Pourquoi une valeur élevée de W/mK n'est pas toujours synonyme d'une meilleure performance de refroidissement

Une valeur W/mK élevée ne garantit pas toujours de meilleures performances de refroidissement, car la conductivité thermique ne constitue qu’un élément parmi d’autres d’une interface thermique réelle. Le refroidissement effectif dépend de l’épaisseur de la couche de liaison, de la pression de contact, de la rugosité de surface, du mouillage du matériau, des poches d’air, de la stabilité à long terme et du comportement du matériau d’interface thermique au sein de l’assemblage final.

En termes simples : la valeur W/mK indique le pouvoir conducteur d'un matériau, mais elle ne donne aucune indication sur les performances globales de l'interface.

Une pâte thermique de 12 W/mK peut s'avérer moins performante qu'un matériau de 6 W/mK si elle est appliquée en couche trop épaisse, si elle retient de l'air, si elle remonte à la surface, si elle sèche avec le temps ou si elle ne parvient pas à recouvrir correctement la source de chaleur et le dissipateur thermique. Les ingénieurs doivent se baser sur la valeur W/mK comme point de départ, puis évaluer la résistance thermique, l’impédance thermique, l’épaisseur, la fiabilité et les conditions d’assemblage avant de choisir un matériau d’interface thermique.

Que signifie « W/mK » ?

W/mK signifie « watts par mètre-kelvin ». Il s'agit de l'unité standard de conductivité thermique, généralement représentée par le symbole k.

La conductivité thermique mesure l'efficacité avec laquelle la chaleur se propage à travers un matériau. Une valeur en W/mK plus élevée indique que le matériau conduit la chaleur plus efficacement dans des conditions d'essai contrôlées.

Par exemple :

Les matériaux d'interface thermique, également appelés TIM, n'ont pas besoin de conduire la chaleur comme le cuivre pour être efficaces. Leur rôle principal est de remplacer les espaces d'air entre deux surfaces solides. L'air étant un très mauvais conducteur de chaleur, même un TIM à conductivité modérée peut améliorer considérablement le transfert thermique.

C'est pourquoi le W/mK est important. Mais ce n'est pas tout.

Pour plus de détails sur la manière dont la conductivité thermique des pâtes thermiques est choisie et testée, consultez l'article de HakTak : Comment choisir et tester la conductivité thermique d'une graisse thermique ?.

Pourquoi les ingénieurs s'intéressent-ils à la valeur W/mK ?

La conductivité thermique exprimée en W/mK est facile à comprendre et à comparer. Lorsque les ingénieurs, les acheteurs ou les chefs de produit consultent les fiches techniques, la conductivité thermique est souvent la valeur la plus visible.

Cela conduit à une hypothèse simple :

Plus la valeur W/mK est élevée, plus le refroidissement est efficace.

Cette hypothèse est parfois correcte. Si deux matériaux d'interface thermique présentent la même épaisseur, la même pression, la même surface de contact, la même méthode d'essai et la même stabilité à long terme, celui qui présente la conductivité la plus élevée transfère généralement la chaleur plus efficacement.

Mais les véritables modules électroniques se comportent rarement comme des échantillons de laboratoire parfaits.

Dans les appareils réels, les performances thermiques dépendent des facteurs suivants :

• Épaisseur de l'interface
• Planéité de la surface
• Rugosité de la surface
• Pression de serrage
• Dureté du matériau
• Viscosité du matériau
• Comportement de mouillage
• Pores d'air
• Cyclage thermique
• Vibrations
• Vieillissement et dessèchement
• Vidange ou migration
• Exigences en matière d'isolation électrique
• Répétabilité de l'assemblage

C'est pourquoi un matériau présentant un coefficient W/mK élevé peut sembler performant sur une fiche technique, mais s'avérer moins performant dans le produit final.

La conductivité thermique est une propriété du matériau, et non le résultat d'un système

Le point le plus important est que la conductivité thermique caractérise le matériau lui-même. Elle ne décrit pas automatiquement l'ensemble du parcours de refroidissement.

Dans le domaine du refroidissement des composants électroniques, la chaleur se propage généralement selon un circuit :

1. Source de chaleur, telle qu'une puce ou un dispositif de puissance
2. Surface de premier contact
3. Matériau d'interface thermique
4. Deuxième surface de contact
5. Dissipateur thermique, plaque réfrigérante, boîtier ou châssis
6. Système de refroidissement par circulation d'air ou par liquide

Le TIM ne constitue qu'une partie de ce processus. Même si le TIM présente une conductivité élevée, les performances globales de refroidissement peuvent tout de même être limitées par un mauvais contact, une épaisseur excessive, une pression insuffisante, une contamination de surface ou la conception du dissipateur thermique.

C'est pourquoi les ingénieurs devraient évaluer la résistance thermique ou l'impédance thermique, et pas seulement la conductivité thermique.

Réponses concernant la conductivité thermique :

Dans quelle mesure ce matériau conduit-il bien la chaleur ?

Réponses concernant la résistance thermique :

Dans quelle mesure cette interface complète résiste-t-elle au flux thermique ?

L'impédance thermique donne une idée concrète de l'élévation de température provoquée par le TIM dans des conditions spécifiques d'épaisseur, de pression et de contact.

L'épaisseur de la couche de collage peut prévaloir sur la valeur W/mK

L'épaisseur de la couche de liaison, souvent désignée par l'acronyme BLT, correspond à l'épaisseur du matériau d'interface thermique situé entre la source de chaleur et la surface de refroidissement.

Pour une interface simplifiée :

R = t / (k × A)

Où ?

• R est la résistance thermique
• Il s'agit de l'épaisseur de la ligne de joint.
• k est la conductivité thermique
• A correspond à la surface de contact

Cette équation explique pourquoi l'épaisseur peut l'emporter sur la conductivité.

Si la couche de TIM est trop épaisse, la résistance thermique augmente. Un matériau présentant un coefficient W/mK élevé, appliqué en couche épaisse, peut offrir des performances inférieures à celles d'un matériau présentant un coefficient W/mK plus faible, appliqué en couche plus fine et mieux maîtrisée.

C'est une erreur courante concernant la graisse thermique et la pâte thermique. Certains utilisateurs appliquent davantage de pâte, pensant qu'une plus grande quantité garantit un meilleur transfert thermique. En réalité, la pâte thermique doit combler les vides microscopiques, et non créer une couche épaisse entre la source de chaleur et le dissipateur thermique.

Une quantité excessive de pâte peut :

• Augmentation de la résistance thermique
• Piéger les bulles d'air
• Créer une répartition inégale
• Presser pour faire sortir
• Contaminer les composants situés à proximité
• Réduire la répétabilité dans la production

Le guide de HakTak Conseils pour l'application de la graisse thermique et son fonctionnement explique pourquoi il est essentiel de respecter l'épaisseur d'application et de bien préparer la surface.

La qualité du contact peut être plus importante que la conductivité

Les surfaces réelles ne sont pas parfaitement lisses. Même les surfaces métalliques usinées présentent des crêtes et des creux microscopiques. Lorsqu’une puce et un dissipateur thermique sont pressés l’un contre l’autre, seuls les points les plus élevés entrent en contact direct. Le reste de l’interface est rempli d’air.

L'air présente une très faible conductivité thermique. Cela signifie que de minuscules vides peuvent constituer un obstacle thermique majeur.

Un bon TIM ne doit pas se contenter de conduire la chaleur à travers sa masse. Il doit également mouiller les surfaces et combler les imperfections microscopiques.

C'est là que la résistance de contact prend toute son importance.

La résistance de contact dépend des facteurs suivants :

• Rugosité de la surface
• Propreté des surfaces
• Pression de serrage
• Souplesse du matériau
• Flux de matières
• Taille des particules de charge
• Contamination
• Oxydation
• Planéité du dissipateur thermique ou du boîtier

Un coussin thermique à haute conductivité thermique (W/mK) mais trop dur risque de ne pas épouser les surfaces irrégulières. Un matériau à plus faible conductivité thermique (W/mK), plus souple et plus malléable, peut assurer un meilleur contact réel et réduire la résistance totale.

Il en va de même pour les matériaux à changement de phase. Un coussin thermique à changement de phase (PCM) peut se présenter sous la forme d’un film ou d’un coussin stable à température ambiante, puis se ramollir à la température de fonctionnement afin d’améliorer le mouillage de la surface. Cela peut réduire la résistance de contact même si la conductivité indiquée dans sa fiche technique n’est pas la plus élevée possible. HakTak explique ce mécanisme dans Tout savoir sur les coussinets thermiques PCM : comment les matériaux à changement de phase améliorent la gestion thermique.

La pression et la compression modifient le résultat

De nombreux TIM nécessitent une pression pour fonctionner correctement. La pression permet au matériau de s'étaler, de se comprimer, de mouiller les surfaces et d'expulser les poches d'air.

Mais il n'est pas toujours possible ni souhaitable d'augmenter la pression.

Dans certains montages, une pression excessive peut :

• Pliez le circuit imprimé
• Composants de la fissure
• Contraintes sur les soudures
• Déformer le boîtier
• Créer un contact irrégulier
• Essorer la graisse
• Compression excessive des coussinets thermiques

Si un matériau présentant un coefficient W/mK élevé nécessite une pression élevée pour atteindre ses meilleures performances, il se peut qu'il ne soit pas adapté à un assemblage à basse pression.

Par exemple, un tampon thermique à haute conductivité peut donner de bons résultats lors d'un test en conditions de compression élevée, tel que décrit dans la fiche technique. Cependant, si le produit réel ne permet d'exercer qu'une faible pression, le tampon risque de ne pas bien épouser la surface. Un tampon plus souple et à conductivité moindre, un PCM, une graisse ou un mastic thermique peut offrir un meilleur refroidissement.

Les ingénieurs devraient toujours se poser la question suivante :

À quelle pression les données de W/mK ou d'impédance ont-elles été mesurées ?

Si les conditions d'essai ne correspondent pas à la configuration réelle de l'ensemble, le classement indiqué dans la fiche technique peut être trompeur.

Une forte concentration en charge peut entraîner des compromis

Les matériaux d'interface thermique permettent souvent d'atteindre une valeur de W/mK plus élevée grâce à l'ajout de charges plus conductrices thermiquement. Ces charges peuvent inclure des particules de céramique, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure de bore, du nitrure d'aluminium, du graphite, des particules métalliques ou d'autres matériaux conducteurs.

Une concentration plus élevée en charge peut améliorer la conductivité, mais elle peut également entraîner des compromis.

Parmi les compromis possibles, on peut citer :

• Viscosité plus élevée
• Mauvaise aptitude à l'étalement
• Dureté plus élevée
• Moins de souplesse
• Distribution plus difficile
• Usure accrue des équipements de distribution
• Risque accru de séparation du produit de comblement
• Une retouche plus complexe
• Coût plus élevé
• Conductivité électrique potentielle, en fonction du type de charge

C'est l'une des raisons pour lesquelles le matériau présentant la valeur W/mK la plus élevée n'est pas toujours le meilleur choix dans la pratique.

En production, un matériau ne doit pas seulement permettre le transfert de chaleur. Il doit également être facile à mettre en œuvre, stable, sûr et compatible avec la méthode d'assemblage.

La fiabilité à long terme est essentielle

Les performances thermiques initiales ne suffisent pas. Un TIM doit conserver son efficacité tout au long de la durée de vie du produit.

Certains matériaux à haute conductivité offrent de bonnes performances au départ, mais se dégradent après avoir été soumis à des cycles thermiques, à des vibrations, au vieillissement ou à une exposition aux conditions environnementales.

Parmi les modes de défaillance courants à long terme, on peut citer :

• Assèchement
• Pompage
• Séparation de l'huile
• Tassement de la matière de remplissage
• Fissuration
• Durcissement
• Perte de mouillage
• Dégazage
• Contamination des surfaces avoisinantes

La pâte thermique est particulièrement sensible à la stabilité de sa formulation et aux conditions de stockage. Si le fluide de base s'évapore ou se sépare, le produit peut perdre de son efficacité. HakTak aborde la question de la dégradation liée au stockage dans Comment conserver correctement la pâte thermique non utilisée.

Dans les environnements sous vide ou à basse pression, une valeur W/mK élevée perd encore davantage de son intérêt si le matériau dégage des gaz et contamine les composants sensibles. Pour ces applications, une faible volatilité et la stabilité de la formulation peuvent s'avérer tout aussi importantes que la conductivité. HakTak aborde cette question dans La pâte thermique se volatilise-t-elle sous vide ? Comprendre le dégazage et les performances dans des environnements à basse pression.

Exemple : plus la valeur W/mK est faible, plus le refroidissement est efficace

Considérons deux matériaux d'interface thermique utilisés entre un module de puissance et un dissipateur thermique en aluminium.

Document A

• Conductivité thermique : 12 W/mK
• Épaisseur finale de la couche de liaison : 0,30 mm
• Mauvais mouillage à la pression disponible
• Quelques poches d'air emprisonnées

Document B

• Conductivité thermique : 6 W/mK
• Épaisseur finale de la ligne de collage : 0,08 mm
• Bon mouillage
• Vides minimes

Même si le matériau A présente une conductivité deux fois supérieure, le matériau B peut offrir un meilleur refroidissement, car il forme une interface plus fine et plus homogène.

Ce n'est pas un cas marginal. Cela se produit chaque fois que la conception mécanique, la méthode d'application ou le contact avec la surface déterminent le chemin thermique.

Le véritable indicateur de performance n'est pas la valeur la plus élevée en W/mK. Il s'agit de la résistance thermique ou de l'impédance thermique stable la plus faible dans le dispositif réel.

Les différents types de TIM permettent de résoudre différents problèmes

Les valeurs élevées de W/mK doivent être évaluées différemment selon le type de TIM.

Pâte thermique et gel thermique

La pâte thermique peut offrir d'excellentes performances sur des interfaces minces et planes soumises à une bonne pression. Cependant, ses performances dépendent de la manière dont elle est appliquée. Une quantité excessive de pâte augmente la résistance. Une quantité insuffisante laisse des vides. Une évacuation prolongée ou un assèchement peuvent également réduire les performances.

Coussinets thermiques

Les cales thermiques sont propres et offrent une reproductibilité élevée. Elles conviennent bien aux écarts contrôlés. Cependant, les cales à haute conductivité peuvent être plus dures ou plus épaisses, ce qui peut nuire à la qualité du contact si la pression est limitée.

Coussinets thermiques PCM

Les pastilles thermiques PCM offrent une maniabilité similaire à celle des pastilles classiques à température ambiante et un meilleur mouillage à température de fonctionnement. Elles sont particulièrement utiles lorsque les ingénieurs recherchent un assemblage plus propre qu’avec de la graisse, mais une résistance de contact inférieure à celle d’une pastille classique.

Mastics thermiques et produits de remplissage de joints

La pâte thermique et les produits de comblement sont utiles pour les interstices irréguliers, les différences de hauteur entre les composants et les surfaces irrégulières. Leur conductivité thermique (W/mK) peut être inférieure à celle de certains coussinets, mais leur capacité d'adaptation permet de réduire les poches d'air et d'améliorer l'efficacité du refroidissement en conditions réelles.

Composés d'enrobage thermoconducteurs

Les composés d'encapsulation ne sont pas de simples substituts aux TIM. Ils encapsulent les composants et assurent une protection contre les agressions extérieures, un soutien mécanique et une dissipation thermique. Dans ces matériaux, la viscosité, le comportement au durcissement, le contrôle des bulles et la fiabilité peuvent être tout aussi importants que la conductivité. Les produits HakTak Guide sur les composés d'enrobage thermoconducteurs utilisés en électronique explique cette catégorie plus en détail.

Comment les ingénieurs devraient comparer les TIM

Pour optimiser le processus de sélection d'un TIM, il faut commencer par l'application, et non par l'indice de conductivité le plus élevé.

Les ingénieurs doivent définir :

• Type de source de chaleur
• Charge thermique en watts
• Zone de contact
• Élévation de température maximale admissible
• Dimensions et tolérances des jeux
• Planéité de la surface
• Rugosité de la surface
• Pression de serrage disponible
• Exigences en matière d'isolation électrique
• Plage de température de fonctionnement
• Conditions de cycles thermiques
• Exposition aux vibrations
• Exigences en matière de reprise
• Méthode de fabrication
• Risques environnementaux

Comparez ensuite les matériaux dans des conditions identiques à celles du produit réel.

Parmi les questions importantes, on peut citer :

• Quelle est l'impédance thermique à la pression cible ?
• Quelle épaisseur de couche de liaison a été utilisée lors des essais ?
• Ce matériau altère-t-il la finition de la surface ?
• Le matériau reste-t-il stable après vieillissement ?
• Y a-t-il des fuites lors des cycles thermiques ?
• Est-ce que ça sèche ou est-ce que ça se sépare ?
• Est-il électriquement isolant ?
• Est-ce compatible avec l'assemblage automatisé ?
• Cette approche peut-elle être mise en œuvre de manière cohérente à grande échelle ?

Ce processus évite de payer trop cher un matériau à haute conductivité thermique (W/mK) qui ne résout pas le véritable goulot d'étranglement.

Quand une valeur élevée de W/mK est réellement importante

Cela ne signifie pas pour autant que la conductivité thermique (W/mK) n'ait pas d'importance. Une conductivité thermique élevée peut s'avérer très utile lorsque le reste de l'interface est déjà optimisé.

Une valeur élevée de W/mK revêt une importance accrue lorsque :

• Le flux thermique est élevé
• La surface de contact est limitée
• L'épaisseur de la ligne de liaison ne peut pas être réduite davantage
• Les surfaces sont planes et la pression est contrôlée
• Le matériau permet de bien mouiller l'interface
• La fiabilité a été validée
• Le circuit de refroidissement est déjà bien conçu

Dans les modules à haute puissance, les serveurs d'IA, les onduleurs pour véhicules électriques et les systèmes LED, un TIM présentant une conductivité plus élevée peut s'avérer nécessaire. Il convient toutefois de le choisir après s'être assuré que l'épaisseur, la pression et la qualité du contact sont également adaptées.

Une valeur W/mK élevée n'est utile que si elle se traduit par une résistance thermique réelle plus faible.

Les erreurs courantes à éviter

La première erreur consiste à sélectionner les TIM uniquement en fonction de leur conductivité. Une valeur indiquée dans la fiche technique est utile, mais elle ne reflète pas les caractéristiques de l'ensemble.

La deuxième erreur consiste à appliquer une quantité excessive de pâte thermique. Une couche plus épaisse peut augmenter la résistance thermique, même si le matériau présente un coefficient W/mK élevé.

La troisième erreur consiste à ne pas tenir compte de la pression. Un matériau qui offre de bonnes performances sous haute pression peut s'avérer peu performant dans une application à basse pression.

La quatrième erreur consiste à négliger la rugosité et la planéité des surfaces. Un mauvais contact peut avoir une influence prépondérante sur le chemin thermique.

La cinquième erreur consiste à négliger la fiabilité à long terme. Le pompage, le séchage, le dégazage et la séparation des charges peuvent entraîner une augmentation de la température au fil du temps.

La sixième erreur consiste à comparer les fiches techniques de différents fournisseurs sans vérifier les méthodes d'essai. Les valeurs de conductivité peuvent varier en fonction de la préparation de l'échantillon, de la température, de la pression et de l'étalon de mesure.

Point de vue de HakTak

Chez HakTak, nous considérons la conductivité thermique comme une caractéristique importante, mais pas comme une solution en soi. Un TIM performant doit offrir de bonnes performances dans l'interface réelle, et pas seulement lors d'un test de conductivité.

Pour les pâtes thermiques, cela implique de trouver le juste équilibre entre conductivité, viscosité, épaisseur d’application, résistance au pompage et stabilité à long terme. Pour les coussinets thermiques à changement de phase (PCM), cela implique d’adapter le comportement de changement de phase à la température et à la pression de fonctionnement. Pour les coussinets thermiques, cela implique de choisir l’épaisseur, la souplesse, l’isolation et la plage de compression appropriées. Pour les pâtes thermiques et les produits de comblement, cela implique de privilégier l’adaptabilité et les performances de comblement.

Le meilleur matériau d'interface thermique est celui qui offre la résistance thermique stable la plus faible dans l'ensemble final.

Lorsqu'ils discutent d'une application TIM avec un fournisseur, les ingénieurs doivent fournir :

• Type et puissance de la source de chaleur
• Zone de contact
• Dimensions et tolérances des jeux
• Matériaux de surface
• Pression disponible
• Plage de température de fonctionnement
• Besoins en matière d'isolation électrique
• Méthode de montage
• Exigences en matière de fiabilité
• Conditions environnementales

Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander un matériau en se basant sur ses performances réelles de refroidissement plutôt que sur une simple valeur en W/mK.

Conclusion

Une valeur élevée de W/mK ne garantit pas toujours de meilleures performances de refroidissement, car la conductivité thermique n'est qu'un élément parmi d'autres dans la conception d'une interface thermique.

Les performances réelles dépendent de l'épaisseur de la ligne de liaison, de la qualité du contact, du mouillage de la surface, de la pression, du contrôle des vides, de la fiabilité et de la régularité de la production. Un matériau à faible conductivité peut offrir de meilleures performances qu'un matériau à haute conductivité s'il forme une interface plus fine, mieux en contact et plus stable.

Les ingénieurs doivent utiliser la valeur W/mK pour la présélection, mais le choix définitif du matériau d'interface thermique (TIM) doit se fonder sur la résistance thermique, l'impédance thermique, les essais en conditions réelles et la fiabilité à long terme.

L'objectif n'est pas de choisir la valeur la plus élevée indiquée dans la fiche technique. L'objectif est de choisir le matériau qui permet de mieux refroidir le composant une fois intégré au produit fini.

FAQ

Une valeur W/mK plus élevée est-elle toujours synonyme d'une meilleure pâte thermique ?

Non. Une valeur W/mK plus élevée peut être bénéfique, mais les performances de la pâte thermique dépendent également de son épaisseur, de son étalement, de la surface de contact, de la pression exercée et de sa stabilité à long terme.

Pourquoi un TIM présentant un coefficient W/mK plus faible peut-il offrir de meilleures performances ?

Un TIM présentant un coefficient W/mK plus faible peut offrir de meilleures performances s'il permet de former une couche de liaison plus fine, de mouiller plus efficacement les surfaces, de combler les vides et de maintenir un contact stable dans le temps.

Quel est l'indicateur de performance TIM le plus important ?

La conductivité thermique est importante, mais la résistance thermique ou l'impédance thermique s'avère souvent plus utile, car elle reflète les performances réelles de l'interface.

Une quantité excessive de pâte thermique peut-elle nuire au refroidissement ?

Oui. Une quantité excessive de pâte thermique peut former une couche épaisse qui augmente la résistance thermique et emprisonne l'air.

Pourquoi la pression de contact est-elle importante ?

La pression de contact permet aux TIM de s'étaler, de se comprimer et de combler les vides microscopiques. Si la pression est trop faible, le matériau risque de ne pas atteindre les performances attendues.

Les pastilles thermiques à coefficient W/mK élevé sont-elles toujours meilleures ?

Non. Les cales thermiques à haute conductivité thermique (W/mK) peuvent être plus dures, plus épaisses ou moins souples. Le choix de la cale la mieux adaptée dépend de la taille de l'interstice, de la compression, de l'état de la surface et de la conception mécanique.

Outre la valeur W/mK, quels autres paramètres les ingénieurs doivent-ils vérifier ?

Les ingénieurs doivent vérifier l'impédance thermique, l'épaisseur de la couche de liaison, les exigences en matière de pression, la dureté, la viscosité, l'isolation électrique, le vieillissement, le pompage, le dessèchement et la méthode d'application.

Dans quels cas dois-je choisir un matériau présentant un coefficient W/mK élevé ?

Optez pour un matériau présentant une valeur W/mK élevée lorsque le flux thermique est important et que l'interface permet de garantir une épaisseur, une pression, un contact et une fiabilité adéquats. Testez le matériau dans l'assemblage réel avant de lancer la production.