Coussinets thermiques pour l'électronique automobile : ce qui compte le plus

Le choix d'un dissipateur thermique pour l'électronique automobile ne doit pas se faire uniquement en se basant sur la valeur la plus élevée en W/mK indiquée dans la fiche technique. Cette valeur a bien sûr son importance, mais elle ne fait pas tout.

L'assemblage vient en premier. Où le module est-il monté ? Qu'est-ce qui génère de la chaleur ? Où cette chaleur peut-elle s'échapper ? Quelle est la largeur réelle de l'espace une fois toutes les tolérances cumulées ? Quelle pression le circuit imprimé, les soudures, le condensateur céramique, la cellule de batterie ou le boîtier peuvent-ils supporter en toute sécurité ? Vient ensuite la question à long terme : que se passe-t-il après des années d’exposition à la chaleur, au froid, aux vibrations, à l’humidité et aux éclaboussures occasionnelles de substances indésirables ?

Ce dernier point change tout. Un condensateur qui fonctionne correctement dans un bloc d'alimentation de PC peut ne pas se comporter de la même manière à côté d'un onduleur de véhicule électrique, derrière un phare ou à l'intérieur d'un calculateur situé sous le capot. Une voiture n'est pas un laboratoire au calme. Elle vibre, gèle, chauffe, est exposée à l'humidité et reste au soleil. Parfois, tout cela en l'espace d'une même semaine.

Alors, qu’est-ce qui importe le plus ? En résumé, le meilleur intercalaire thermique automobile est celui qui maintient une impédance thermique faible et prévisible dans l’ensemble assemblé sous contrainte, tout en répondant aux exigences mécaniques, électriques, environnementales et de fabrication tout au long de la durée de vie du véhicule. Une conductivité élevée est un atout. C’est la stabilité du contact qui en fait un élément utile.

Pourquoi l'électronique automobile nécessite une nouvelle approche en matière de pastilles thermiques

Les véhicules modernes comportent bien plus que quelques boîtiers de commande. Un véhicule électrique peut comporter un onduleur de traction, un chargeur embarqué, un convertisseur CC-CC, un système de gestion de batterie, un entraînement de compresseur électrique, un contrôleur de gestion thermique, un ordinateur ADAS, une unité de connectivité, des contrôleurs de zone, des pilotes d'éclairage et des dizaines de capteurs. Même un véhicule à moteur à combustion interne intègre désormais un réseau dense de composants électroniques de puissance et de calcul.

Les sources de chaleur sont également différentes. Un petit calculateur de caméra peut avoir besoin de dissiper quelques watts dans son boîtier en aluminium. Un onduleur haute tension doit gérer les pertes de commutation et de conduction provenant des modules de puissance. Un chargeur embarqué peut fonctionner pendant des heures à l'intérieur d'un boîtier hermétique. Un contrôleur de domaine ADAS peut comporter un processeur, de la mémoire, des circuits intégrés de gestion de puissance (PMIC) et des interfaces haut débit, qui génèrent tous de la chaleur à différents endroits d’une même carte.

Dans chaque cas, le tampon thermique remplit une fonction qui semble simple : il remplace l'air isolant et crée un chemin thermique entre le composant et un dissipateur de chaleur, un boîtier, un dissipateur thermique ou une plaque froide. Pour avoir une vision plus globale des TIM, HakTak’s Guide sur les matériaux d'interface thermique explique comment les coussinets s'intègrent aux graisses, aux gels, aux matériaux à changement de phase et à d'autres options d'interface.

La particularité du secteur automobile réside dans le fait que le transfert thermique est indissociable de la fiabilité. Le patin peut également devoir :

• absorber les variations d'épaisseur sans déformer le circuit imprimé ;
• isoler électriquement un appareil sous tension d'un boîtier mis à la terre ;
• résister à des milliers de cycles de chaleur-froid ;
• maintenir le contact en cas de vibrations et de chocs mécaniques ;
• résister à l'humidité, au liquide de refroidissement, à l'huile, aux vapeurs de carburant ou aux produits chimiques de nettoyage ;
• éviter de contaminer les surfaces optiques ou les contacts électriques ;
• permettre le placement automatisé et une traçabilité complète ;
• restent en état de marche, ou deviennent délibérément hors d'état de marche.

Considérez le coussin comme un pont fait d'un matériau souple. Il doit faire passer la chaleur par-delà un espace, mais sans exercer une pression trop forte qui risquerait de fissurer la chaussée à ses deux extrémités. Et ce pont ne doit pas s'affaisser progressivement au bout de quelques étés.

Où utilise-t-on les coussinets thermiques dans les voitures et les véhicules électriques ?

Il est rare qu'un seul matériau convienne à tous les emplacements. La zone de montage, la tension, le flux thermique, la pression disponible et les conditions d'exposition déterminent l'ordre de priorité.

Coussinets thermiques dans les onduleurs de véhicules électriques et l'électronique de puissance haute tension

Un onduleur de traction présente souvent deux problèmes d'interface très différents. Le module de puissance lui-même peut utiliser un TIM (matériau de transfert thermique) fin et rigoureusement contrôlé entre sa plaque de base et une surface refroidie par liquide. Ailleurs dans le même boîtier, des cales d'espacement souples peuvent coupler les composants de commande de grille, les condensateurs, les inductances ou les points chauds de la carte de commande au boîtier.

Ces applications ne sont pas interchangeables. L'interface fine du module d'alimentation nécessite une épaisseur de ligne de soudure très faible et une planéité contrôlée. Un « gap pad » s'avère plus utile en cas de variation de hauteur ou de présence d'un espace intentionnel. Lorsque l'interface doit également offrir une résistance à la perforation et une stabilité dimensionnelle, la solution HakTak tissu en silicone thermique renforcé montre en quoi un isolateur monté sur support diffère d'un coussin d'écartement très souple.

La haute tension soulève une autre question : le TIM fait-il partie du système d'isolation, ou n'a-t-il qu'une utilité thermique ? Si l'isolation électrique dépend du tampon, la rigidité diélectrique nominale n'est pas suffisante. La conception doit tenir compte de l'épaisseur minimale après compression, de la qualité des bords de coupe, de la propreté, des distances de fuite et d'isolement, du vieillissement, ainsi que des essais de vérification lorsque cela est nécessaire.

Pastilles thermiques pour batteries et composants électroniques BMS

Un bloc-batterie peut comporter un matériau thermique souple entre les cellules ou les modules et une plaque de refroidissement. Ce même bloc peut également comporter des coussinets découpés plus petits autour du BMS, des contacteurs, des capteurs de courant, des composants d'équilibrage et des composants électroniques situés à proximité des barres omnibus.

Les interfaces de batterie de grande surface sont particulièrement sensibles à la répartition des forces. Un plot légèrement trop rigide peut générer une charge totale étonnamment importante lorsqu’elle est multipliée sur une grande surface. C’est l’effet « raquette à neige » à l’envers : une pression modérée exercée sur une très grande surface se transforme en une force considérable.

Pour les cartes BMS, la réduction des contraintes d'assemblage, l'isolation électrique et la stabilité des contacts priment généralement sur la conductivité pure et simple. Les spécifications détaillées de HakTak Guide des coussinets thermiques BMS examine ces problèmes liés aux chemins thermiques au niveau de la carte et à la tolérance des écarts.

Coussins thermiques pour modules ADAS, caméras, radars et LiDAR

Les modules ADAS intègrent une puissance de calcul considérable dans de petits boîtiers hermétiques. Le processeur peut dégager beaucoup de chaleur, tandis que les composants situés à proximité (capteur d'image, RF, horloge ou composants optiques) sont sensibles à la contamination et à la stabilité dimensionnelle. Un coussin en silicone souple peut s'avérer efficace, mais les siloxanes de faible poids moléculaire peuvent s'avérer inacceptables dans certaines conceptions optiques ou sensibles au contact.

Cela ne signifie pas pour autant que chaque module ADAS doive être équipé d'un tampon sans silicone. Cela signifie simplement que les exigences en matière de propreté doivent être définies par écrit avant le choix des matériaux. Sinon, l'équipe s'en rend compte trop tard, généralement à un moment où changer de matériau revient cher. Un tampon en acrylique sans silicone ou en autre polymère peut réduire un risque de contamination tout en introduisant d'autres compromis en termes de souplesse, de plage de température, d'adhérence ou de déformation rémanente après compression.

Coussinets thermiques pour phares à LED et éclairage extérieur

Les LED automobiles sont efficaces, mais la chaleur dégagée se concentre sur une petite surface. La température de jonction influe sur le rendement, la stabilité de la couleur et la durée de vie. Un TIM permet de relier la carte LED ou le module de commande à un dissipateur thermique en aluminium, mais la pureté optique reste ici également un facteur important.

L'interface doit être suffisamment fine pour limiter la résistance, suffisamment souple pour s'adapter à la planéité et stable lors de cycles répétés de mise sous tension et hors tension. Un tampon adhésif peut simplifier l'assemblage. Cependant, la couche adhésive ajoute sa propre résistance et nécessite une validation de vieillissement. Pratique, oui. Performances optimales, non.

Comment un coussin thermique automobile dissipe réellement la chaleur

Aucune surface usinée ou moulée n'est parfaitement lisse. Lorsque deux surfaces sont mises en contact, leurs crêtes microscopiques se touchent tandis que leurs creux retiennent de l'air. L'air étant un mauvais conducteur thermique, ces minuscules poches agissent comme de petites vestes d'hiver autour de la partie chaude.

Un tampon d'interface thermique épouse la surface et remplace une grande partie de cet air par un matériau contenant des charges thermoconductrices. Parmi les charges couramment utilisées, on trouve l'alumine, le nitrure de bore, le nitrure d'aluminium et d'autres particules céramiques. Le liant polymère assure la cohésion du système et lui confère souplesse, capacité de reprise de forme, adhérence et comportement en milieu ambiant.

Pour un trajet unidimensionnel simplifié, la résistance du matériau en vrac s'exprime comme suit :

R = t / (k × A)

où R représente la résistance thermique, t l'épaisseur après compression, k la conductivité thermique et A la surface de contact.

Une équation utile. Un modèle incomplet.

Les interfaces réelles comportent également une résistance de contact au niveau des deux surfaces. La pression, la rugosité, la planéité, la structure de la résine de remplissage, l'adhérence et l'imprégnation influencent ces contacts. C'est pourquoi un tampon souple de 3 W/mK peut parfois s'avérer plus performant qu'un tampon rigide de 6 W/mK dans le module réel. Le tampon plus souple peut permettre d'obtenir une ligne de collage plus fine et d'assurer un meilleur contact sous la charge appliquée.

Le courant ASTM D5470 La fiche technique établit très clairement cette distinction : la méthode mesure l'impédance thermique en régime permanent et permet de calculer la conductivité thermique apparente, mais ses conditions idéalisées de flux thermique ne reflètent pas directement toutes les applications. En d'autres termes, les données de laboratoire sont utiles. C'est toutefois l'assemblage du véhicule qui a le dernier mot.

La conductivité thermique n'est pas synonyme de performances de refroidissement

La conductivité thermique, exprimée en W/mK, décrit une propriété d'un matériau dans des conditions d'essai données. L'impédance thermique décrit la résistance à travers une interface pour une épaisseur, une pression et une température données, et souvent selon une convention relative à la surface de contact. La température du dispositif est le résultat qui intéresse réellement l'équipe chargée du système.

Ces trois notions sont liées, mais elles ne sont pas synonymes.

Supposons que le coussin A ait une conductivité thermique de 6 W/mK et une épaisseur finale de 1,5 mm dans l'ensemble. Le coussin B a une conductivité thermique de 3 W/mK, mais une épaisseur finale de 0,6 mm et assure un meilleur contact avec la surface. En négligeant la résistance de contact et en considérant une surface égale, leurs termes t/k simplifiés sont les suivants :

• Carte A : 1,5 / 6 = 0,25
• Bloc B : 0,6 / 3 = 0,20

Le panneau B peut présenter une résistance thermique globale inférieure, même si sa valeur W/mK est deux fois moins élevée. Il ne s'agit là que d'un exemple de calcul, et non d'un résultat universel, mais cela montre pourquoi la valeur la plus élevée indiquée dans la fiche technique peut être trompeuse. Nous expliquons cette question plus en détail dans Pourquoi une valeur W/mK élevée ne garantit pas toujours un meilleur refroidissement.

Dans le cadre d'un programme automobile, les fournisseurs doivent indiquer l'impédance thermique à des pressions proches des conditions réelles d'assemblage. L'équipe de conception doit également vérifier comment l'épaisseur a été mesurée, s'il s'agit d'une valeur typique ou garantie, quelle était l'épaisseur de l'échantillon testé, et si le vieillissement modifie le résultat. Si deux fiches techniques utilisent des méthodes différentes, la comparaison des chiffres en gras ne permet pas de comparer ce qui est comparable. Honnêtement, cela revient peut-être même à comparer des pommes et d'autres fruits.

Choix de l'épaisseur d'un coussin thermique automobile en fonction de l'écart réel

L'épaisseur du tampon doit être déterminée à partir de la somme des tolérances mécaniques, et non à partir d'une mesure rapide effectuée sur un seul échantillon de référence.

L'ensemble peut inclure la hauteur des composants, l'épaisseur de la soudure, l'épaisseur et la déformation du circuit imprimé, la planéité du boîtier, la tolérance d'usinage, la compression du joint, le couple de serrage des vis, les variations de moulage et la dilatation thermique. La conception doit tenir compte de l'écart de fonctionnement minimal, nominal et maximal. Ce n'est qu'ainsi que les ingénieurs peuvent vérifier si un plot reste dans une plage de compression sûre pour ces trois valeurs.

Notre méthode de sélection de l'épaisseur d'un tampon thermique explique cette procédure étape par étape. En résumé, c’est simple : il faut utiliser la plaquette la plus fine qui assure un contact fiable entre les deux surfaces lorsque l’écart est maximal, sans pour autant exercer une force inacceptable lorsque l’écart est minimal.

Un exemple simple de décalage et de compression

Supposons qu'un module de commande présente les écarts suivants, calculés comme suit :

• écart minimal : 0,80 mm ;
• écart nominal : 1,00 mm ;
• écart maximal : 1,20 mm.

Une cale de 1,0 mm ne permet pas de combler de manière fiable l'écart maximal de 1,20 mm. Une pastille de 1,5 mm se comprimerait d'environ 47% pour l'écart minimal et de 20% pour l'écart maximal. La faisabilité de cette solution dépend de la plage recommandée pour le matériau et de sa courbe de force de compression. Une pastille souple de 1,5 mm peut être envisageable. Une pastille rigide risque de surcharger la carte.

C'est pourquoi une simple valeur nominale de compression ne reflète qu'une partie de la réalité.

Compression, dureté et force : le problème mécanique méconnu

La compression améliore l'adhérence et le contact. Une compression insuffisante peut laisser des vides. Une compression excessive peut faire sortir le tampon de son emplacement, déformer le circuit imprimé, déplacer les composants, exercer une contrainte sur les joints de soudure ou endommager les structures fragiles des batteries et des capteurs.

Les valeurs de dureté sont utiles, mais elles ne constituent pas un modèle complet de comportement en force. Les mesures Shore 00 ou Shore OO permettent de comparer la souplesse selon une méthode d'essai spécifique. Deux coussinets présentant une dureté similaire peuvent néanmoins afficher des courbes force-déformation différentes en raison de la teneur en charge, du renfort, de l'épaisseur, du comportement viscoélastique et de l'adhérence de surface.

Il convient donc de demander les données de compression-déformation pour l'épaisseur réelle. En multipliant la pression par la surface du patin, on obtient une estimation de la force totale exercée par l'ensemble. Cette étape permet d'écarter très tôt de nombreuses mauvaises idées. HakTak’s Guide sur le taux de compression des pastilles thermiques présente le calcul de base ainsi que les vérifications relatives à la sous-compression et à la surcompression.

La déformation rémanente après compression est importante une fois que la voiture a quitté l'usine

La compression initiale ne représente que la phase initiale. Sous l'effet de la chaleur et de la charge, un élastomère peut ne pas retrouver entièrement sa forme initiale. Cette perte d'épaisseur permanente est appelée « déformation rémanente après compression ». Si le boîtier, la carte et le tampon se dilatent à des vitesses différentes, l'interface peut se décharger pendant une partie du cycle thermique. Si ce phénomène se répète au fil des années, la pression de contact peut diminuer progressivement.

Dans le cas d'un calculateur soumis à des vibrations, la perte de précontrainte peut entraîner des contacts intermittents et l'apparition de points chauds locaux. Dans le cas d'une plaque de batterie de grande taille, un serrage non uniforme peut entraîner des variations de température entre les cellules ou les modules. Une analyse rigoureuse nécessite donc de disposer de données sur l'épaisseur après vieillissement, l'impédance thermique après vieillissement et la récupération, obtenues sous un profil représentatif de température et de compression, et non pas uniquement de valeurs mesurées à température ambiante.

Quels matériaux pour les pastilles thermiques sont les plus adaptés à l'électronique automobile ?

La plupart des cales d'étanchéité souples associent une matrice polymère à une charge céramique thermoconductrice. Il suffit de modifier le polymère, la charge, le renfort, le traitement de surface ou l'adhésif pour que leur comportement change. Il n'existe pas de “ matériau automobile ” unique. Il existe des matériaux qui, après validation, s'adaptent à un environnement automobile bien défini.

Coussinet thermiques en silicone : une solution pratique par défaut, mais pas la réponse toute faite

Les coussinets en silicone sont couramment utilisés car ils peuvent être souples, isolants électriquement, faciles à découper et disponibles dans une large gamme d'épaisseurs. Les charges céramiques augmentent la conductivité thermique sans rendre le coussinet conducteur d'électricité, contrairement à ce qui serait le cas avec un matériau chargé de métal.

Pour de nombreux calculateurs électroniques (ECU) et cartes de gestion de puissance, cet équilibre est difficile à égaler. Notre Page produit « coussin thermique en silicone » présente les paramètres de conception habituels : plage d'écart, dureté, compression, constante diélectrique cible, température et format.

Pour autant, le terme “ silicone ” désigne une famille de composés chimiques et ne constitue pas une garantie de performances. Les formulations diffèrent en termes de teneur en siloxanes de faible poids moléculaire, de suintement, de pertes par volatilisation, de résistance à la déchirure, de comportement au feu et de déformation rémanente après compression. Si un module comporte des surfaces optiques, des contacts exposés, des relais ou un procédé de revêtement sensible à la contamination, demandez les données de propreté pertinentes et testez l’ensemble complet.

Quand le fluorosilicone mérite d'être envisagé

Les modules situés sous le capot peuvent être exposés à des brouillards d'huile, des vapeurs de carburant, du liquide de refroidissement, du liquide lave-glace, des produits chimiques routiers, des produits nettoyants ou encore à un mélange hétéroclite qui ne figurait dans aucun cahier des charges initial. Le silicone standard résiste à de nombreux environnements, mais on envisage souvent le fluorosilicone lorsqu'une résistance accrue au carburant et à l'huile est requise.

Le mot-clé ici est « à prendre en compte ». Les tableaux de résistance chimique constituent un point de départ, et non une qualification définitive. La composition du fluide, la température, la durée d'exposition, les contraintes et les limites de gonflement sont autant de facteurs qui entrent en ligne de compte. HakTak’s Page consacrée aux coussinets thermiques en fluorosilicone énumère les informations relatives à l'exposition nécessaires avant de pouvoir recommander des échantillons.

Coussinets sans silicone pour modules optiques et modules sensibles au contact

Les coussinets thermiques sans silicone peuvent s'avérer utiles lorsque la contamination par les siloxanes ou la formation d'un voile optique constituent un risque avéré. Ils peuvent être composés d'acrylique ou d'autres systèmes polymères. Ces matériaux peuvent convenir parfaitement aux caméras, aux systèmes LiDAR, aux contacts à courant élevé, aux relais et aux assemblages sensibles aux revêtements.

Ne vous fiez pas uniquement à la mention “ sans silicone ”. Vérifiez le profil de volatilité réel, la méthode de dégazage, la propreté ionique le cas échéant, le vieillissement thermique, la déformation rémanente après compression et la compatibilité avec les adhésifs et revêtements environnants. L'élimination du silicone résout un problème, mais ne répond pas à toutes les questions relatives à la propreté.

Le graphite est un dissipateur thermique, et non une simple cale d'épaisseur prête à l'emploi

Les feuilles de graphite permettent de répartir la chaleur latéralement tout en conservant un profil très fin. Elles s’avèrent donc utiles lorsqu’il faut répartir un point chaud localisé sur un couvercle ou un châssis. Cependant, le graphite est souvent anisotrope : ses performances dans le plan peuvent être bien supérieures à celles hors du plan. Il peut également être conducteur d’électricité.

Le graphite doit être considéré comme un matériau destiné à la conception de circuits thermiques, et non comme un substitut à un tampon souple. Il peut être utilisé avec un tampon souple, un film adhésif ou un stratifié isolant. Le Guide de conception des coussinets thermiques en graphite explique pourquoi il faut commencer par définir l'orientation thermique et l'isolation des bords.

Quand un tampon n'est pas le meilleur matériau d'interface thermique (TIM)

Si l'interface est plane, solidement fixée et très fine, une graisse ou un matériau à changement de phase peut offrir une résistance moindre. Si les hauteurs des composants varient considérablement, un produit de remplissage liquide ou un mastic peut réduire la charge mécanique et combler les espaces complexes de manière plus fiable. Si les composants électroniques nécessitent à la fois une encapsulation et un transfert thermique, un composé d'encapsulation thermoconducteur peut s'avérer plus approprié.

Ce n’est pas un défaut des cales thermiques. Il s’agit simplement d’adapter l’outil à l’espace disponible. Une cale est idéale lorsque la production nécessite une pièce propre, contrôlée et préformée, et que l’interface doit présenter une certaine souplesse. Elle s’avère moins efficace lorsque la conception exige qu’elle recouvre un volume important et irrégulier sans exercer pratiquement aucune force.

Isolation électrique dans les systèmes électroniques des véhicules électriques et hybrides

La conductivité thermique et l'isolation électrique semblent être deux propriétés opposées, mais les pastilles en polymère chargées de céramique peuvent remplir ces deux fonctions. Le problème, c'est que les performances diélectriques ne dépendent pas uniquement de la valeur kV/mm.

Le contrôle électrique doit porter sur les points suivants :

• tension de claquage à l'épaisseur de compression spécifiée et minimale ;
• la rigidité diélectrique et la résistivité volumique selon la méthode indiquée ;
• si le résultat de l'essai correspond à une valeur typique, minimale ou de conception ;
• trous d'épingle, déchirures, bords coupés, bavures, particules et contamination liée à l'assemblage ;
• forme d'onde de tension, altitude, humidité et conditions transitoires ;
• la distance de fuite et la distance isolante autour du plot, et pas seulement à travers celui-ci ;
• vieillissement dû à la chaleur, à l'humidité, aux vibrations et à l'exposition à des produits chimiques.

Les Norme ISO 6469-3 relative à la sécurité électrique traite de la protection contre les chocs électriques et les incidents thermiques dans les circuits de propulsion de classe de tension B et les circuits auxiliaires associés. Elle ne certifie pas les coussinets thermiques. Elle contribue à définir le contexte de sécurité électrique au niveau du véhicule dans lequel le système d'isolation doit fonctionner.

De même, la certification AEC-Q100 d'un circuit intégré situé à proximité ne certifie pas pour autant le TIM qui l'entoure. Le Liste des documents du Conseil de l'électronique automobile décrit les critères de qualification des essais de résistance pour les circuits intégrés, les semi-conducteurs discrets, les modules multipuces et d'autres composants. Le tampon thermique doit faire l'objet d'une validation spécifique au niveau du matériau et de l'assemblage.

Pour une explication plus détaillée des notions de tension de claquage, de rigidité diélectrique et de marge pratique, consultez l'article de HakTak sur lorsqu'il est nécessaire d'utiliser des coussinets thermiques isolants sur le plan électrique.

La température, les vibrations, l'humidité et les fluides influencent la décision

Un tampon thermique automobile est rarement choisi en fonction d'une seule température. Les critères à prendre en compte comprennent la température de stockage, la température de fonctionnement, l'exposition à des pics de température de courte durée, le profil des cycles thermiques, la vitesse de montée en température, le temps de maintien et l'emplacement de montage.

La série de normes ISO 16750 actuelle s'articule autour des contraintes environnementales auxquelles sont soumis les équipements électriques et électroniques à des emplacements spécifiques du véhicule. ISO 16750-1:2023 fournit le cadre général, tandis que ISO 16750-4:2023 couvre les contraintes climatiques. Le plan d'essai précis dépend toujours du constructeur d'équipement d'origine (OEM), du fournisseur de premier rang (Tier 1), de la localisation du produit et des exigences du programme.

Les cycles thermiques peuvent transformer un léger décalage en point chaud

L'aluminium, le cuivre, le FR-4, les boîtiers en céramique, les boîtiers en plastique et les cales en élastomère se dilatent différemment. Au cours des cycles, l'interface subit un cisaillement et la force de serrage varie. Une cale peut subir un fluage, se déchirer près d'un bord tranchant ou perdre progressivement le contact à l'un de ses coins.

C'est pourquoi l'utilisation d'un film sensible à la pression, de repères de contrôle, de l'imagerie thermique ou d'une inspection par démontage peut s'avérer utile après une série de cycles. Un capteur de température placé à un seul endroit peut ne pas détecter un problème de contact situé ailleurs. Les pastilles de grande taille nécessitent plusieurs points de mesure.

Les essais de vibration portent à la fois sur le support et l'ensemble mécanique

Les vibrations ne se contentent pas de déloger la rondelle. Elles se répercutent à travers le boîtier, les fixations, les supports de carte, la masse des composants et les charges exercées par les câbles. Une rondelle souple peut apporter un effet d'amortissement, mais elle peut également permettre à un composant ou à une carte lourde de bouger si la conception mécanique s'appuie sur la rondelle comme support structurel.

Le support doit assurer la dissipation thermique et s'adapter aux mouvements. Il ne doit pas devenir, à son insu, le seul élément maintenant en place un inducteur de grande taille. Pour les équipements électroniques destinés à un usage intensif et tout-terrain, SAE J1455 constitue une autre référence utile en matière de pratiques environnementales, même si les spécifications des clients restent déterminantes.

L'humidité et l'exposition aux liquides nécessitent des mesures après exposition

Après une exposition à l'humidité, au sel, à l'huile, au liquide de refroidissement ou au carburant, une inspection visuelle ne suffit pas. Une plaquette peut sembler en bon état alors que sa dureté, son volume, ses propriétés diélectriques, son adhérence ou son contact thermique ont changé.

Les essais post-exposition doivent évaluer les paramètres sur lesquels repose la conception : variation de masse ou de dimensions, dureté, comportement à la compression, impédance thermique, performances diélectriques, adhérence, ainsi que la présence de fissures ou de gonflements visibles. Utilisez si possible le fluide de production réel. Un essai générique avec un “ liquide de refroidissement ” pourrait ne pas tenir compte des additifs présents dans le fluide utilisé dans le véhicule réel.

Normes automobiles que les ingénieurs confondent souvent

Les normes ne sont utiles que lorsqu'elles s'appliquent au bon objet. La distinction pratique est illustrée ci-dessous.

La classification des flammes mérite une attention particulière. La Explication de l'UL concernant les essais d'inflammabilité des plastiques distingue les classifications HB, V-2, V-1, V-0 et 5V, plus stricte. La classification UL 94 d'un fournisseur doit préciser le matériau et l'épaisseur testés. Une mention « V-0 » est utile, mais elle ne garantit pas que le module complet répondra à toutes les exigences en matière d'incendie.

La norme IATF 16949 revêt une importance similaire, mais son champ d’application est différent. Un système qualité certifié permet de maîtriser les processus, la traçabilité, la gestion du changement et les actions correctives. Il ne fournit toutefois aucune indication sur l’impédance thermique du tampon. Les équipes d’approvisionnement ont besoin à la fois de contrôles qualité efficaces et de preuves attestant que la conception choisie offre les performances requises dans l’application.

Pannes courantes des coussinets thermiques automobiles et leurs causes habituelles

Un mode de défaillance mérite une attention particulière : l'empilement de pastilles. Cela semble être un moyen rapide de combler un espace important, mais cela crée une interface supplémentaire, davantage de variations d'épaisseur et un risque de glissement entre les couches. Un seul plot d'épaisseur correcte offre généralement un résultat plus net et plus prévisible. Si l'espace est trop grand ou trop irrégulier pour un seul plot, il convient également d'envisager l'utilisation d'un matériau de remplissage dispensable plutôt que de créer un « sandwich » à couches souples.

Un processus pratique de sélection des coussinets thermiques pour les programmes automobiles

L'ordre suivant permet à l'équipe de rester concentrée sur le parcours thermique réel.

1. Définir la tâche thermique

Indiquez la source de chaleur, la température maximale admissible des composants ou des jonctions, la perte de puissance sur le cycle de fonctionnement, la surface de contact, la destination de la chaleur, les conditions du fluide de refroidissement ou de l'environnement, ainsi que le budget thermique alloué à l'interface. La puissance maximale en régime permanent peut ne pas refléter à elle seule le profil de la mission.

2. Définir l'ensemble des tolérances mécaniques

Calculez les jeux minimal, nominal et maximal sur toute la plage des températures de production et de fonctionnement. Tenez compte de la planéité du boîtier, du gauchissement de la carte, de la hauteur du boîtier, de la tolérance des éléments de fixation et de la dilatation thermique. Mesurez les prototypes à plusieurs endroits.

3. Définir la limite de force avant de choisir la dureté

Déterminez les limites de résistance du circuit imprimé, des soudures, du boîtier, de la cellule de batterie et du boîtier. Obtenez les courbes force-déformation pour les épaisseurs de pastilles envisagées. La force totale est égale à la pression multipliée par la surface ; ne négligez pas cette multiplication.

4. Définir les exigences électriques et environnementales

Notez la tension de service, les transitoires, le rôle de l'isolation, la marge diélectrique minimale, la résistance au feu, le profil de température, les vibrations, l'humidité et l'exposition aux fluides. Pour les applications sensibles aux produits chimiques, identifiez le fluide concerné en précisant son nom commercial et sa concentration.

5. Sélectionner les familles de matériaux

Utilisez du silicone pour combler des interstices larges et souples lorsque les contraintes en matière de contamination le permettent. Envisagez l'utilisation d'un matériau sans silicone pour les emplacements optiques ou sensibles au contact. Envisagez l'utilisation de fluorosilicone en cas d'exposition intense à l'huile ou au carburant. Comparez la graisse ou le PCM pour les joints fins et contrôlés, et un produit de remplissage liquide pour les interstices complexes et variables.

6. Comparer l'impédance dans des conditions de compression réalistes

Ne classez pas les échantillons uniquement en fonction de leur conductivité thermique (W/mK). Testez des échantillons de même surface à l'épaisseur, à la pression, à la température et avec les surfaces prévues. Notez la force d'adhérence de la ligne de jonction et la force totale.

7. Réalisation d'un prototype à partir de la géométrie de production

Utilisez la forme découpée réelle, l'adhésif, la pellicule de protection, les trous, les languettes et le processus de pose. Un coupon de laboratoire carré ne permet pas de détecter une déchirure au niveau d'un pont fin ni un mauvais positionnement à côté d'un connecteur.

8. Lancer le test de vieillissement environnemental sur l'ensemble de la pile

Les essais de cycles thermiques, de vibrations, d'humidité et d'exposition aux produits chimiques doivent porter sur le boîtier, les surfaces, les éléments de fixation et le système de précontrainte. Mesurer les températures et les propriétés critiques des matériaux avant et après ces essais.

9. Valider le cahier des charges et les contrôles des modifications

Définir la tolérance d'épaisseur, la plage de dureté ou de force-déformation, la méthode d'essai thermique, les exigences diélectriques, les dimensions, la propreté, le revêtement, l'aspect, le conditionnement, la durée de conservation, la traçabilité des lots et les attentes en matière de notification des modifications.

10. Élaborer un plan de contrôle à la réception des marchandises efficace

Le contrôle à la réception ne nécessite pas de répéter une qualification complète pour chaque lot. Il doit permettre de détecter toute dérive significative. L'épaisseur, les dimensions, les défauts visuels, la dureté ou une valeur définie de force de compression, ainsi que la traçabilité, constituent des contrôles courants. Des vérifications thermiques et diélectriques périodiques peuvent venir compléter les contrôles de routine.

Quelles données doivent figurer dans un appel d'offres concernant des coussinets thermiques pour l'automobile ?

Une demande vague concernant “ un joint automobile de 6 W/mK ” oblige le fournisseur à deviner. Un appel d'offres pertinent doit inclure :

• l'application et l'emplacement de montage sur le véhicule ;
• source de chaleur, profil de puissance et température cible ;
• le dissipateur thermique, la plaque froide ou le matériau du boîtier et le traitement de surface ;
• schéma des pastilles, zone de contact et zones à éviter ;
• écart minimal, nominal et maximal ;
• méthode de serrage disponible, couple et force maximale ;
• épaisseur à l'état d'alimentation et épaisseur de compression cible ;
• exigences relatives aux diélectriques, à la résistance au feu et aux systèmes d'isolation ;
• température de fonctionnement, de stockage et maximale ;
• profil de cycles thermiques, de vibrations, d'humidité et de chocs ;
• exposition à l'huile, au carburant, au liquide de refroidissement, aux produits de nettoyage et aux vapeurs ;
• les limites relatives à la teneur en silicone, au dégazage ou à la pureté ionique ;
• les besoins en matière d'adhésifs, de films de protection, de découpe à l'emporte-pièce, d'automatisation et d'emballage ;
• normes de validation, spécifications des équipementiers et format de rapport ;
• volume prévisionnel, calendrier d'échantillonnage, exigences en matière de PPAP et contrôle des modifications.

Ça a l'air d'être une longue liste. Elle reste toutefois plus courte qu'une enquête sur un incident.

Comment valider un coussin thermique destiné au secteur automobile

Une sélection préliminaire doit permettre de comparer l'impédance thermique, la force de compression, la stabilité dimensionnelle, les caractéristiques diélectriques et la compatibilité des matériaux. Les essais doivent ensuite passer rapidement à la phase d'assemblage proprement dite. Voici à quoi ressemble un processus de validation utile :

Les essais thermiques doivent préciser les conditions limites. Il convient de consigner la température ambiante ou celle du fluide de refroidissement, le débit, la puissance d'entrée, le cycle de service, l'emplacement des capteurs, le couple de serrage des vis, le lot de pastilles, l'épaisseur des pastilles et les critères de stabilisation. Sans cela, deux équipes peuvent réaliser le “ même ” essai et obtenir des résultats différents sans en comprendre la raison.

Ce qui compte le plus, en termes simples

Ce guide peut se résumer à cinq décisions concrètes :

1. Ajustement le véritable fossé. Utilisez toute la plage de tolérance, et pas uniquement la valeur nominale indiquée dans la CAO.
2. Maîtrisez la force. La souplesse, l'épaisseur, la surface et la compression déterminent les sensations procurées par l'ensemble.
3. Évaluez le trajet thermique en fonction de l'impédance. La valeur W/mK est un critère parmi d'autres, et non la note finale.
4. Isolation des murs et environnement, comme les biens immobiliers anciens. Vérifiez-les après avoir les soumis à des essais de compression, de cycles, de vibrations, d'humidité et d'exposition à des fluides.
5. Valider la pile de production. Des surfaces réelles, des fixations réelles, une géométrie de découpe réelle, un procédé réel.

HakTak préfère recevoir un croquis imparfait contenant des données honnêtes sur les espaces vides et l'environnement plutôt qu'un appel d'offres soigné articulé autour d'une seule valeur de conductivité. Le premier fournit des éléments utiles sur lesquels s'appuyer. Le second semble précis, mais laisse les questions importantes sans réponse.

Un tampon thermique automobile adapté est rarement, à lui seul, le matériau le plus impressionnant. C'est celui qui continue à combler l'espace, à évacuer la chaleur, à protéger le circuit et à se comporter de manière prévisible après que le véhicule a subi toutes sortes de conditions d'utilisation pendant des années : journées chaudes, démarrages à froid, routes accidentées, un peu de liquide de refroidissement là où on ne s'y attendait pas. Voilà le véritable critère de sélection.

Foire aux questions sur les pastilles thermiques destinées à l'électronique automobile

1. Qu'est-ce qu'un coussin thermique pour automobile ?

Un coussin thermique automobile est un matériau d'interface thermique souple utilisé pour transférer la chaleur entre un composant électronique et un boîtier, un dissipateur thermique, un répartiteur de chaleur ou une plaque froide dans un véhicule. Il peut également assurer une isolation électrique et un amortissement. Le terme « automobile » doit désigner des performances validées et des contrôles de qualité adaptés à un environnement automobile bien défini, et non pas simplement constituer un argument marketing.

2. Où utilise-t-on les pastilles thermiques dans les véhicules électriques ?

Parmi les emplacements courants, on peut citer les onduleurs de traction, les chargeurs embarqués, les convertisseurs CC-CC, les systèmes de gestion de batterie, les modules de batterie, les calculateurs ADAS, les caméras, les radars, les LiDAR, l'éclairage LED, les pompes et les contrôleurs de moteur. L'interface principale du module de puissance peut utiliser de la graisse ou un TIM à changement de phase à la place d'un coussin d'espacement épais lorsque les surfaces sont planes et solidement serrées.

3. Quelle est la conductivité thermique recommandée pour un coussin thermique destiné à l'automobile ?

Il n'existe pas de solution universelle optimale. Un tampon à conductivité modérée, doté d'une fine couche de liaison comprimée et d'un bon contact, peut offrir de meilleures performances qu'un tampon à conductivité plus élevée, mais trop épais ou trop rigide. Comparez l'impédance thermique à une pression réaliste, puis vérifiez la température des composants dans l'assemblage réel.

4. Quelle doit être l'épaisseur d'un coussin thermique destiné à un calculateur électronique (ECU) ?

Choisissez l'épaisseur parmi l'écart minimal, nominal et maximal après cumul des tolérances. Le patin non comprimé doit être en contact à l'écart maximal et ne doit pas exercer de force excessive à l'écart minimal. Le meilleur choix est généralement le patin le plus fin qui couvre en toute sécurité toute la plage.

5. Dans quelle mesure un coussin thermique automobile doit-il se comprimer ?

Utilisez les plages de valeurs et les données de force-déformation recommandées par le fournisseur du matériau. Il n'existe pas de pourcentage de sécurité universel pour tous les plots. Un matériau souple peut supporter un niveau de compression qui, s'il était appliqué à un plot plus rigide, entraînerait une surcharge du circuit imprimé. Vérifiez toutes les valeurs extrêmes d'écart et calculez la force totale sur toute la surface du plot.

6. Les pastilles thermiques sont-elles isolantes sur le plan électrique ?

De nombreux coussinets en silicone et en polymère chargés de céramique sont électriquement isolants, mais ce n'est pas le cas de tous les matériaux d'interface thermique (TIM). Les matériaux chargés de graphite ou de métal peuvent être conducteurs d'électricité. Si le coussinet fait partie d'un système d'isolation haute tension, il convient de vérifier son comportement en cas de claquage, son épaisseur minimale sous compression, sa géométrie de découpe, sa propreté, la distance de fuite, l'espace isolant et son vieillissement.

7. Peut-on utiliser des pastilles thermiques dans une batterie de véhicule électrique ?

Oui. Il est possible de raccorder des cellules ou des modules à une plaque de refroidissement afin de refroidir le BMS ou les composants électroniques situés à proximité des barres omnibus. Les interfaces de grande taille nécessitent une répartition minutieuse de la pression, car une faible pression exercée sur une grande surface génère une force totale élevée. Le gonflement des cellules et la durée de vie du pack doivent également être pris en compte dans l'analyse de l'empilement.

8. Le silicone est-il sans danger pour les composants électroniques automobiles ?

Les coussinets en silicone sont largement utilisés et peuvent offrir une stabilité thermique, une souplesse et une isolation intéressantes. Ils ne conviennent toutefois pas systématiquement à tous les modules. Les systèmes optiques, les relais, les contacts et les assemblages sensibles aux revêtements peuvent imposer des limites en matière de siloxanes ou de composés volatils. Il convient de réaliser des tests de propreté et de compatibilité spécifiques à chaque application.

9. Dans quels cas les ingénieurs doivent-ils utiliser un coussin thermique sans silicone ?

Envisagez l'utilisation d'un matériau sans silicone lorsque la migration de silicone, la formation d'un voile optique, la contamination par contact ou une contrainte liée au processus constituent un risque avéré. Comparez son impédance thermique, sa souplesse, sa déformation rémanente après compression, sa résistance thermique et son adhérence avec celles du silicone envisagé. La mention “ sans silicone ” constitue une exigence parmi d'autres, et non l'ensemble des spécifications.

10. Les pastilles thermiques en fluorosilicone sont-elles plus adaptées aux composants électroniques situés sous le capot ?

Ils offrent une meilleure résistance à de nombreuses huiles et carburants que le silicone standard, ce qui en fait des solutions adaptées aux environnements difficiles. Ils ne résistent toutefois pas à tous les fluides. Il convient de tester l'huile, le carburant, le liquide de refroidissement, le produit nettoyant ou la vapeur concernés à des conditions représentatives en termes de température, de durée et de pression.

11. Les pastilles thermiques destinées au secteur automobile doivent-elles être certifiées AEC-Q100 ?

Non. La norme AEC-Q100 s'applique aux circuits intégrés, et non aux pastilles thermiques. Une pastille thermique doit être validée à l'aide d'essais de matériaux appropriés, d'essais d'assemblage, des spécifications du client et de profils environnementaux. La qualification AEC d'un circuit intégré ne vaut pas pour le TIM qui l'entoure ni pour l'unité de contrôle électronique (ECU) dans son ensemble.

12. Un tampon thermique destiné à l'automobile doit-il être conforme à la norme UL 94 V-0 ?

Cela dépend de la nature du matériau, des spécifications du constructeur d'équipement d'origine (OEM) et des exigences de sécurité du produit. Si un indice V-0 est requis, vérifiez qu'il s'applique bien à la composition exacte du matériau et à l'épaisseur concernée. La norme UL 94 est une classification de l'inflammabilité des matériaux à petite échelle ; il ne s'agit pas d'une homologation complète en matière de sécurité incendie pour les véhicules.

13. Peut-on superposer deux pastilles thermiques dans un calculateur automobile ?

Il est généralement préférable d'utiliser un seul patin de taille adaptée. L'empilement ajoute une interface supplémentaire, une variation d'épaisseur et un plan de glissement potentiel. Si un seul patin ne suffit pas à combler l'écart, envisagez un modèle plus épais, une structure plus souple, de la pâte thermique ou un produit de comblement applicable par points, puis validez la nouvelle option.

14. Comment détecter une défaillance des pastilles thermiques après des essais de vibration ou de cycles thermiques ?

Vérifiez si l'appareil présente une élévation de température, des points chauds localisés, une perte de contact des témoins, une déchirure des pastilles, une extrusion, un décalage, une réduction de la précharge ou une modification du comportement diélectrique. Effectuez des mesures avant et après l'essai dans les mêmes conditions limites, puis inspectez l'interface sur toute sa surface.

15. Quelles informations faut-il transmettre à un fournisseur de pastilles thermiques dans le cadre d'un projet automobile ?

Veuillez nous communiquer la source de chaleur, la température cible, la surface de contact, la plage d'écart, la force admissible, le matériau du boîtier, la tension et les exigences en matière d'isolation, les températures de fonctionnement et de stockage, le profil de vibration et de cycles, l'exposition aux produits chimiques, le schéma du tampon, les exigences relatives à l'adhésif et au revêtement, le volume de production ainsi que le plan de qualification. Ces informations permettent de formuler une recommandation pertinente bien plus rapidement que si l'on se basait uniquement sur une valeur cible en W/mK.