La compression d'un pad thermique est suffisante lorsque le pad entre pleinement en contact avec les deux surfaces, comble l'espace en tenant compte des variations de tolérance, réduit la résistance de contact et n'exerce pas de contrainte mécanique excessive sur le circuit imprimé, le composant, les joints de soudure ou le boîtier. Il n'existe pas de taux de compression universel qui convienne à tous les pads thermiques. De nombreuses conceptions visent une plage de compression modérée, mais la valeur correcte dépend de l'épaisseur du pad, de sa dureté, de la tolérance de l'espace, de la pression disponible, de la planéité des surfaces, des exigences diélectriques et des tests de fiabilité.
En termes simples : Une compression suffisante garantit un contact thermique complet sans surcharger l'assemblage.
Une compression insuffisante peut laisser des poches d'air et provoquer une résistance thermique élevée. Une compression excessive peut plier les cartes, fissurer les composants, déformer les boîtiers, écraser le matériau d'interface, réduire la marge diélectrique ou entraîner une déformation permanente à long terme. Les ingénieurs doivent calculer la compression dans des conditions d'espace minimal, nominal et maximal, puis valider l'impédance thermique et la fiabilité mécanique dans le produit réel.
Quel est le taux de compression d'un coussin thermique ?
Le taux de compression d'un coussin thermique est la réduction en pourcentage de l'épaisseur du coussin après son assemblage entre une source de chaleur et une surface de refroidissement.
La formule de base est :
Taux de compression = (original bloc-notes épaisseur – épaisseur comprimée) / épaisseur initiale du coussinet × 100%
Par exemple, si un coussin thermique de 2,0 mm est compressé à 1,6 mm après l'assemblage :
(2,0 – 1,6) / 2,0 × 100% = 20% de compression
L'épaisseur d'origine du coussinet est l'épaisseur fournie. L'épaisseur comprimée est l'épaisseur finale de la ligne de collage après l'assemblage du dispositif. C'est cette épaisseur finale à travers laquelle la chaleur passe réellement pendant le fonctionnement.
Le taux de compression est important car les coussinets thermiques sont conçus pour fonctionner sous pression. Une compression adéquate aide le coussinet à se conformer à la rugosité de la surface, à combler les petits espaces d'air et à créer un chemin thermique plus complet.
Pourquoi les pads thermiques ont besoin de compression
Les coussinets thermiques sont utilisés entre les composants électroniques et les surfaces de refroidissement telles que les dissipateurs thermiques, les boîtiers métalliques, les plaques froides, les châssis ou les boîtiers. Ces surfaces ne sont jamais parfaitement planes. Même le métal usiné et les boîtiers de composants moulés contiennent des pics et des vallées microscopiques.
Sans compression, un coussin thermique risque de ne toucher que les points les plus hauts. De l'air subsiste dans les interstices. Puisque l'air a une très faible conductivité thermique, ces vides augmentent la résistance de contact et élèvent la température des composants.
La compression aide le coussinet :
- Augmenter la surface de contact réelle
- Combler la rugosité de surface
- Réduire les vides d'air
- Réduire la résistance de contact
- Contrôler l'épaisseur finale de la ligne de liaison
- Compenser la faible variation de tolérance
- Améliorer la répétabilité d'une unité à l'autre
L'article de HakTak Comment la compression affecte la performance des coussinets thermiques explique cette relation en détail.
Existe-t-il un taux de compression standard ?
Il n'existe pas de taux de compression universel unique pour tous les coussinets thermiques. Un taux de compression approprié dépend de la formulation du matériau et de la conception du produit.
Certains patins sont conçus pour une compression plus faible. D'autres nécessitent plus de compression pour atteindre un contact complet. Les patins plus souples peuvent se compresser facilement à basse pression. Les patins plus durs peuvent nécessiter une force plus élevée.
Le taux de compression correct dépend de :
- Épaisseur du tampon
- Dureté du coussinet
- Taille de l'écart
- Tolérance aux lacunes
- Zone de contact
- Planéité de surface
- Pression d'assemblage
- Fragilité des composants
- Rigidité du circuit imprimé
- Exigence d'isolation électrique
- Cible d'impédance thermique
- Déformation rémanente à long terme
- Plage de températures de fonctionnement
C'est pourquoi les fiches techniques des fournisseurs fournissent souvent des plages de compression recommandées, des courbes de compression-déflexion ou des valeurs d'impédance thermique à différentes pressions. Les ingénieurs doivent utiliser ces points de données comme point de départ, puis tester l'assemblage réel.
Que se passe-t-il avec trop peu de compression ?
Une compression insuffisante signifie généralement un mauvais contact.
Si le pad thermique n'est pas assez compressé, il risque de ne pas combler la rugosité de surface ou de ne pas toucher les deux surfaces sur toute la surface de contact. Cela peut créer des points chauds et des performances thermiques instables.
Symptômes d'une sous-compression
Les signes fréquents comprennent :
- Température de composant plus élevée
- Forte variation entre les unités
- Lieux incontournables de la région
- Résultats de tests thermiques incohérents
- Marques de mauvais contact après démontage
- Tampon non visiblement compressé
- Entres d'air dans les conditions de tolérance maximale
Pourquoi une sous-compression se produit
La sous-compression se produit généralement lorsque :
- Le coussinet est trop fin pour l'écart maximal
- Le patin est trop dur pour la force disponible
- Le couple de serrage est trop faible
- Le boîtier n'est pas assez rigide
- Les surfaces ne sont pas parallèles
- La hauteur du composant varie plus que prévu
- La surface du patin est trop grande pour la pression disponible
La sous-compression est une raison fréquente pour laquelle un pad thermique à haute conductivité thermique (haut W/mK) donne de mauvais résultats dans les appareils réels.
Que se passe-t-il avec trop de compression ?
Une compression excessive peut améliorer le contact à court terme, mais elle engendre des risques mécaniques et de fiabilité.
Symptômes d'une surcompression
Les signes possibles comprennent :
- Pliage de circuits imprimés
- Fissuration de composant
- Contrainte de joint de brasage
- Déformation du carter
- Extrusion de tampon
- Arrachement de pad
- Force d'assemblage excessive
- Contrainte de vis ou de pince
- Espacement diélectrique réduit
- Déformation rémanente après vieillissement
Une surcompression peut s'avérer particulièrement dangereuse lorsque le coussin est épais, rigide ou placé sur des composants fragiles.
Pourquoi la surcompression se produit
La surcompression se produit généralement lorsque :
- Le tampon est trop épais pour l'espace minimum
- L'accumulation des tolérances n'a pas été prise en compte
- Le couple de serrage de la vis est trop élevé
- La dureté du patin est trop élevée
- Les butées mécaniques sont manquantes
- L'assemblage essaie d'utiliser le patin comme entretoise structurelle
Le résultat peut paraître acceptable au premier abord, mais la fiabilité à long terme peut en pâtir.
Taux de compression et tolérance d'écart
Les ingénieurs doivent calculer le taux de compression dans trois conditions de jeu :
- Écart minimum
- Écart nominal
- Écart maximal
Le même tampon peut être sur-comprimé au jeu minimum et sous-comprimé au jeu maximum.
Exemple de calcul
Supposons que :
- Épaisseur du tampon : 2,0 mm
- Écart minimum : 1,3 mm
- Écart nominal : 1,5 mm
- Écart maximal : 1,8 mm
| Condition de l'écart | Épaisseur finale | Taux de compression | Risque |
| Écart minimum | 1,3 mm | 35% | Risque de surcompression |
| Écart nominal | 1,5 mm | 25% | Probablement acceptable si recommandé |
| Écart maximal | 1,8 mm | 10% | Peut-être faible selon le tampon |
Ce tableau montre pourquoi le choix d'un coussinet basé uniquement sur l'écart nominal peut être risqué. Le coussinet doit fonctionner sur toute la plage de tolérance.
Le guide de HakTak Comment choisir l'épaisseur du pad thermique pour l'électronique donne une méthode pratique de sélection de l'épaisseur basée sur la plage de jeu et la compression.
Taux de compression et épaisseur de la ligne de liaison
L'épaisseur du cordon de joint (BLT) correspond à l'épaisseur finale comprimée du coussin thermique. Elle affecte directement la résistance thermique.
Pour un chemin thermique simplifié :
R = t / (k × A)
Où :
- R est la résistance thermique
- t est l'épaisseur finale de la ligne de liaison
- k est la conductivité thermique
- A est la zone de contact
À mesure que la compression augmente, l'épaisseur finale diminue. Cela peut réduire la résistance thermique globale. Mais la compression doit également améliorer le contact et éviter tout dommage.
La meilleure performance thermique provient d'un pad qui est suffisamment comprimé pour assurer un contact total et assez fin pour réduire la résistance, tout en restant mécaniquement sûr.
L'article de HakTak Comment l'épaisseur du joint de colle affecte la performance thermique explique pourquoi le BLT est l'une des variables les plus importantes dans la sélection du TIM.
Rapport de compression et impédance thermique
L'impédance thermique est souvent plus utile que la conductivité thermique pour évaluer les performances d'un pad thermique. Elle reflète l'interface réelle sous une pression et une épaisseur définies.
À mesure que la compression augmente, l'impédance thermique diminue souvent pour les raisons suivantes :
- La zone de contact s'améliore
- Les entrefairts sont réduits
- L'épaisseur finale diminue
- Le mouillage de la surface s'améliore
Cependant, une fois qu'un bon contact est établi, une compression supplémentaire ne peut apporter qu'un faible bénéfice thermique tout en augmentant le risque mécanique.
Cela crée un objectif d'ingénierie pratique :
Utilisez une compression suffisante pour atteindre une impédance thermique basse et stable, mais évitez une compression excessive qui n'améliore pas significativement le refroidissement.
ASTM D5470 est couramment référencé pour les propriétés de transmission thermique des matériaux d'isolation électrique thermiquement conducteurs et est pertinent pour les tests d'impédance thermique et de conductivité apparente des TIM.
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.
Taux de compression et dureté du pad thermique
La dureté du coussin thermique affecte fortement la force de compression requise pour atteindre un certain taux de compression.
Un coussin souple peut atteindre 20% de compression sous une faible pression. Un coussin plus dur peut nécessiter une force beaucoup plus élevée pour atteindre la même compression.
La dureté est généralement mesurée à l'aide d'un duromètre ou des échelles Shore. ASTM D2240 est une référence clé pour la dureté au duromètre des propriétés du caoutchouc. La norme explique que la dureté par indentation dépend du comportement du matériau et des conditions d'essai, et que les différents types de duromètres ne doivent pas être considérés comme directement interchangeables.
Pads thermiques souples
Les coussinets 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 existe plusieurs hauteurs de composants
Les coussinets souples peuvent atteindre une compression suffisante plus facilement, mais ils peuvent aussi être plus difficiles à manipuler ou plus susceptibles de se déformer.
Pads thermiques durs
Les patins plus durs sont utiles lorsque :
- La tolérance aux vides est contrôlée
- La pression d'assemblage est disponible
- La manipulation des produits découpés à l'emporte-pièce a toute son importance
- La stabilité dimensionnelle est importante
- La reprise doit être plus propre
Les patins durs peuvent bien fonctionner, mais seulement si l'assemblage peut les comprimer suffisamment pour établir un contact complet.
L'article de HakTak Pads thermiques souples ou durs : lequel est le meilleur ? donne une comparaison plus complète.
Taux de compression et isolation électrique
De nombreux coussinets thermiques sont électriquement isolants. En électronique de puissance, le coussinet peut être amené à évacuer la chaleur tout en empêchant le passage du courant entre un composant et un dissipateur thermique métallique ou un boîtier.
La compression modifie l'épaisseur finale, et l'épaisseur finale affecte l'espacement diélectrique.
Si un tampon est trop comprimé, l'épaisseur finale peut être inférieure à prévu. Cela peut réduire la marge d'isolation électrique. Si le tampon n'est pas assez comprimé, le contact thermique risque d'être mauvais.
Les ingénieurs doivent vérifier :
- Rigidité diélectrique
- Tension de claquage
- Épaisseur finale comprimée
- Compression après vieillissement
- Tests électriques après assemblage
- Essais électriques après cyclage thermique
L'article de HakTak Paddings thermiques isolants électriques : Quand en avez-vous besoin ? explique ce compromis thermo-électrique.
Quelle quantité de compression est suffisante par application ?
Le tableau ci-dessous fournit des conseils pratiques. Il ne s'agit pas d'une spécification universelle. Les valeurs finales doivent respecter les recommandations du fournisseur et les tests des produits.
| Application | Problème de conception typique | Logique de cible de compression |
| Modules de puissance | Transfert thermique plus isolation | Contact suffisant sans réduire la marge diélectrique |
| MOSFET et IGBT | Contrainte des composants et isolation du dissipateur thermique | Compression modérée avec couple contrôlé |
| Modules LED | Contact uniforme et longue durée de vie | Compression uniforme sur tout le module |
| Équipement de télécommunication | Cyclage thermique à long terme | Compression qui reste stable après vieillissement |
| Électronique des véhicules électriques | Vibration et haute tension | Valider après cyclage et choc |
| Serveurs d'IA | Flux thermique élevé et maintenabilité | Faible impédance avec assemblage répétable |
| Systèmes de gestion de batterie | Hauteurs de composants multiples | Un coussinet plus souple ou un matériau de comblement peut être nécessaire |
| Commandes industrielles | Boîtiers variables et longue durée de vie | Compression stable sur toute la plage de tolérance |
Comment calculer le taux de compression d'un coussin thermique
Utilisez ce flux de travail.
Étape 1 : Mesurer l'écart
Mesurer ou calculer :
- Écart minimum
- Écart nominal
- Écart maximal
Inclure les tolérances des composants, du circuit imprimé, de la soudure, du boîtier et du dissipateur thermique.
Étape 2 : Choisir l'épaisseur du patin candidat
Le tampon doit être suffisamment épais pour entrer en contact avec les deux surfaces au niveau de l'écart maximal.
Étape 3 : Calculer la compression à chaque intervalle
Utiliser :
Taux de compression = (bloc-notes épaisseur – intervalle) / épaisseur du coussinet × 100%
Cela suppose que l'écart devient l'épaisseur finale du pad après l'assemblage.
Étape 4 : Comparer avec la plage recommandée
Vérifiez si la compression est acceptable sur :
- Écart minimum
- Écart nominal
- Écart maximal
Étape 5 : Vérifier la force et la contrainte
Un tampon peut convenir mathématiquement, mais exiger tout de même une force excessive. Examinez les données de compression-déflexion et testez l'ensemble.
Étape 6 : Valider les performances thermiques et mécaniques
Mesurer la température des composants, l'impédance thermique, la déformation de la carte et la fiabilité après cyclage.
Exemple : Choisir entre deux épaisseurs de coussinet
Supposons que :
- Plage d'écartement : 1,1 mm à 1,5 mm
- Candidat A : coussinet de 1,5 mm
- Candidat B : plot de 2,0 mm
| Candidat | Compression à un intervalle de 1,1 mm | Compression à un intervalle de 1,5 mm | Interprétation |
| coussin de 1,5 mm | 27% | 0% | Bon à l'écart minimal, pas de compression à l'écart maximal |
| coussinet de 2,0 mm | 45% | 25% | Bon au jeu maximal, sur-compression possible au jeu minimal |
Aucune option n'est automatiquement parfaite. Un coussinet souple de 2,0 mm peut convenir si l'assemblage tolère une compression de 45%. Un coussinet de 1,5 mm peut échouer au niveau de l'écart maximal. Une autre épaisseur, une formulation plus souple ou un mastic thermique peut s'avérer préférable.
C'est pourquoi le taux de compression doit être évalué en fonction de la force, de la dureté et de la tolérance.
Déformation rémanente après compression et performance à long terme
La déformation rémanente après compression est la déformation permanente qui subsiste après qu'un matériau a été comprimé pendant une période donnée puis relâché. Pour les interfaces thermiques, la déformation rémanente après compression importe car l'interface doit maintenir le contact pendant toute la durée de vie du produit.
Une rémanence élevée à la compression peut entraîner :
- Perte de récupération
- Pression de contact réduite
- Résistance thermique plus élevée
- Mauvais comportement de reprise
- Points chauds de longue durée
Le cyclage thermique et les températures élevées peuvent accélérer la déformation rémanente à la compression. Un coussinet qui fonctionne bien lors de l'assemblage initial peut perdre le contact après des mois ou des années si sa reprise élastique est médiocre.
Les ingénieurs doivent tester la performance thermique après :
- Vieillissement à haute température
- Cyclage thermique
- Vibration
- Mise hors et sous tension
- Compression à long terme
- Retravailler
Test du taux de compression du pad thermique
Le taux de compression doit être testé dans des conditions d'assemblage réalistes.
Les tests utiles comprennent :
- Essai de compression-déflexion
- Test d'impédance thermique à différentes pressions
- Mesure finale de l'épaisseur du cordon de colle
- Test de température des composants
- Essai de déformation rémanente après compression
- Essai diélectrique après compression
- Cyclage thermique
- Essai de vibration
Pour des tests plus larges de conductivité et de diffusivité thermiques des matériaux polymères, ISO 22007-2 traite la méthode de la source de chaleur plane transitoire.
Pour la sélection des TIM, les ingénieurs ne doivent pas comparer les valeurs de conductivité thermique sans connaître la pression et l'épaisseur. Les conditions de test comptent.
Les erreurs courantes que les ingénieurs doivent éviter
La première erreur consiste à utiliser un pourcentage de compression fixe pour chaque coussin. Des matériaux différents nécessitent des plages différentes.
La deuxième erreur consiste à calculer la compression uniquement au jeu nominal. Les conditions de jeu minimal et maximal sont souvent celles où des pannes se produisent.
La troisième erreur est de choisir un coussin thermique trop épais “ juste par sécurité ”. Cela peut augmenter la résistance thermique et soumettre l'assemblage à des contraintes.
La quatrième erreur est d'ignorer la dureté du tampon. Un tampon dur peut ne pas se comprimer suffisamment sous une pression réelle.
La cinquième erreur est d'ignorer la marge diélectrique après la compression. L'épaisseur finale compte pour l'isolation électrique.
La sixième erreur consiste à ne tester que les performances initiales. La déformation rémanente après compression et le vieillissement peuvent modifier le contact thermique à long terme.
La septième erreur est de comparer les W/mK sans l'impédance thermique. Un pad à haut W/mK peut avoir de mauvaises performances s'il est sous-compressé ou trop épais.
Perspective HakTak
Chez HakTak, le taux de compression des coussinets thermiques est traité comme une variable de conception, et non comme une règle fixe. La plage de compression correcte dépend du matériau du coussinet et de l'assemblage final.
Pour une sélection précise des matériaux, les ingénieurs doivent fournir :
- Plage d'écart originale
- Jeu minimal, nominal et maximal
- Zone de contact
- Puissance de la source de chaleur
- Impédance thermique requise ou cible de température
- Pression disponible ou couple de serrage
- Fragilité des composants
- Rigidité du circuit imprimé
- Besoins en isolation électrique
- Plage de températures de fonctionnement
- Conditions de cyclage thermique et de vibrations
- Attentes concernant la durée de vie des produits
Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander plus précisément l'épaisseur, la dureté, la classe de conductivité, la plage de compression et le type de matériau du coussin.
L'objectif n'est pas une compression maximale. L'objectif est un contact stable, une faible résistance thermique, une charge mécanique sûre et des performances fiables à long terme.
Conclusion
Le taux de compression du coussin thermique est suffisant lorsque le coussin remplit complètement l'espace et établit un contact fiable sans surcharger la conception mécanique ou électrique.
Une compression insuffisante laisse des poches d'air et augmente la résistance thermique. Une compression excessive peut endommager les composants, courber les circuits imprimés, déformer les boîtiers, réduire la marge diélectrique ou provoquer une déformation rémanente à long terme.
Les ingénieurs doivent calculer la compression dans des conditions d'intervalle minimal, nominal et maximal. Ils doivent ensuite valider le matériau en utilisant une pression réaliste, l'épaisseur finale du joint de collage, l'impédance thermique, les exigences diélectriques et des tests de fiabilité.
Il n'y a pas de pourcentage de compression universel pour chaque coussin thermique. Le bon taux de compression est celui qui fonctionne de manière sûre et reproductible dans le produit final.
Foire aux questions
Quel est le taux de compression d'un pad thermique ?
Le taux de compression d'un coussin thermique est le pourcentage de réduction de l'épaisseur du coussin après l'assemblage entre une source de chaleur et une surface de refroidissement.
Comment calcule-t-on le taux de compression d'un pad thermique ?
Utilisez la formule : taux de compression = (épaisseur initiale du patin – épaisseur comprimée) / épaisseur initiale du patin × 100%.
Quelle quantité de compression de coussin thermique est suffisante ?
Une compression suffisante signifie que le coussinet entre entièrement en contact avec les deux surfaces et réduit la résistance de contact sans provoquer de contrainte mécanique excessive.
Une plus grande compression du pad thermique est-elle toujours préférable ?
Non. Une compression supplémentaire peut améliorer le contact, mais une compression excessive peut plier les circuits imprimés, fissurer les composants, déformer les boîtiers ou réduire l'espacement diélectrique.
Que se passe-t-il si un pad thermique n'est pas assez compressé ?
Le tampon peut laisser des entrefers, augmentant la résistance de contact et la température des composants.
Que se passe-t-il si un pad thermique est trop comprimé ?
Une surcompression peut provoquer des contraintes mécaniques, une extrusion des garnitures, une déformation rémanente sous compression et une réduction de la marge d'isolation électrique.
La dureté du coussin thermique affecte-t-elle le taux de compression ?
Oui. Les tampons plus souples se compressent plus facilement, tandis que les tampons plus durs nécessitent plus de force pour atteindre le même taux de compression.
La compression doit-elle être calculée uniquement à l'entrefer nominal ?
Non. Les ingénieurs doivent calculer la compression dans des conditions d'écart minimal, nominal et maximal.
La compression affecte-t-elle l'impédance thermique ?
Oui. Une compression adéquate réduit généralement l'impédance thermique en améliorant le contact et en réduisant l'épaisseur de la ligne de collage.
Quelles données dois-je fournir pour sélectionner le bon taux de compression ?
Fournir la plage d'intervalle, l'épaisseur cible du coussin, la zone de contact, la limite de pression, la charge thermique, la fragilité des composants, les exigences d'isolation électrique et les conditions de fiabilité.
