Pâte thermique pour modules de puissance : guide de sélection

La pâte thermique destinée aux modules de puissance comble les espaces microscopiques entre la plaque de base d'un module et un dissipateur thermique ou une plaque froide à refroidissement liquide. En remplaçant l'air emprisonné par un matériau plus conducteur, elle réduit la résistance d'interface et facilite la dissipation thermique des IGBT, des MOSFET SiC et des modules de puissance intelligents. Le produit adapté n’est pas simplement la pâte présentant la valeur W/mK la plus élevée. C’est la pâte qui forme une interface fine, complète et stable dans l’assemblage réel.

Cette distinction est importante. Même un bon composé peut présenter de mauvaises performances si le dissipateur thermique n’est pas uniformément réparti, si la couche déposée est trop épaisse, si la séquence de vissage déforme la plaque de base ou si la pâte thermique se déplace lors des cycles thermiques. En d’autres termes, le module, la pâte thermique, la surface de refroidissement, les éléments de fixation et le processus d’application fonctionnent comme un seul et même système.

Ce guide explique comment choisir ce système. Il aborde les propriétés des matériaux qu’il convient de comparer, le contrôle réaliste de la ligne de collage, l’impression au pochoir, les modes de défaillance courants, les alternatives, les normes et la qualification de production. Il convient de toujours considérer les instructions de montage fournies par le fabricant du module comme la référence ultime en matière de géométrie et d’exigences de fixation.

Quel est le rôle de la pâte thermique dans l'assemblage d'un module d'alimentation ?

La pâte thermique ne refroidit pas un module en soi. Elle améliore le contact à l'interface entre le module et le dissipateur. Même les surfaces métalliques usinées présentent des pics, des creux et de légères irrégularités de forme. Lorsque deux surfaces sèches sont serrées l'une contre l'autre, ces irrégularités retiennent de l'air isolant. La pâte thermique imprègne les surfaces et comble ces petits vides, créant ainsi un chemin plus continu pour la chaleur.

Le trajet de la chaleur entre la jonction du semi-conducteur et le fluide de refroidissement ou l'air

La chaleur prend naissance au niveau de la jonction du semi-conducteur. Elle se propage ensuite à travers le système de fixation de la puce, le substrat, les conducteurs internes et la plaque de base, le cas échéant. De là, elle traverse le matériau d'interface thermique et pénètre dans un dissipateur thermique ou une plaque froide. Enfin, elle est dissipée dans l'air ou le fluide de refroidissement.

La graisse n'occupe qu'une mince partie de ce trajet, mais elle peut constituer un goulot d'étranglement. Imaginez-la comme un joint d'étanchéité entre deux sections de tuyau. Le joint est court, mais s'il n'est pas bien ajusté, il peut restreindre l'ensemble du débit.

Les ingénieurs ont généralement pour habitude de suivre plusieurs grandeurs de résistance :

• Rth(j-c): résistance thermique entre la jonction et le boîtier à l'intérieur du module.
• Rth(c-h): résistance entre le boîtier et le dissipateur thermique, fortement influencée par l'interface.
• Rth(h-a) ou résistance entre le refroidisseur et le fluide : dissipation de la chaleur par le système de refroidissement.
• Rth(j-a): le trajet complet entre la jonction et l'environnement.

Le choix de la graisse influe principalement sur Rth(c-h), mais il convient tout de même d'examiner les problèmes de température sur l'ensemble de la pile. Même un meilleur TIM ne peut pas compenser une plaque de refroidissement sous-dimensionnée ou un débit de liquide de refroidissement insuffisant.

Les modules avec plaque de base et ceux sans plaque de base nécessitent une approche différente

Un module IGBT classique peut comporter une plaque de base métallique qui dissipe la chaleur et sert de surface de montage. Certains modules SiC plus récents utilisent des plaques de base plus fines, des structures céramiques apparentes ou des conceptions sans plaque de base afin de réduire la masse thermique et la résistance interne. Ces conceptions peuvent être plus sensibles aux exigences en matière de pression locale, de planéité et d'isolation.

Ne partez pas du principe que la pâte thermique assure une isolation électrique. De nombreuses pâtes sont électriquement non conductrices, mais la fine couche de pâte ne constitue pas automatiquement une barrière diélectrique certifiée. Si l'isolation fait partie de la conception de sécurité, vérifiez la construction du module et utilisez une solution d'isolation homologuée.

Pour une vue d'ensemble des graisses, tampons, gels et autres matériaux d'interface thermique, commencez par examiner l'écart réel et l'architecture électrique avant de choisir un format.

Commencez par l'interface, et non par la valeur de conductivité thermique

La conductivité thermique décrit la facilité avec laquelle la chaleur traverse le matériau en vrac. Elle est utile, mais ne tient pas compte du contact de surface, de l'épaisseur finale ni du vieillissement. La résistance d'interface au niveau de l'assemblage combine la résistance du matériau en vrac et la résistance de contact au niveau des deux surfaces. Une graisse à conductivité modérée qui s'étale en un film mince et continu peut offrir de meilleures performances qu'un produit présentant un W/mK plus élevé mais qui reste épais ou laisse des vides.

Pour une couche uniforme simplifiée :

R = t / (k × A)

Où ?

• R est la résistance thermique volumique.
• t c'est l'épaisseur de la ligne de liaison.
• k est la conductivité thermique.
• A c'est la surface de contact effective.

Cette équation est utile, mais les jonctions réelles introduisent une résistance de contact. La rugosité de surface, le mouillage, la pression et la forme du matériau de remplissage ont tous une incidence sur cette résistance supplémentaire. C'est pourquoi la valeur de conductivité indiquée dans une fiche technique ne doit jamais être utilisée seule pour prédire la température de jonction.

La distinction entre conductivité thermique et impédance thermique est particulièrement utile lors du dépistage précoce.

Sept critères à prendre en compte pour choisir une pâte thermique destinée aux modules de puissance

La meilleure graisse pour modules de puissance est celle qui permet d'atteindre la température requise tout en garantissant une fabrication stable et une durée de vie acceptable. Le choix doit tenir compte à la fois de l'impédance thermique d'interface, de la largeur de joint réalisable, de la rhéologie, de la stabilité thermique, de la résistance à la migration, de la compatibilité et des conditions d'approvisionnement. Un seul chiffre impressionnant ne saurait se substituer à cet équilibre.

1. Impédance thermique au niveau de l'assemblage

Demandez les données d'impédance thermique ou de résistance mesurées à une épaisseur, une pression et une température données. Le dispositif d'essai et l'état de surface ayant leur importance, veillez à comparer ce qui est comparable. Si les fournisseurs utilisent des méthodes différentes, le classement peut refléter autant ces méthodes que les composés eux-mêmes.

Un test de présélection pratique utilise des surfaces métalliques représentatives et plusieurs lignes de soudure. Le test d'homologation final utilise le module de puissance et le dissipateur thermique réels. Enregistrez la température du liquide de refroidissement ou du dissipateur thermique, la température du boîtier du module ainsi que, le cas échéant, une valeur de température électrique reproductible.

2. Épaisseur de joint réalisable

La graisse offre les meilleures performances lorsqu'elle est suffisamment fluide pour limiter la résistance due à son épaisseur, tout en étant suffisamment visqueuse pour combler les variations réelles de la surface. La ligne d'adhérence obtenue dépend :

• Planéité du module et de la surface de refroidissement.
• Rugosité et ondulation de surface.
• Emplacements des fixations et des vis.
• Viscosité de la graisse, limite d'écoulement et taille des particules de charge.
• Motif au pochoir, volume déposé et écoulement par compression.

Les incidence de l'épaisseur de la couche de liaison sur les performances thermiques est souvent plus importante que ne le pensent les acheteurs. Ne choisissez pas une épaisseur nominale de revêtement avant d'avoir examiné l'assemblage monté.

3. Viscosité, thixotropie et imprimabilité au pochoir

La viscosité ne donne qu'un aperçu ponctuel de la résistance à l'écoulement. La thixotropie décrit la manière dont un matériau se transforme sous l'effet d'un cisaillement, puis retrouve son état initial une fois la force supprimée. Une graisse imprimable doit remplir les ouvertures du pochoir, se détacher proprement, conserver son motif avant le montage et s'étaler sous l'effet du serrage sans couler partout.

Pour la distribution automatisée, vérifiez la stabilité de la pression, la continuité du cordon, la taille de la buse, la sédimentation du produit de remplissage et le redémarrage après une période d'inactivité. Pour l'impression au pochoir, vérifiez la vitesse et l'angle de la raclette, l'épaisseur du pochoir, la géométrie des ouvertures et le décollement. Un matériau peut présenter d'excellentes caractéristiques thermiques tout en posant des problèmes sur la ligne de production. Cela arrive plus souvent qu'on ne veut bien l'admettre.

4. Plage de températures de fonctionnement et de pointe

Les modules de puissance sont soumis à une chaleur constante, à de brèves surcharges et à des cycles de mise sous tension et hors tension répétés. Une large plage de températures indiquée dans la fiche technique ne garantit pas une viscosité ou une résistance d'interface stables au fil des années de cycles de fonctionnement.

Définir le profil réel :

• Cas normal et température plus basse.
• Température maximale en fonctionnement continu.
• Température maximale de courte durée.
• Fréquence de démarrage et d'arrêt.
• Variation de température et temps de maintien.
• Durée de vie prévue.

Demandez, dans la mesure du possible, les données post-vieillissement. Répétez ensuite la mesure thermique après le cycle, et pas seulement avant celui-ci.

5. Vidange, séchage, purge d'huile et volatilité

Ces termes désignent différents problèmes :

• Pompage il s'agit d'un mouvement du matériau provoqué par des cycles répétés de dilatation, de contraction et de variations de pression.
• Assèchement il s'agit de la perte ou de la redistribution du fluide porteur jusqu'à ce que l'interface devienne riche en matière de remplissage et moins souple.
• Purge d'huile c'est-à-dire une séparation ou une migration visible de la phase liquide.
• Volatilité il s'agit de la perte de composants de faible poids moléculaire, accélérée par la chaleur ou la basse pression.

Après le cyclage, vérifiez que le revêtement reste uniforme autour des zones chaudes et des bords. Une graisse qui présente une faible résistance au départ mais qui s'éloigne de la zone active ne constitue pas une solution à faible résistance en service.

6. Compatibilité électrique et chimique

Vérifiez si la graisse est électriquement isolante, légèrement conductrice ou conçue uniquement pour le contact thermique. Vérifiez également son interaction avec les revêtements, les plastiques, les étiquettes, les joints, les connecteurs et les produits de nettoyage. La migration de l'huile de silicone peut être inacceptable à proximité des surfaces optiques, des contacts de relais, des opérations de peinture ou de collage. Dans ces cas-là, évaluez une pâte thermique sans silicone ou un autre TIM à composition chimique contrôlée.

7. Contrôles de la fabrication et de l'approvisionnement

Le fournisseur doit proposer davantage qu'une simple seringue d'échantillon. Besoins en matière de planification de la production :

• Emballage adapté aux équipements d'impression ou de distribution.
• Température de conservation et durée de conservation.
• Instructions de conditionnement, de mélange ou de désaération.
• Traçabilité des lots et données relatives aux certificats.
• Contrôles rhéologiques et thermiques d'un lot à l'autre.
• Politique de notification des modifications.
• Assistance technique pour les essais de pochoir et de validation.

Quelle doit être l'épaisseur de la pâte thermique sur un module de puissance IGBT ou SiC ?

Il n'existe pas d'épaisseur de graisse universelle valable pour tous les modules de puissance IGBT ou SiC. De nombreux exemples fournis par les fabricants indiquent des valeurs comprises entre quelques dizaines et quelques centaines de micromètres, mais la valeur approuvée dépend du module, de la surface du dissipateur thermique et du mode d'application spécifiques. Respectez les instructions de montage du module, puis vérifiez l'interface comprimée et les performances thermiques.

Par exemple, Fuji Electric a publié des recommandations de l'ordre de 100 micromètres pour certains modules IGBT industriels, avec notamment un exemple de 100 ± 30 micromètres. La documentation de Mitsubishi mentionne des valeurs comprises entre 50 et 100 micromètres pour certaines familles de modules, tandis que d'autres familles utilisent des plages plus larges. Microchip a documenté une valeur minimale pour un module et une méthode spécifiques. Ces chiffres sont donnés à titre d'exemple et ne constituent pas une règle commune à l'ensemble du secteur.

Il convient également de distinguer l'épaisseur du dépôt de celle de la ligne de liaison après montage. Un pochoir permet de créer un dépôt structuré comportant des espaces vides. Lors du montage, la graisse s'étale et les pics s'affaissent. La mesure de l'épaisseur du pochoir seule ne permet pas de déterminer l'épaisseur finale de l'interface.

Une estimation simple de la quantité de graisse nécessaire

Pour une première estimation :

Masse = surface enduite × épaisseur moyenne du dépôt × densité

Supposons qu'un motif imprimé présente une surface effective enduite de 90 cm², une épaisseur moyenne de dépôt de 0,010 cm et une densité de graisse de 2,6 g/cm³ :

Masse = 90 × 0,010 × 2,6 = 2,34 g

Il s'agit d'une quantité de référence pour le début du processus, et non d'une spécification validée. Les ouvertures du gabarit, les débordements de matière et la ligne de liaison une fois le module monté modifient le résultat réel. Peser le module avant et après l'impression constitue un contrôle de production utile, car cela permet de mesurer la masse déposée de manière plus fiable qu'une simple évaluation visuelle.

Les Instructions de montage Fuji Electric expliquer pourquoi l'épaisseur de la graisse, la planéité du dissipateur thermique, la rugosité et la fixation doivent être prises en compte conjointement.

La planéité, la rugosité et la pression de montage du dissipateur thermique sont des critères à prendre en compte lors du choix du TIM

La surface de refroidissement peut nuire à la qualité d'une graisse pourtant adaptée. Une erreur de planéité excessive entraîne l'apparition de zones localement épaisses ou de points de contact à sec. La rugosité augmente le volume nécessaire pour combler les creux de la surface. Un serrage irrégulier modifie la pression et peut déformer la plaque de base du module. Il convient de définir ces conditions mécaniques avant de fixer la graisse et le pochoir.

Planéité et rugosité

La planéité décrit l'erreur de forme globale sur toute la surface de montage. La rugosité décrit la texture plus fine laissée par l'usinage. Ces deux facteurs influent sur le contact, mais de manière différente. Une surface polie peut tout de même présenter un bombement, et une surface plane peut tout de même être trop rugueuse.

Vérifiez l'ensemble de la surface du module, et non pas seulement une petite zone choisie pour des raisons pratiques. Les fabricants de modules indiquent souvent les valeurs admissibles de planéité et de rugosité pour leurs produits. Respectez ces limites plutôt que de reprendre une valeur provenant d'une autre gamme de modules.

Couple et ordre de serrage

Les vis de fixation doivent généralement être serrées par étapes progressives et dans l'ordre indiqué par le fournisseur du module. Si l'on tire complètement sur un coin avant les autres, cela peut faire basculer ou déformer le module, retenir de la graisse et entraîner une ligne de collage irrégulière.

Vérifiez l'outil, le couple, l'état de la vis, l'empilement des rondelles et la surface d'appui. Pour les prototypes, notez l'ordre d'assemblage et enregistrez le couple réel. Cela peut sembler élémentaire, mais c'est là que des variations imperceptibles peuvent se glisser.

Contrôle de la configuration des contacts

Réalisez des assemblages de validation « sacrificiels ». Appliquez le modèle spécifié, montez le module, puis retirez-le avec précaution et examinez le transfert sur les deux surfaces. Vérifiez qu’il n’y a pas de zones non recouvertes, de poches d’air, de défauts sur les bords ni d’excès de produit.

Associez le contrôle visuel à une cartographie thermique, à des thermocouples ou à un paramètre électrique sensible à la température propre au module. Une répartition uniforme est utile, mais c'est le résultat thermique qui est déterminant.

Impression au pochoir vs impression au rouleau, à la spatule et par dosage automatisé

L'impression au pochoir est largement utilisée pour les modules de puissance, car elle permet de contrôler l'emplacement et le volume de dépôt sur une grande plaque de base. Un motif spécifique au module permet à la graisse de s'étaler en une fine couche tout en laissant des passages pour l'évacuation de l'air. Les rouleaux et les spatules peuvent convenir pour les prototypes, mais ils entraînent davantage de variations liées à l'opérateur. La distribution automatisée s'avère utile lorsque le motif et le matériau sont conçus conjointement.

Pourquoi l'impression au pochoir figure-t-elle dans les recommandations des équipementiers ?

Les modules de puissance sont plus volumineux et présentent des caractéristiques mécaniques différentes de celles des processeurs pour ordinateurs de bureau. Un motif en points ou en X qui peut paraître correct dans une vidéo d'amateur ne constitue pas une méthode de fabrication adaptée à une plaque de base d'IGBT de grande taille.

Un pochoir peut permettre :

• Masse déposée reproductible.
• Zone d'exclusion contrôlée autour des trous et des bords.
• Îlots ou sillons prédéfinis pour l'épandage.
• Accélération des procédures d'inspection et de formation des opérateurs.
• Une relation quantifiable entre l'ouverture, l'épaisseur du pochoir et le dépôt.

Infineon’s note d'application sur les pochoirs de sérigraphie illustre le caractère spécifique à chaque module de la géométrie des pochoirs et du contrôle des processus.

Quand une autre méthode peut être acceptable

Un rouleau ou une spatule à contrôle de débit peut s'avérer pratique pour les essais techniques, les interventions de maintenance ou les productions en petites séries, lorsque le fabricant du module l'autorise. L'application peut convenir à une ligne automatisée si les cordons se fondent pour former une couverture complète sans emprisonner d'air. L'application préalable de TIM peut permettre de supprimer entièrement une étape d'impression en interne.

Quelle que soit la méthode utilisée, définissez la masse déposée, la position, les critères d'inspection et le résultat obtenu après montage. “ Appliquer une fine couche ” est une instruction, mais pas encore un processus.

Déroulement pratique de la production

1. Vérifiez que la base du module et la surface de refroidissement ne présentent ni dommage ni salissure.
2. Nettoyez les deux surfaces à l'aide de produits homologués, puis laissez-les sécher.
3. Respectez les consignes de stockage et de manipulation de la graisse.
4. Alignez le pochoir ou le dispositif de dosage spécifique au module.
5. Imprimer ou appliquer le motif défini.
6. Vérifier la position, l'intégralité et la masse déposée.
7. Fixez le module en respectant l'ordre de vissage et les couples de serrage indiqués.
8. Vérifier le profil de transfert et les performances thermiques sur les unités de validation.

Pour en savoir plus sur les principes généraux de la manutention, consultez le guide de Haktak intitulé application de pâte thermique.

Modes de défaillance courants des pâtes thermiques en électronique de puissance

La plupart des défaillances liées à la pâte thermique sont des défaillances d'interface, et non des dégradations importantes du matériau. Les signes habituels sont une augmentation ou une instabilité des températures, des zones d'aspect sec, une accumulation sur les bords, des débordements ou une contamination. La cause première peut être liée à la quantité, au pochoir, à la surface, au processus de montage, au vieillissement ou au matériel de refroidissement. Analysez les indices avant de rejeter la faute sur le pot.

Trop de graisse

Une couche trop épaisse augmente la résistance thermique. Elle peut également déborder de la plaque de base, contaminer les surfaces voisines ou gêner l'entretien. Une plus grande quantité de graisse ne signifie pas un meilleur refroidissement. Ce composé est destiné à remplacer l'air, et non à former une épaisse couche diffusant la chaleur.

Quantité insuffisante de graisse ou mouillage incomplet

Une quantité insuffisante peut entraîner la formation de poches d'air, en particulier sur une plaque de base voilée ou un dissipateur irrégulier. Les zones sèches localisées créent des points chauds, même lorsque la température moyenne du module semble acceptable. Un mauvais décollage du pochoir ou un cordon de dépose interrompu peuvent produire le même symptôme.

Pompage et accumulation en bordure

À chaque cycle de chauffage et de refroidissement, le module et le dissipateur thermique se dilatent dans des proportions différentes. Ce léger mouvement relatif peut entraîner l'éviction d'une graisse peu stable hors des zones actives. Après de nombreux cycles, le matériau peut s'accumuler près des bords, tandis que le centre s'amincit ou s'assèche.

Assèchement, séparation de l'huile et variation de viscosité

La chaleur peut entraîner une redistribution ou une élimination du fluide porteur. La couche restante, riche en charge, perd alors de sa capacité à mouiller les surfaces en mouvement. Des traces d'huile peuvent également migrer hors de l'interface. Vérifiez la masse, l'aspect et la résistance thermique avant et après le vieillissement.

Mauvais contrôle de la surface ou du montage

Les variations au niveau de la planéité, de la rugosité, du nettoyage, du couple de serrage des vis et de l'alignement des pochoirs sont souvent confondues avec des variations de matière. Une bonne analyse des causes profondes consiste à comparer ces données avec les données thermiques, par numéro de série.

Pâte thermique vs matériau à changement de phase, coussin thermique et graphite

La pâte thermique est généralement la plus efficace sur les interfaces minces et serrées qui nécessitent un excellent mouillage. Elle n’est pas forcément la meilleure solution pour tous les modules. Les matériaux à changement de phase peuvent simplifier la manipulation, les cales peuvent combler des écarts plus importants ou offrir une isolation sur mesure, et le graphite peut répartir la chaleur latéralement. Il convient de comparer la géométrie réelle, les besoins électriques, le flux de production et le profil de durée de vie.

A matériau d'interface thermique à changement de phase peut s'avérer intéressant lorsqu'un processus de pré-application propre et une meilleure résistance à la migration des graisses sont essentiels. Vérifiez la température d'activation, la pression et le contact avec la surface.

Les cales sont utiles lorsqu'il existe un écart mesurable ou une variation de hauteur des composants. Elles ne peuvent pas remplacer directement un joint de graisse mince sans modification de la conception. Le graphite est un matériau hautement anisotrope : une excellente conductivité latérale ne signifie pas automatiquement une faible résistance d'interface dans le plan.

Exemples d'applications dans le domaine de l'électronique de puissance

La graisse pour modules de puissance est utilisée dans les onduleurs de traction, les variateurs industriels, les convertisseurs destinés aux énergies renouvelables, les systèmes UPS et d’autres équipements à courant fort. La logique de sélection est similaire, mais les contraintes principales varient. Dans les systèmes automobiles, l’accent est mis sur les cycles de fonctionnement intensifs et le contrôle de la contamination. Les systèmes industriels peuvent privilégier la longévité, la facilité de réparation et la répétabilité des processus. Les équipements destinés aux énergies renouvelables doivent quant à eux tenir compte de conditions ambiantes variées et d’un fonctionnement à distance.

Onduleur de traction et chargeur embarqué pour véhicule électrique

Un onduleur pour véhicule électrique peut utiliser des modules SiC ou IGBT montés sur une plaque de refroidissement à liquide. En raison de la forte densité de puissance, la moindre variation au niveau de l'interface se répercute sur la température de jonction. Les essais de qualification doivent porter à la fois sur les conditions de refroidissement, les cycles de mise sous tension, les vibrations et la compatibilité chimique. La graisse doit également être adaptée à un processus d'assemblage automobile contrôlé.

Entraînement de moteur industriel et système d'asservissement

Les entraînements industriels fonctionnent pendant de longues périodes et peuvent être exposés à la poussière, aux vibrations et à un entretien irrégulier. Une application uniforme du pochoir et une résistance thermique stable s'avèrent souvent plus utiles que la recherche d'une conductivité maximale telle qu'indiquée dans le catalogue. Les procédures de retouche et de remplacement sur site doivent utiliser la même quantité contrôlée que celle utilisée en production.

Onduleur solaire et système de stockage d'énergie (PCS)

Les systèmes de conversion solaire et à batterie sont soumis à des cycles de température quotidiens et à d'importantes variations de température ambiante. Il convient donc d'accorder une attention particulière aux contrôles relatifs au vidage et au dessèchement. Le guide de Haktak sur pâte thermique pour onduleurs aborde ce contexte opérationnel plus en détail.

Onduleurs, équipements de soudage et alimentations haute puissance

Ces systèmes peuvent être soumis à des charges transitoires élevées et être équipés d'un refroidissement par air forcé ou par liquide. Vérifiez la température maximale en charge, la pression de montage et la capacité du refroidisseur. Une surcharge de courte durée peut être acceptable sur le plan électrique, mais peut néanmoins entraîner une forte variation de la température au niveau de l'interface.

Normes de test et plan de qualification réaliste

Aucun certificat ne permet à lui seul de garantir que la pâte thermique fonctionnera correctement sous un module de puissance. Les méthodes standard fournissent des données comparables sur les matériaux, tandis que le test d'assemblage final permet de valider l'interface. Une approche raisonnable consiste à passer de l'examen des fiches techniques à des essais contrôlés sur les matériaux, à l'évaluation de la capabilité du processus, à des essais sur des modules représentatifs et à des tests de vieillissement. Il convient de mesurer à nouveau les performances après une mise à l'épreuve dans des conditions environnementales difficiles.

Mesure des propriétés selon la norme ASTM D5470 et le TIM

ASTM D5470 Cette norme est largement citée pour les propriétés de transmission thermique en régime permanent des matériaux thermoconducteurs. Elle permet de déterminer l'impédance thermique et la conductivité apparente dans des conditions contrôlées. L'ASTM précise également qu'une méthode idéalisée ne permet pas de reproduire toutes les interfaces réelles. L'état de surface, la pression, l'épaisseur et la préparation des échantillons restent des facteurs importants.

Principes de mesure thermique selon la norme JESD51

La famille de normes JEDEC JESD51 définit des concepts et des méthodes de caractérisation thermique des semi-conducteurs. Ceux-ci s'avèrent utiles lors de la planification de mesures de température de jonction et de réseaux thermiques. Ils ne constituent pas à eux seuls une certification des pâtes thermiques. Il convient d'appliquer la méthode appropriée en fonction du dispositif et de l'objectif du test.

Norme CEI 60068 et essais environnementaux spécifiques à certaines applications

Les méthodes de la norme CEI 60068 servent généralement de base aux essais de chaleur sèche, de chaleur humide, de variation de température, de chocs et de vibrations. Choisissez des essais qui reflètent l'environnement d'utilisation du produit. Les programmes destinés aux secteurs de l'automobile, du ferroviaire, des énergies renouvelables ou spécifiques à un client peuvent ajouter leurs propres cycles et limites d'acceptation.

Présentation de Haktak sur normes courantes en matière de tests TIM peut aider les équipes à distinguer les essais portant sur les propriétés des matériaux de ceux portant sur la fiabilité des assemblages.

Parcours de qualification recommandé

1. Consultez la documentation. Vérifiez les fiches techniques (TDS), les fiches de données de sécurité (FDS), la conformité, le stockage, la durée de conservation et la traçabilité.
2. Effectuer des tests TIM contrôlés. Comparer les matériaux candidats à différentes conditions de liaison et pressions pertinentes.
3. Renseignez-vous sur la procédure de candidature. Mesurer la masse déposée, la position, la répétabilité et les défauts.
4. Testez l'ensemble représentatif. Utilisez le module, le refroidisseur, les fixations et le liquide de refroidissement ou le flux d'air d'origine.
5. Appliquer un stress environnemental. Effectuez les essais de cycles thermiques, de cycles d'alimentation, d'humidité et de vibrations selon les besoins.
6. Vérifiez et mesurez à nouveau. Comparez la résistance thermique, la couverture, le saignement, la migration et l'état mécanique.

Que faut-il envoyer à un fournisseur de pâte thermique ?

Une recommandation utile commence par des informations sur l'assemblage, et non par une demande de “ pâte présentant la valeur W/mK la plus élevée ”. Indiquez le module, le dissipateur thermique, la température cible, la géométrie, le procédé de montage, la méthode de production et le profil de fiabilité. Disposant de ce contexte, un fournisseur peut affiner les critères chimiques et rhéologiques, proposer des échantillons et aider à définir un plan de validation réaliste.

Préparez la note suivante :

• Fabricant du module d'alimentation, référence et guide de montage.
• Conception modulaire, dimensions de la plaque de base et surface de chauffage active.
• Matériau, revêtement, planéité et rugosité du dissipateur thermique ou de la plaque réfrigérante.
• Perte de l'appareil, problèmes liés au liquide de refroidissement ou aux conditions ambiantes, et limite de température.
• Résistance d'interface maximale admissible.
• Disposition des vis, séquence de serrage et pression de serrage estimée.
• Procédé de prédilection : pochoir, impression, dosage ou application préalable.
• Profil de température en continu, en crête et cyclique.
• Vibrations, humidité, produits chimiques et durée de vie prévue.
• Restrictions relatives à l'isolation électrique et au silicone.
• Quantité de prototypes, volume annuel, exigences en matière d'emballage et de traçabilité.

Pour les applications où la finesse de l'interface est primordiale, Haktak peut évaluer une graisse à faible résistance thermique par rapport à la ligne de liaison réelle et à la méthode de production.

Vous avez besoin de comparer des candidats au sein de votre propre ensemble de modules ? Demander des échantillons ou une recommandation de matériau avec le schéma du module, les détails du refroidisseur et le profil de fonctionnement.

Questions fréquemment posées

Quelle pâte thermique est la mieux adaptée à un module de puissance IGBT ?

La meilleure graisse est celle qui permet d'atteindre la température cible du module avec une couche mince et constante, et qui reste stable après les cycles de fonctionnement requis. Comparez l'impédance thermique d'interface, l'applicabilité, la résistance au pompage, la stabilité thermique et la compatibilité. Suivez les instructions de montage du fabricant de l'IGBT avant de choisir l'épaisseur ou le mode d'application.

Quelle doit être l'épaisseur de la pâte thermique sous un module d'alimentation ?

Il n'existe pas d'épaisseur universelle. Les exemples fournis par les fabricants se situent souvent entre quelques dizaines et quelques centaines de micromètres, mais chaque valeur correspond à un module et à des conditions de refroidissement spécifiques. Suivez le guide de montage du module, contrôlez la masse déposée et vérifiez le schéma de transfert une fois le module monté ainsi que le résultat thermique.

Une conductivité thermique plus élevée est-elle toujours préférable pour la graisse destinée aux modules de puissance ?

Non. Une valeur de W/mK plus élevée peut être bénéfique, mais une couche plus épaisse ou un mauvais mouillage peuvent annuler cet avantage. L'impédance thermique au niveau de la ligne de jonction réelle et la pression sont généralement des critères plus pertinents. La stabilité à long terme et la répétabilité de la production sont également des facteurs importants.

La pâte thermique doit-elle recouvrir toute la plaque de base du module ?

L'interface finale doit assurer une couverture efficace de toute la zone de transfert thermique prévue, sans laisser d'espaces vides nuisibles. Cela ne signifie pas nécessairement qu'il faille imprimer un rectangle plein. Les motifs de pochoir spécifiques à chaque module peuvent comporter des dépôts distincts qui s'étalent lors du montage. Respectez le motif approuvé pour le module.

L'impression au pochoir est-elle plus efficace que celle au rouleau ou à la spatule ?

L'impression au pochoir offre généralement une meilleure répétabilité en production, car elle permet de contrôler le volume et l'emplacement. L'utilisation d'un rouleau ou d'une spatule peut être acceptée pour les prototypes, les réparations ou les productions en petites séries, à condition que le fabricant du module l'autorise et que le résultat fasse l'objet d'un contrôle. La méthode doit permettre d'obtenir l'interface de montage spécifiée.

La pâte thermique peut-elle s'échapper lors des cycles thermiques ?

Oui. Les cycles répétés de dilatation et de contraction peuvent éloigner la graisse des zones actives, en particulier lorsque la composition, la pression et le mouvement de la surface ne sont pas bien adaptés les uns aux autres. Procédez à des cycles thermiques ou mécaniques, vérifiez ensuite la couverture et répétez la mesure thermique.

La pâte thermique des modules de puissance est-elle électriquement isolante ?

Certains produits sont non conducteurs d'électricité, mais il ne faut jamais en déduire cela d'après leur aspect ou le terme “ graisse ”. Vérifiez la fiche technique et l'architecture de sécurité. Une fine couche de composé peut ne pas satisfaire aux exigences en matière de protection diélectrique, de distance de fuite ou de distance isolante.

Dans quels cas dois-je utiliser un matériau à changement de phase plutôt qu'une pâte thermique ?

Envisagez l'utilisation d'un matériau à changement de phase lorsque vous recherchez un placement précis, un dosage contrôlé et une réduction des variations liées à la manipulation dans un assemblage serré de faible épaisseur. Vérifiez la température d'activation, le mouillage, la pression et la fiabilité. La graisse peut rester préférable lorsque le mouillage à température ambiante et la facilité de retouche sont des critères importants.

Comment calculer la quantité de pâte thermique nécessaire pour un module ?

Estimez la masse à partir de la surface effective recouverte, de l'épaisseur moyenne déposée et de la densité du matériau. Affinez ensuite cette estimation à l'aide du motif réel du pochoir et d'un test de transfert sur pièce montée. En production, peser les pièces avant et après l'application constitue un moyen pratique de contrôler la quantité déposée.

Comment faut-il tester la pâte thermique avant la production en série ?

Commencez par examiner les matériaux et vérifier leur conformité, puis comparez les candidats aux épaisseurs et pressions pertinentes. Réalisez une étude de capabilité du processus, mesurez les performances thermiques sur l'ensemble module-refroidisseur réel, appliquez les cycles environnementaux requis, puis inspectez la couverture et remesurez la résistance thermique.