Pourquoi une conductivité thermique élevée (W/mK) ne signifie pas toujours de meilleures performances de refroidissement

Une valeur élevée en W/mK ne signifie pas toujours une meilleure performance de refroidissement, car la conductivité thermique ne constitue qu’un des éléments d’une interface thermique réelle. Le refroidissement effectif dépend de l’épaisseur de la couche d’interface, de la pression de contact, de la rugosité de surface, du mouillage des matériaux, de la présence de vides d’air, de la stabilité à long terme et du comportement du matériau d’interface thermique dans l’assemblage final.

En termes simples : les W/mK indiquent la conductivité du matériau, mais ne permettent pas de déterminer les performances de l’ensemble de l’interface.

Une graisse thermique 12 W/mK à conductivité élevée peut être moins performante qu’un matériau 6 W/mK si elle est appliquée en couche trop épaisse, emprisonne de l’air, subit un phénomène de pump-out, sèche avec le temps ou ne mouille pas correctement la source chaude et le dissipateur thermique. Les ingénieurs doivent utiliser la valeur en 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 stands for watts per meter-kelvin. It is the standard unit for thermal conductivity, usually represented by the symbol k.

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

Par exemple :

Les matériaux d’interface thermique, également appelés TIM, n’ont pas besoin de conduire la chaleur aussi bien que le cuivre pour être utiles. Leur rôle principal est de combler les interstices d’air entre deux surfaces solides. L’air étant un très mauvais conducteur thermique, même un TIM à conductivité thermique modérée peut améliorer considérablement le transfert de chaleur.

C’est pourquoi le W/mK est important. Mais ce n’est pas toute l’histoire.

Pour plus de détails sur la manière dont la conductivité de la graisse thermique est sélectionnée et testée, consultez l’article de HakTak : Comment choisir et tester la conductivité thermique de la graisse thermique.

Pourquoi les ingénieurs s’intéressent à la conductivité thermique en W/mK

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

Cela conduit à une hypothèse simple :

Plus la conductivité en W/mK est élevée, meilleur est le refroidissement.

Cette hypothèse est parfois correcte. Si deux matériaux d’interface thermique présentent la même épaisseur, sont soumis à la même pression, ont le même contact de surface, sont évalués selon la même méthode d’essai et offrent la même stabilité à long terme, le matériau à la conductivité thermique la plus élevée transférera généralement la chaleur plus efficacement.

Mais les assemblages électroniques réels se comportent rarement comme des échantillons de laboratoire parfaits.

Dans les appareils réels, les performances thermiques sont influencées par :

• Épaisseur de l’interface
• Planéité de surface
• Rugosité de surface
• Pression de serrage
• Dureté du matériau
• Viscosité du matériau
• Comportement de mouillage
• Vides d'air
• Cyclage thermique
• Vibration
• Vieillissement et dessiccation
• Pompage ou migration
• Exigences d'isolation électrique
• Reproductibilité de l'assemblage

C’est pourquoi un matériau affichant une conductivité thermique élevée en W/mK peut sembler performant sur une fiche technique, mais offrir des performances moindres dans le produit final.

La conductivité thermique est une propriété du matériau, pas le résultat d’un système

Le point le plus important est que la conductivité thermique décrit le matériau lui-même. Elle ne décrit pas automatiquement l’ensemble du chemin d’évacuation thermique.

Dans le refroidissement électronique, la chaleur se déplace généralement à travers une chaîne :

1. Source de chaleur, telle qu’une puce ou un composant de puissance
2. Première surface de contact
3. Matériaux d'interface thermique (TIM)
4. Deuxième surface de contact
5. Dissipateur thermique, plaque froide, boîtier ou châssis
6. Système de refroidissement par air ou par liquide

Le TIM n’est qu’un élément de ce chemin thermique. Même si le TIM présente une conductivité élevée, les performances globales de refroidissement peuvent rester limitées par un mauvais contact, une épaisseur excessive, une pression insuffisante, une contamination des surfaces ou la conception du dissipateur thermique.

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

Réponses sur la conductivité thermique :

Quelle est la conductivité thermique de ce matériau ?

Réponses sur la résistance thermique :

Quelle est la résistance thermique de cette interface complète ?

L’impédance thermique donne une indication pratique de l’élévation de température provoquée par TIM dans des conditions données d’épaisseur, de pression et de contact.

L’épaisseur du joint peut primer sur la conductivité en W/mK

L’épaisseur du joint, souvent appelée BLT, correspond à l’épaisseur du matériau d’interface thermique entre la source de chaleur et la surface de refroidissement.

Pour une interface simplifiée :

R = t / (k × A)

Où :

• R est la résistance thermique
• t correspond à l’épaisseur du joint
• k est la conductivité thermique
• A est la surface de contact

Cette équation explique pourquoi l’épaisseur peut primer sur la conductivité.

Si la couche TIM est trop épaisse, la résistance thermique augmente. Un matériau à conductivité thermique élevée en W/mK appliqué en couche épaisse peut être moins performant qu’un matériau à conductivité thermique plus faible en W/mK appliqué en couche plus fine et mieux maîtrisée.

Il s’agit d’une erreur courante avec la graisse thermique et la pâte thermique. Certains utilisateurs appliquent davantage de pâte, pensant qu’une plus grande quantité de matériau améliore le transfert thermique. En réalité, la pâte thermique doit combler les microvides, et non créer un coussin épais entre la source de chaleur et le dissipateur thermique.

Une quantité excessive de pâte peut :

• Augmenter la résistance thermique
• Piéger les bulles d'air
• Provoquer une répartition irrégulière
• Être expulsée sous pression
• Contaminer les composants voisins
• Réduire la répétabilité en production

Le guide de HakTak Conseils pour appliquer la pâte thermique et fonctionnement explique pourquoi une épaisseur d’application et une préparation de surface appropriées sont essentielles.

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 aspérités et des creux microscopiques. Lorsqu’une puce et un dissipateur thermique sont pressés l’un contre l’autre, seuls les points les plus hauts sont en contact direct. Le reste de l’interface contient de l’air.

L’air possède une très faible conductivité thermique. Cela signifie que de minuscules vides peuvent créer un goulot d’étranglement thermique majeur.

Un bon TIM doit faire plus que 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 devient importante.

La résistance de contact est influencée par :

• Rugosité de surface
• Propreté de surface
• Pression de serrage
• Douceur du matériau
• Écoulement du matériau
• Taille des particules de charge
• Contamination
• Oxydation
• Planéité du dissipateur thermique ou du boîtier

Un pad thermique à conductivité élevée en W/mK mais trop dur peut ne pas épouser les surfaces rugueuses. Un matériau à conductivité plus faible, mais plus souple et plus conformable, peut assurer un meilleur contact réel et réduire la résistance totale.

Il en va de même pour les matériaux à changement de phase. Un pad thermique PCM peut se présenter initialement sous la forme d’un film ou d’un pad stable à température ambiante, puis se ramollir à la température de fonctionnement afin d’améliorer le mouillage des surfaces. Cela peut réduire la résistance de contact, même si sa conductivité indiquée dans la fiche technique n’est pas la plus élevée disponible. HakTak explique ce mécanisme dans Explication des coussinets thermiques à changement de phase : 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 aide le matériau à s’étaler, à se comprimer, à mouiller les surfaces et à chasser les poches d’air.

Cependant, une pression plus élevée n’est pas toujours disponible ni souhaitable.

Dans certains assemblages, une pression excessive peut :

• Plier le circuit imprimé
• Fissurer les composants
• Soudures sous contrainte
• Déformer le boîtier
• Créer un contact irrégulier
• Expulser la graisse
• Surcompression des pads thermiques

Si un matériau à conductivité thermique élevée en W/mK nécessite une pression importante pour atteindre ses meilleures performances, il peut ne pas être adapté à un assemblage basse pression.

Par exemple, un pad thermique à conductivité élevée peut offrir de bonnes performances lors d’un essai sur fiche technique réalisé à forte compression. Mais si le produit réel ne peut appliquer qu’une faible pression, le pad peut ne pas bien épouser les surfaces. Un pad plus souple et moins conducteur, PCM, une graisse thermique ou un mastic thermique peuvent assurer un meilleur refroidissement.

Les ingénieurs doivent toujours se demander :

À quelle pression les données de conductivité thermique en W/mK ou d’impédance ont-elles été mesurées ?

Si la condition d’essai ne correspond pas à l’assemblage réel, le classement indiqué dans la fiche technique peut être trompeur.

Une forte teneur en charges peut créer des compromis

Les matériaux d’interface thermique atteignent souvent une conductivité supérieure en ajoutant davantage de charges thermoconductrices. Ces charges peuvent inclure des particules céramiques, de l’oxyde d’aluminium, du nitrure de bore, du nitrure d’aluminium, du graphite, des particules métalliques ou d’autres matériaux conducteurs.

Une teneur plus élevée en charges peut améliorer la conductivité, mais elle peut également créer des compromis.

Les compromis possibles incluent :

• Viscosité plus élevée
• Étalement moins facile
• Dureté plus élevée
• Flexibilité moindre
• Dépose plus difficile
• Usure accrue des équipements de dosage
• Risque accru de séparation de la charge
• Retouches plus difficiles
• Coût plus élevé
• Conductivité électrique potentielle, selon le type de charge

C’est l’une des raisons pour lesquelles le matériau présentant la conductivité thermique la plus élevée en W/mK n’est pas toujours le meilleur choix en pratique.

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

La fiabilité dans le temps est essentielle

Les performances thermiques initiales ne suffisent pas. Un TIM doit rester efficace pendant toute la durée de vie du produit.

Certains matériaux à haute conductivité offrent de bonnes performances au début, mais se dégradent après des cycles thermiques, sous l’effet des vibrations, du vieillissement ou de l’exposition aux conditions environnementales.

Les modes de défaillance courants à long terme comprennent :

• Assèchement
• Vidange
• Séparation des huiles
• Sédimentation de la charge
• Piratage
• Trempe
• Perte de mouillage
• Dégazage
• Contamination des surfaces avoisinantes

La graisse 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 matériau peut devenir moins efficace. HakTak aborde 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 élevée en W/mK est encore moins pertinente si le matériau dégaze et contamine des composants sensibles. Pour ces applications, une faible volatilité et la stabilité de la formulation peuvent être aussi importantes que la conductivité. HakTak aborde cette question dans La graisse thermique se volatilise-t-elle dans le vide ? Comprendre le dégagement gazeux et les performances dans les environnements à basse pression.

Exemple : moins de W/mK, meilleur refroidissement

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

Matériau A

• Conductivité thermique : 12 W/mK
• Épaisseur finale du joint de collage : 0.30 mm
• Mauvais mouillage sous la pression disponible
• Quelques bulles d’air emprisonnées

Matériau B

• Conductivité thermique : 6 W/mK
• Épaisseur finale de la ligne de collage : 0.08 mm
• Bonne mouillabilité
• Très peu de vides

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

Il ne s’agit pas d’un cas limite rare. Cela se produit chaque fois que la conception mécanique, la méthode d’application ou le contact avec la surface prédomine dans le chemin thermique.

Le véritable indicateur de performance n’est pas la valeur de W/mK la plus élevée. C’est la résistance thermique ou l’impédance thermique stable la plus faible dans le dispositif réel.

Différents types de TIM répondent à des problématiques différentes

Une valeur élevée en W/mK doit être évaluée différemment selon le type de TIM.

Graisse thermique et pâte thermique

La graisse thermique peut offrir d’excellentes performances dans les interfaces minces et planes soumises à une pression adéquate. Toutefois, son efficacité dépend fortement de la qualité de l’application. Une quantité excessive augmente la résistance thermique, tandis qu’une quantité insuffisante laisse des vides. À long terme, les phénomènes de pompage ou de dessèchement peuvent également réduire les performances.

Pads thermiques

Les pads thermiques sont propres et offrent des performances reproductibles. Ils conviennent bien aux jeux contrôlés. Toutefois, les pads à conductivité thermique élevée peuvent être plus durs ou plus épais, ce qui peut réduire la qualité du contact si la pression est limitée.

Plaquettes thermiques PCM

Les pads thermiques PCM se manipulent comme des pads à température ambiante et offrent un meilleur mouillage à la température de fonctionnement. Ils conviennent lorsque les ingénieurs recherchent un assemblage plus propre qu’avec une graisse, mais une résistance de contact inférieure à celle d’un pad conventionnel.

Mastic thermique et bourrages de vide

Les mastics thermiques et produits de comblement d’interstices sont adaptés aux jeux irréguliers, aux composants de différentes hauteurs et aux surfaces non planes. Leur conductivité thermique en W/mK peut être inférieure à celle de certains pads, mais leur capacité à épouser les surfaces peut réduire les poches d’air et améliorer le refroidissement en conditions réelles.

Résines d'enrobage thermoconductrices

Les composés d’enrobage ne remplacent pas simplement les TIM. Ils encapsulent les composants et assurent une protection contre les agressions environnementales, un support mécanique et une dissipation thermique. Pour ces matériaux, la viscosité, le comportement de polymérisation, la maîtrise des bulles et la fiabilité peuvent être aussi importants que la conductivité. Les solutions HakTak Guide des résines d'enrobage thermoconductrices en électronique explique cette catégorie plus en détail.

Comment les ingénieurs doivent comparer les matériaux d’interface thermique (TIM)

Un processus de sélection plus pertinent des TIM commence par l’application, et non par la conductivité la plus élevée.

Les ingénieurs doivent définir :

• Type de source de chaleur
• Charge thermique en watts
• Zone de contact
• Élévation maximale admissible de la température
• Taille de l'entrefer et tolérance
• Planéité de surface
• Rugosité de surface
• Pression de serrage disponible
• Exigences d'isolation électrique
• Plage de températures de fonctionnement
• Conditions de cyclage thermique
• Exposition aux vibrations
• Refondre les exigences
• Méthode de production
• Risques environnementaux

Comparez ensuite les matériaux dans des conditions correspondant au produit réel.

Les questions importantes comprennent :

• Quelle est l’impédance thermique à la pression cible ?
• Quelle épaisseur de joint de collage a été utilisée lors des essais ?
• Le matériau mouille-t-il l’état de surface réel ?
• Le matériau reste-t-il stable après vieillissement ?
• Est-il sujet à l’effet de pompage lors des cycles thermiques ?
• Se dessèche-t-il ou se sépare-t-il ?
• Est-il électriquement isolant ?
• Est-il compatible avec l’assemblage automatisé ?
• Peut-il être appliqué de manière uniforme à grande échelle ?

Ce processus évite de payer trop cher un matériau à conductivité thermique élevée en W/mK qui ne résout pas le véritable goulot d’étranglement.

Quand une valeur élevée en W/mK est réellement importante

Cela ne signifie pas que la valeur en W/mK est sans importance. Une conductivité thermique élevée peut être très précieuse lorsque le reste de l’interface est déjà optimisé.

Une conductivité thermique élevée, exprimée en W/mK, devient plus importante lorsque :

• Le flux thermique est élevé
• Contact area is limited
• L’épaisseur de la ligne de collage ne peut pas être réduite davantage
• Les surfaces sont planes et la pression est contrôlée
• Le matériau peut mouiller correctement l’interface
• La fiabilité a été validée
• Le circuit de refroidissement est déjà bien conçu

Dans les modules haute puissance, les serveurs d’IA, les onduleurs pour véhicules électriques et les systèmes LED, un TIM à conductivité thermique plus élevée peut s’avérer nécessaire. Toutefois, il convient de le choisir après avoir vérifié que l’épaisseur, la pression et la qualité du contact sont également adaptées.

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

Erreurs courantes à éviter

La première erreur consiste à sélectionner les TIM en se basant uniquement sur leur conductivité. Une valeur de fiche technique est utile, mais elle ne peut pas représenter l’ensemble de l’assemblage.

La deuxième erreur consiste à appliquer trop de pâte thermique. Une couche plus épaisse peut augmenter la résistance thermique, même lorsque le matériau présente une valeur élevée en W/mK.

La troisième erreur consiste à négliger la pression. Un matériau performant sous forte compression peut être peu performant dans une conception à faible pression.

La quatrième erreur consiste à négliger la rugosité et la planéité de la surface. Un mauvais contact peut devenir le facteur dominant du chemin thermique.

La cinquième erreur consiste à négliger la fiabilité à long terme. Le phénomène de pump-out, le dessèchement, le dégazage et la séparation de la charge peuvent entraîner une hausse de la température avec le 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 la norme de mesure.

Perspective HakTak

Chez HakTak, nous considérons la conductivité thermique comme une spécification importante, mais pas comme une réponse suffisante à elle seule. Un TIM performant doit donner de bons résultats dans l’interface réelle, et pas uniquement lors d’un test de conductivité.

Pour la pâte thermique, cela signifie trouver le juste équilibre entre conductivité, viscosité, épaisseur d’application, résistance au pompage et stabilité à long terme. Pour les pads thermiques PCM à changement de phase, cela signifie adapter le comportement de changement de phase à la température et à la pression de fonctionnement. Pour les pads thermiques, cela signifie choisir la bonne épaisseur, la souplesse, l’isolation et la plage de compression adaptées. Pour le mastic thermique et les matériaux de comblement des jeux, cela signifie privilégier la capacité à épouser les surfaces et les performances de comblement des jeux.

Le meilleur matériau d’interface thermique est celui qui crée la résistance thermique stable la plus faible dans l’assemblage 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
• Taille de l'entrefer et tolérance
• Matériaux de surface
• Pression disponible
• Plage de températures de fonctionnement
• Besoins en isolation électrique
• Méthode d'assemblage
• Exigences de fiabilité
• Conditions environnementales

Grâce à ces informations, un fournisseur peut recommander un matériau sur la base de performances de refroidissement réelles, plutôt qu’en se fondant sur une simple valeur en W/mK.

Conclusion

Une valeur élevée en W/mK ne signifie pas toujours de meilleures performances de refroidissement, car la conductivité thermique n’est qu’un des éléments de la conception d’une interface thermique.

Les performances réelles dépendent de l’épaisseur de la couche de liaison, de la qualité du contact, du mouillage des surfaces, de la pression, de la maîtrise des vides, de la fiabilité et de la constance de la production. Un matériau moins conducteur peut être plus performant qu’un matériau plus conducteur s’il forme une interface plus fine, offrant un meilleur contact et une meilleure stabilité.

Les ingénieurs doivent utiliser les valeurs en W/mK pour une première sélection, mais la sélection finale de TIM doit être fondée sur la résistance thermique, l’impédance thermique, les essais en conditions d’application et la fiabilité à long terme.

L’objectif n’est pas de choisir le chiffre le plus élevé sur une fiche technique. Il est de choisir le matériau qui maintient le composant plus froid dans le produit réel.

Foire aux questions

Une valeur en W/mK plus élevée signifie-t-elle toujours une meilleure pâte thermique ?

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

Pourquoi un matériau avec une valeur W/mK plus faible TIM peut-il être plus performant ?

Une valeur de W/mK inférieure TIM peut donner de meilleurs résultats si elle permet d’obtenir une ligne de joint plus fine, mouille plus efficacement les surfaces, comble les vides et maintient 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 est souvent plus utile, car elle reflète les performances réelles de l’interface.

Une quantité excessive de pâte thermique peut-elle réduire le refroidissement ?

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

Pourquoi la pression de contact est-elle importante ?

La pression de contact aide les TIMs à s’étaler, à se comprimer et à combler les vides microscopiques. Si la pression est trop faible, un matériau peut ne pas atteindre les performances attendues.

Les pads thermiques à forte conductivité en W/mK sont-ils toujours meilleurs ?

Non. Les pads thermiques à conductivité élevée en W/mK peuvent être plus durs, plus épais ou moins conformables. Le choix optimal dépend de la taille de l’intervalle, de la compression, de l’état de surface et de la conception mécanique.

Que doivent vérifier les ingénieurs en plus de la conductivité thermique en W/mK ?

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

Quand choisir un matériau à conductivité thermique élevée (W/mK) ?

Optez pour un matériau à valeur W/mK élevée lorsque le flux thermique est important et que l’interface permet de respecter l’épaisseur, la pression, le contact et la fiabilité requis. Validez le matériau dans l’assemblage réel avant la production.