Le mastic thermique est généralement préférable pour les espaces irréguliers, les hauteurs de composants variables et les assemblages complexes, car il s’adapte facilement à différentes surfaces sans nécessiter de choisir précisément son épaisseur. Les pads thermiques sont plus adaptés lorsque l’espace est prévisible, constant et contrôlé mécaniquement, notamment lorsque la manipulation propre, les formes prédécoupées et la reproductibilité de l’assemblage sont importantes.
En termes simples : choisissez le mastic thermique lorsque l’interface est irrégulière ou difficile à mesurer ; choisissez les pads thermiques lorsque l’espace est stable et que la reproductibilité est importante.
Les deux matériaux sont des matériaux d’interface thermique, mais ils répondent à des problèmes d’ingénierie différents. Comprendre cette différence peut réduire la résistance thermique, améliorer la fiabilité à long terme et éviter les problèmes courants d’assemblage tels qu’un mauvais contact, une compression excessive, l’effet de pompage ou le débordement du matériau.
Qu'est-ce qu'un matériau d'interface thermique ?
A matériau d'interface thermique, souvent appelé TIM, est utilisé entre une source de chaleur et un dissipateur thermique, un châssis, une plaque de refroidissement ou un boîtier. Il sert à combler les interstices d’air microscopiques et macroscopiques afin de permettre à la chaleur de circuler plus efficacement d’une surface à l’autre.
Même les surfaces métalliques usinées ne sont pas parfaitement planes. Au microscope, elles présentent de minuscules aspérités, creux et cavités. L’air emprisonné dans ces cavités a une très faible conductivité thermique, ce qui bloque le transfert de chaleur. Un TIM remplace l’air par un matériau thermoconducteur.
Les matériaux d'interface thermique courants comprennent :
- Pâte thermique
- Pâte thermique
- Pads thermiques
- Pâte thermique
- Gels thermiques
- Matériaux à changement de phase
- Adhésifs thermoconducteurs
- Matériaux de comblement d’interstices
Les pads thermiques et les mastics thermoconducteurs sont particulièrement importants lorsque l’interface n’est pas parfaitement plane ou que l’écart entre les composants et le dissipateur thermique est trop important pour être comblé par une graisse thermique.
Qu'est-ce que le mastic thermique ?
Pâte thermique est un matériau d’interface thermique souple, malléable et semblable à de l’argile, conçu pour combler les espaces entre les composants générant de la chaleur et les surfaces de refroidissement. Il est souvent utilisé lorsque la hauteur des composants varie ou lorsque la surface de contact n’est pas parfaitement plane.
Contrairement à la pâte thermique, qui est fluide et facile à étaler, le mastic thermique présente une consistance beaucoup plus épaisse. Il reste en place tout en épousant les surfaces sous l’effet de la pression. Contrairement à de nombreux matériaux réticulés, il reste généralement souple et peut être retravaillé.
Le mastic thermique est couramment utilisé dans les applications suivantes :
- Électronique de puissance
- Unités de commande automobile
- Systèmes de batteries et d’onduleurs pour véhicules électriques
- Équipement de télécommunication
- Électronique industrielle
- Électronique grand public avec une disposition irrégulière des composants
- Multi-component PCB assemblies
Son principal avantage réside dans son adaptabilité. Sous l’effet de la compression, le mastic thermique peut épouser les espaces irréguliers, compenser les variations de hauteur et maintenir le contact sur des géométries complexes.
Qu'est-ce qu'un coussin thermique ?
Un pad thermique est une feuille préformée de matériau thermoconducteur utilisée pour combler un espace entre un composant et un dissipateur thermique ou un boîtier. Les pads thermiques sont généralement fabriqués à partir de silicone ou de matériaux polymères chargés de particules thermoconductrices telles que la céramique, l’oxyde d’aluminium, le nitrure de bore ou d’autres charges.
Les pads thermiques sont proposés avec des épaisseurs, des niveaux de dureté et des classes de conductivité thermique contrôlés. Ils peuvent être découpés à l’emporte-pièce selon des formes personnalisées, pour un assemblage rapide et reproductible.
Les pads thermiques sont couramment utilisés dans les applications suivantes :
- CPUs et GPUs
- Modules mémoire
- Modules LED
- Alimentations électriques
- Systèmes de gestion de batterie
- Routeurs et équipements de télécommunication
- Électronique automobile
- Systèmes de contrôle industriel
Leur principal avantage est leur répétabilité. Un pad peut être découpé selon une forme et une épaisseur identiques à chaque fois, ce qui le rend adapté à la production en série.
Mastic thermique vs pad thermique : différence fondamentale
La principale différence réside dans la manière dont chaque matériau gère les variations de jeu.
Un pad thermique présente une épaisseur fixe. Il est plus efficace lorsque l’espace à combler est connu et constant. Si le pad est trop fin, le contact peut être incomplet. S’il est trop épais ou trop dur, il peut exercer des contraintes mécaniques excessives sur les composants.
Le mastic thermique, quant à lui, n’est pas tributaire d’une forme fixe. Il se déforme et s’adapte plus facilement. Il est donc particulièrement utile lorsque l’assemblage comprend des composants de différentes hauteurs ou que les tolérances de fabrication engendrent des jeux variables.
| Facteur | Pâte thermique | Pad thermique |
| Idéal pour | Jeux irréguliers ou variables | Écartements stables et maîtrisés |
| État physique | Matériau souple et malléable | Feuille préformée |
| Contrôle de l'épaisseur | Application selon le volume ou la forme | Épaisseur fixe |
| Conformabilité | Très élevé | Moyen à élevé |
| Retravaillabilité | Généralement bonne | Bonne, selon le tack et la compression |
| Propreté de l’assemblage | Modéré | Haut |
| Automatisation | Dépose possible | Découpe à l’emporte-pièce et placement automatisé possibles |
| Contrainte mécanique | Souvent plus bas | Dépend de la dureté et de la compression |
| Le meilleur cas d’utilisation | Surfaces irrégulières | Production reproductible |
Pourquoi des jeux irréguliers posent un problème thermique
Les jeux irréguliers sont courants dans les assemblages électroniques. Ils peuvent être dus aux différences de hauteur des composants, aux tolérances PCB, au défaut de planéité du dissipateur thermique, à l’épaisseur de la brasure, à la déformation du boîtier ou aux variations d’empilement mécanique.
Lorsque l’espace est irrégulier, un TIM doit faire plus que conduire la chaleur. Il doit également maintenir un contact uniforme sur toute l’interface.
Un mauvais remplissage des jeux peut entraîner plusieurs problèmes :
- Des poches d’air subsistent entre les surfaces
- La zone de contact devient incomplète
- La résistance thermique augmente
- Des points chauds apparaissent
- Les composants fonctionnent à des températures plus élevées
- La fiabilité diminue avec le temps
- Les contraintes mécaniques se concentrent sur les composants les plus hauts
Dans les applications de forte puissance, même une petite lame d’air peut réduire considérablement l’efficacité du refroidissement. Il est donc essentiel de choisir le matériau de remplissage d’interstice approprié.
Quand privilégier le mastic thermique
Le mastic thermique est souvent la meilleure option lorsque l’assemblage présente des interstices irréguliers ou aux dimensions incertaines. Grâce à sa grande déformabilité, il compense mieux les différences de hauteur qu’un pad d’épaisseur fixe.
Choisissez une pâte thermique lorsque :
- Plusieurs composants présentent des hauteurs différentes
- L’écart est difficile à mesurer avec précision
- Le dissipateur thermique ou le boîtier n’est pas parfaitement plat
- Compression pressure is limited
- Les contraintes mécaniques doivent être réduites au minimum
- Une reprise peut être nécessaire
- L’assemblage est soumis à des vibrations ou à des cycles thermiques
- Vous avez besoin d’un matériau pour remplir des formes complexes ou des angles
Par exemple, dans un module d’électronique de puissance, différents condensateurs, inductances, MOSFET et circuits intégrés peuvent se trouver à des hauteurs légèrement différentes. Un pad thermique peut ne toucher que les composants les plus hauts, laissant des espaces d’air au-dessus des composants plus bas. La pâte thermique peut épouser ces différences et améliorer le contact global.
Lorsque les pads thermiques constituent le choix le plus adapté
Les pads thermiques sont généralement plus adaptés lorsque la conception présente un jeu prévisible et nécessite un assemblage propre et reproductible. Ils sont faciles à manipuler, à découper à l’emporte-pièce et à appliquer dans une production à grand volume.
Choisissez des pads thermiques lorsque :
- Le jeu est constant et parfaitement maîtrisé
- L’épaisseur requise est connue
- La rapidité et la propreté de l’assemblage sont importantes
- La pièce nécessite une découpe à la forme sur mesure
- La zone d’interface est plane et uniforme
- Les opérateurs ont besoin d’une mise en place simple
- La conception du produit exige des dimensions stables
- L’assemblage automatisé est privilégié
Par exemple, si un composant PCB se trouve systématiquement 1.0 mm sous un boîtier en aluminium, un 1.0 mm ou un pad thermique légèrement compressible peut constituer la solution la plus simple et la plus fiable.
Performances thermiques : la conductivité ne fait pas tout
De nombreux acheteurs comparent le mastic thermique et les pads thermiques uniquement en fonction de leur conductivité thermique, généralement mesurée en W/m·K. Bien que cette valeur soit importante, elle ne dit pas tout.
Les performances thermiques réelles dépendent des éléments suivants :
- Conductivité thermique
- Épaisseur des traits de liaison
- Force de compression
- Zone de contact
- Planéité de surface
- Dureté du matériau
- Distribution de charges
- Stabilité à long terme
- Interface résistance thermique
Un matériau présentant une conductivité thermique plus élevée peut offrir de moins bonnes performances s’il n’assure pas un contact adéquat. Dans les interstices irréguliers, un mastic à conductivité plus faible et offrant une excellente capacité d’adaptation peut être plus performant qu’un pad à conductivité plus élevée qui laisse des poches d’air.
Cela est particulièrement important lors du choix d’un pad thermique. Si le pad est trop dur ou trop épais, il risque de ne pas se comprimer suffisamment pour combler correctement l’interface. S’il est trop souple, il risque de se déformer excessivement ou de perdre sa stabilité mécanique.
Pour les interstices irréguliers, la question pratique n’est pas seulement “ Quel matériau présente la conductivité la plus élevée en W/m·K ? ”, mais plutôt “ Quel matériau crée la plus faible résistance thermique réelle à l’interface dans cet assemblage ? ”
Choix de la dimension et de l’épaisseur de l’interstice
La dimension de l’interstice est l’un des facteurs les plus importants pour choisir entre un mastic thermique et des pads thermiques.
Pour les interstices petits et uniformes, les pads thermiques conviennent souvent bien. Pour les interstices larges ou variables, le mastic thermique peut être plus tolérant.
Recommandations générales :
| Condition de l'écart | Matériau recommandé |
| Interface très fine et plane | Graisse thermique ou matériau à changement de phase |
| Petit espace uniforme | Pad thermique |
| Espace moyen maîtrisé | Pad thermique ou pad souple de comblement d’espace |
| Espace irrégulier entre plusieurs composants | Pâte thermique |
| Espace important et irrégulier | Mastic thermique ou matériau de remplissage d’interstices extrudable |
| Cumul de tolérances inconnu | Mastic thermique pour validation préliminaire |
Les pads thermiques nécessitent de sélectionner précisément leur épaisseur. Si le pad sélectionné est plus fin que l’espace à combler, le contact peut être incomplet. S’il est beaucoup plus épais que l’espace à combler, la force de compression peut endommager les composants ou plier le PCB.
Le mastic thermique offre aux ingénieurs une plus grande latitude en matière de tolérances, car il peut se redistribuer sous pression. C’est pourquoi il est souvent utilisé lors de la validation de la conception ou dans les assemblages où les variations d’espacement sont inévitables.
Compression et contraintes mécaniques
La compression constitue une autre différence majeure entre le mastic thermique et les pads thermiques.
Les pads thermiques doivent être comprimés pour fonctionner correctement. La compression améliore le contact et réduit les poches d’air. Toutefois, une compression excessive peut entraîner des problèmes, notamment lorsque les composants sont fragiles ou que les joints de soudure sont sensibles.
Les risques potentiels liés à une compression excessive du pad incluent :
- Pliage de circuits imprimés
- Fissuration de composant
- Contrainte de joint de brasage
- Déformation du carter
- Répartition inégale de la pression
- Difficulté d'assemblage
Le mastic thermique nécessite généralement moins de force pour épouser la surface. Cela peut réduire les contraintes mécaniques, en particulier dans les assemblages comportant des composants fragiles ou des surfaces irrégulières.
Toutefois, le mastic doit toujours être appliqué en quantité adéquate. Une quantité insuffisante peut ne pas combler l’espace. Une quantité excessive peut être expulsée ou gêner les composants voisins.
Retouche et maintenance
La pâte thermique et les pads thermiques peuvent tous deux être retravaillés, mais ils se comportent différemment.
Les pads thermiques sont généralement faciles à retirer d’une seule pièce, en particulier lorsqu’ils présentent une résistance mécanique suffisante. Cela facilite les opérations d’entretien et de réparation.
Le mastic thermique est lui aussi souvent réutilisable après démontage, mais son retrait peut nécessiter un nettoyage plus poussé, car il peut se déformer, s’étaler ou laisser des résidus selon sa formulation. En contrepartie, il épouse mieux les interfaces irrégulières.
Pour les produits nécessitant un entretien fréquent, les pads thermiques peuvent être privilégiés. Lorsque le contact thermique est plus important que la facilité de retrait sans résidus, le mastic thermique peut constituer un meilleur choix.
Vibrations et cycles thermiques
Les composants électroniques utilisés dans les véhicules, les équipements industriels, les systèmes de télécommunications extérieurs et les modules de puissance sont souvent soumis à des vibrations et à des cycles thermiques.
Les cycles thermiques peuvent entraîner des dilatations et des contractions répétées des matériaux. Au fil du temps, cela peut provoquer une perte de contact, des fissures, une expulsion du matériau ou sa fatigue.
Le mastic thermique offre de bonnes performances dans de nombreux environnements soumis aux vibrations, car il reste souple et conformable. Il peut absorber de faibles mouvements et maintenir le contact sur des surfaces irrégulières.
Les pads thermiques peuvent également offrir de bonnes performances lors des cycles thermiques, en particulier lorsque la dureté, l’épaisseur et la plage de compression sont correctement sélectionnées. Toutefois, si le pad est trop rigide ou mal adapté à l’espacement, il peut perdre progressivement son contact effectif.
Le meilleur choix dépend de la conception mécanique, de la plage de températures de fonctionnement et de la durée de vie prévue du produit.
Considérations relatives à la fabrication
Du point de vue de la production, les pads thermiques et les mastics thermoconducteurs sont adaptés à différentes méthodes d’assemblage.
Les pads thermiques sont particulièrement adaptés à une fabrication reproductible. Ils peuvent être découpés à l’emporte-pièce, contrecollés, conditionnés et positionnés rapidement. Les opérateurs peuvent vérifier visuellement leur positionnement, tandis que la quantité de matériau est contrôlée par la taille et l’épaisseur du pad.
Le mastic thermique peut nécessiter un contrôle plus rigoureux du procédé. La quantité appliquée doit être constante, notamment en cas de dépose automatisée. Pour la production en grande série, les paramètres de dépose tels que la pression, la vitesse, le volume et le motif doivent être validés.
Les pads thermiques sont souvent plus faciles à mettre en œuvre lors d’un assemblage manuel. La pâte thermique peut être mieux adaptée aux assemblages complexes, mais peut nécessiter une conception du procédé plus rigoureuse.
Liste de contrôle de sélection
Utilisez cette liste de contrôle pour choisir entre une pâte thermique et des pads thermiques :
- L’espace est-il constant ou irrégulier ? Si l’espace est constant, envisagez une interface thermique en plaque. S’il varie sur l’interface, envisagez une pâte thermique malléable.
- Les composants présentent-ils des hauteurs différentes ? Lorsque plusieurs hauteurs de composants sont présentes, le mastic thermique s’adapte généralement mieux.
- La force de compression est-elle limitée ? Si la pression doit rester faible, un mastic thermique peut réduire les contraintes mécaniques.
- La propreté de l’assemblage est-elle importante ? Les pads thermiques sont plus propres et plus faciles à mettre en place.
- Une automatisation à grande cadence est-elle nécessaire ? Les pads thermiques conviennent à la pose de pièces découpées à l’emporte-pièce. Le mastic thermique peut être utilisé avec des systèmes de dépose.
- Le produit devra-t-il faire l’objet d’une reprise ? Les pads thermiques sont souvent plus faciles à retirer. Le mastic thermique peut nécessiter un nettoyage plus approfondi.
- L’environnement est-il soumis à des vibrations ou à des cycles thermiques ? Les deux solutions peuvent convenir, mais il faut vérifier la souplesse, la stabilité et le comportement en compression du matériau.
- L’interface est-elle plane ou irrégulière ? Les interfaces planes se prêtent mieux aux pads thermiques, tandis que les interfaces irrégulières se prêtent mieux au mastic thermique.
Erreurs courantes lors du choix entre un mastic thermique et des pads thermiques
Une erreur courante consiste à choisir un matériau en se basant uniquement sur la conductivité thermique. Une valeur élevée en W/m·K ne garantit pas un meilleur refroidissement si le matériau n’assure pas un contact complet.
Une autre erreur consiste à choisir un pad thermique trop épais. Les ingénieurs choisissent parfois une épaisseur supplémentaire pour “ s’assurer qu’il est bien en contact ”, mais une compression excessive peut endommager les composants ou augmenter les contraintes exercées sur l’assemblage.
Une troisième erreur consiste à utiliser une pâte thermique sans contrôler le volume appliqué. La pâte est souple, mais elle nécessite tout de même un contrôle approprié du procédé.
Autres erreurs courantes :
- Sans tenir compte de la dureté et de la plage de compression
- Oublier l’analyse des tolérances cumulées
- En supposant que tous les interstices sont uniformes
- Non testé à la température réelle de fonctionnement
- Négliger les exigences de reprise
- Absence de validation des performances en vibrations et en cyclage thermique
Le choix du matériau doit toujours être validé par des essais sur l’assemblage réel, et non par la seule comparaison des fiches techniques.
Le point de vue de HakTak : choisir le bon matériau de remplissage d’interstices
À HakTak, nous considérons le mastic thermique et les pads thermiques comme des solutions complémentaires plutôt que comme des produits interchangeables. Chaque matériau joue un rôle spécifique dans la gestion thermique des composants électroniques.
Pour les jeux irréguliers, les composants de hauteurs variables et les systèmes électroniques de puissance complexes, le mastic thermique offre une excellente conformabilité et réduit la résistance de contact. Pour les assemblages plans, répétables et maîtrisés, les pads thermiques facilitent la manipulation, assurent une épaisseur stable et optimisent l’efficacité de la production.
Le choix approprié dépend de l’ensemble des conditions d’application, notamment de la largeur de l’interface, de la pression, de l’état de surface, de la plage de températures, des besoins en isolation électrique, des vibrations, des exigences de reprise et du procédé de production.
Pour les solutions d’interface thermique sur mesure, les informations clés comprennent généralement :
- Dimensions de l’entrefer et plage de tolérance
- Type de source de chaleur et densité de puissance
- Matériaux des surfaces de contact
- Conductivité thermique requise
- Exigences d'isolation électrique
- Plage de températures de fonctionnement
- Limite de force de compression
- Méthode d'assemblage
- Attentes concernant la durée de vie des produits
Grâce à ces informations, un fournisseur de matériaux peut recommander une solution plus précise plutôt que de se fier à une valeur générique de conductivité thermique.
Conclusion
La pâte thermique et les pads thermiques sont tous deux des matériaux d’interface thermique efficaces, mais ils sont conçus pour différents types d’espaces.
Le mastic thermique convient particulièrement aux espaces irréguliers, inégaux ou difficiles à maîtriser. Il épouse facilement les formes, réduit les poches d’air et contribue à maintenir le contact entre des composants de hauteurs différentes. Les pads thermiques conviennent davantage aux interfaces planes, prévisibles et répétables, lorsque la propreté de la mise en œuvre et une épaisseur maîtrisée sont importantes.
Pour des jeux irréguliers, le mastic thermique constitue souvent un point de départ plus sûr. Pour des conceptions destinées à une production maîtrisée et présentant des tolérances stables, les pads thermiques peuvent offrir une meilleure constance et faciliter l’assemblage.
La meilleure décision doit être fondée sur les conditions réelles de l’interface, et pas uniquement sur les valeurs indiquées dans la fiche technique. En prenant en compte la variation de l’épaisseur de l’espace, la compression, la résistance thermique, la reprise, les vibrations et les exigences de production, les ingénieurs peuvent choisir le matériau d’interface thermique qui garantit un refroidissement fiable pendant toute la durée de vie du produit.
Foire aux questions
Le mastic thermique est-il préférable aux pads thermiques ?
Le mastic thermique convient mieux aux espaces irréguliers et aux surfaces non uniformes, car il épouse plus facilement leur forme. Les pads thermiques conviennent mieux à un assemblage propre et reproductible lorsque l’espace est constant.
Le mastic thermique peut-il remplacer les pads thermiques ?
Le mastic thermique peut remplacer les pads thermiques dans certaines applications, notamment lorsque les interstices sont irréguliers ou que la hauteur des composants varie. Toutefois, les pads thermiques peuvent rester préférables lorsqu’une épaisseur constante, une forme prédécoupée et une manipulation propre sont nécessaires.
Les pads thermiques sont-ils plus faciles à installer que le mastic thermique ?
Oui. Les pads thermiques sont généralement plus faciles à installer, car ils se présentent sous forme de feuilles préformées. La pâte thermique peut nécessiter un meilleur contrôle de la quantité appliquée et de son positionnement.
Lequel offre la meilleure conductivité thermique : la pâte thermique ou les pads thermiques ?
Les deux matériaux sont disponibles dans différentes classes de conductivité. Toutefois, les performances réelles dépendent de la qualité du contact, de la compression, de l’épaisseur de la ligne de collage et de la résistance thermique, et pas uniquement de la valeur en W/m·K.
Quel est le meilleur matériau pour les espaces irréguliers ?
Le mastic thermique est souvent le meilleur choix pour les espaces irréguliers, car il peut se déformer et remplir les vides irréguliers plus efficacement qu’un pad d’épaisseur fixe.
Les pads thermiques nécessitent-ils une compression ?
Oui. Les pads thermiques nécessitent généralement une compression pour assurer un bon contact et réduire la résistance thermique. La plage de compression appropriée dépend de la dureté et de l’épaisseur du pad, ainsi que de la conception de l’application.
La pâte thermique est-elle réutilisable ?
Certaines pâtes thermiques peuvent être retravaillées, mais leur réutilisation dépend de l’état du matériau, de la contamination et des exigences de l’application. Pour garantir des performances fiables, il est généralement recommandé d’utiliser un matériau neuf après une reprise importante.
Comment choisir entre une pâte thermique et un pad thermique ?
Faites votre choix en fonction de l’uniformité des jeux, de la variation de hauteur des composants, de la force de compression, du processus d’assemblage, des besoins de reprise et de l’environnement de fonctionnement. Pour les jeux irréguliers, choisissez un mastic thermique. Pour les jeux contrôlés, choisissez des pads thermiques.