réelle sous compression et de la température réelle.

Étape 5 : Vérifier les exigences électriques et de sécurité

Vérifiez si l'interface doit assurer l'isolation électrique. Définissez la tension de service, les conditions transitoires, les distances de fuite et d'isolement, la mise à la terre, l'inflammabilité et les exigences réglementaires. Demandez des données de claquage spécifiques à l'épaisseur ainsi que les détails de fabrication.

Étape 6 : Comparer les données relatives à la contamination et à l'environnement

Pour les coussinets en silicone, examinez les indices de migration d'huile, de volatilité et de dégazage. Pour les coussinets sans silicone, vérifiez la définition de « sans silicone » et examinez le dégazage total ou toute autre émission pertinente. Pour les deux types, vérifiez les exigences en matière d'humidité, de vieillissement thermique, d'exposition aux produits chimiques et de résistance au feu.

Étape 7 : Tester l'ensemble final

Fabriquer des échantillons aux limites extrêmes de tolérance. Mesurer la température des composants et les contraintes mécaniques. Réaliser des essais de vieillissement et de cycles. Inspecter les schémas de contact, la position des pastilles, les résidus, les surfaces optiques et les contacts électriques. Répéter l'essai avec des découpes de puces et des méthodes d'assemblage équivalentes à celles de la production.

Liste de contrôle pour le choix des pastilles thermiques destinée aux ingénieurs

Utilisez cette liste de contrôle lors de la revue de conception ou de la comparaison des fournisseurs :

• Le silicone est-il interdit, ou un faible dégagement d'huile suffit-il ?
• Quelles espèces chimiques ou quels résidus pourraient être à l'origine d'une défaillance ?
• Comment définit-on et vérifie-t-on la notion de “ sans silicone ” ?
• Quels sont les écarts minimum, nominal et maximum ?
• Quelle est l'épaisseur finale de la ligne de joint après compression ?
• Quelle plage de compression le fournisseur recommande-t-il ?
• Quelle pression est générée aux limites de tolérance ?
• Quelle est l'impédance thermique mesurée à une pression et une épaisseur comparables ?
• La conductivité a-t-elle été mesurée selon la même méthode pour tous les candidats ?
• Le tampon doit-il être isolé électriquement ?
• Quelles sont les valeurs de tension de claquage et les caractéristiques d'isolation en fonction de l'épaisseur ?
• Un renfort est-il nécessaire pour assurer la résistance à la perforation ou à la manipulation ?
• Quelles sont la température de fonctionnement en continu et la durée de vie prévue ?
• Comment l'impédance thermique et la force de compression évoluent-elles après vieillissement ?
• Le coussin a-t-il passé avec succès les essais de cycles thermiques dans le boîtier réel ?
• Ce matériau peut-il être découpé à l'emporte-pièce sans se déchirer ni générer de particules ?
• Les processus de transformation, de conditionnement et de manutention sont-ils adaptés à une utilisation par des personnes sensibles au silicone ?
• L'adhésif ou l'adhérence naturelle modifient-ils le comportement thermique et en matière de contamination ?
• Le tampon peut-il être retiré sans l'abîmer lors de la réparation ?
• Le fournisseur est-il en mesure d'assurer le contrôle des formulations et des procédés tout au long de la durée du programme ?

Questions fréquemment posées

Un coussin thermique sans silicone est-il meilleur qu'un coussin thermique en silicone ?

Ce n'est pas le cas dans toutes les applications. Un coussin thermique sans silicone est préférable lorsque la contamination par le silicone présente un risque avéré. Un coussin en silicone peut offrir davantage d'options en termes de souplesse, de plage de température, d'épaisseur et de performances thermiques lorsque la présence de silicone est acceptable. Il convient de comparer l'interface finale, et pas seulement la composition chimique.

Les coussinets thermiques en silicone fuient-ils de l'huile ?

Certaines formulations peuvent présenter un exsudat d'huile ou libérer des composés de silicone de faible poids moléculaire. La quantité varie considérablement. Il existe des grades de silicone à faible exsudat. Demandez les données d'essai et vérifiez les performances du produit dans les conditions réelles de température, de pression, de durée et d'enceinte.

Les coussinets thermiques « sans silicone » sont-ils vraiment exempts de silicone ?

La signification dépend des spécifications du fournisseur et des contrôles mis en place au niveau des processus. Vérifiez si cette affirmation signifie l’absence totale de silicone ajoutée intentionnellement, une limite quantifiée pour les siloxanes ou un processus de fabrication contrôlé sans silicone. Demandez la méthode d’essai et la limite de détection lorsque cette exigence est cruciale.

Quel tampon thermique est le plus adapté aux caméras et aux modules optiques ?

Les coussinets sans silicone sont souvent privilégiés à proximité des lentilles, des capteurs, des miroirs et des chemins optiques étanches, car ils permettent d'éviter les problèmes de buée et de dépôts propres au silicone. Le matériau choisi doit néanmoins faire l'objet de tests visant à évaluer son dégazage total et ses résidus condensables dans les conditions réelles du boîtier.

Quel dissipateur thermique est le plus adapté à l'électronique de puissance ?

Les coussinets en silicone sont couramment utilisés en électronique de puissance, car ils allient une grande adaptabilité, une isolation électrique, une bonne résistance à la température et une faible force de compression. Un coussinet sans silicone peut également convenir lorsque des contraintes liées à la contamination s'imposent. L'impédance thermique, les performances diélectriques, l'épaisseur de la ligne de collage et la force exercée doivent déterminer le choix final.

Un tampon en silicone à faible dégagement peut-il remplacer un tampon sans silicone ?

Parfois. Cela dépend du mécanisme de défaillance. Une faible migration d'huile peut résoudre le problème de migration visible ou de taches en surface. Elle peut toutefois ne pas répondre à une interdiction stricte concernant la silicone ou à une limite relative aux traces de siloxane. La qualification doit se fonder sur les critères d'acceptation de l'application.

Dans quelle mesure faut-il comprimer un coussin thermique en silicone ou sans silicone ?

Il n'existe pas de pourcentage universel. Utilisez la fourchette recommandée par le fournisseur et calculez la compression aux jeux minimal et maximal. Vérifiez ensuite la pression, le contact, les performances thermiques et la rétention de la force à long terme au niveau de l'assemblage.

Recommandation finale

Optez pour un coussin thermique en silicone lorsque la conception nécessite un matériau de remplissage souple, résistant et facile à trouver, et que le silicone ne pose aucun problème avéré de contamination. Les grades de silicone à faible migration peuvent étendre ce choix à des applications où les coussins en silicone ordinaires ne seraient pas adaptés.

Optez pour un tampon thermique sans silicone lorsque l'huile de silicone, les siloxanes volatils, les restrictions imposées par le client ou la contamination du processus risquent d'endommager les composants optiques, les contacts, les revêtements, les capteurs ou la qualité de la production. Vérifiez ce que signifie exactement “ sans silicone ” et testez le comportement global en matière de contamination plutôt que de vous fier uniquement à l'étiquette.

Pour ces deux types de matériaux, les priorités techniques restent les mêmes : utiliser la couche de liaison la plus fine possible tout en garantissant la fiabilité, maintenir la force de compression dans des limites de sécurité, comparer l’impédance thermique dans des conditions équivalentes, vérifier l’isolation électrique si nécessaire et valider les performances après vieillissement. Le meilleur tampon thermique ne se définit pas par un seul polymère ou une seule valeur W/mK. Il s’agit du matériau qui maintient un contact propre et stable ainsi que des températures acceptables tout au long de la durée de vie du produit.