Pâtes, adhésifs, composés thermoconducteurs et interfaces thermiques isolantes — but et application

Pour améliorer la qualité du transfert de chaleur d'une surface à refroidir efficacement vers un dispositif destiné à récupérer cette chaleur, on utilise des interfaces dites thermiques.

Une interface thermique est une couche, généralement d'un composé thermoconducteur à plusieurs composants, généralement une pâte ou un composé.

Les interfaces thermiques les plus populaires aujourd'hui sont celles utilisées pour les composants microélectroniques des ordinateurs : pour les processeurs, pour les puces de cartes vidéo, etc. Les interfaces thermiques sont largement utilisées dans d'autres appareils électroniques, où les circuits de puissance subissent également un échauffement élevé et nécessitent donc un refroidissement efficace et de haute qualité... Les interfaces thermiques sont également applicables dans tous les types de systèmes d'alimentation en chaleur.

D'une manière ou d'une autre, divers composés thermiquement conducteurs sont utilisés dans la production d'électronique de puissance, d'électronique radio, d'équipements informatiques et de mesure, dans des appareils avec capteurs de température, etc., c'est-à-dire où il y a généralement des composants chauffés par le courant de fonctionnement ou d'une autre manière.avec une grande dissipation thermique. Il existe aujourd'hui des interfaces thermiques sous les formes suivantes : pâte, colle, composé, métal, joint.

Pâte de transfert de chaleur

La pâte thermique ou simplement la pâte thermique est une forme très courante d'interface thermique moderne. Il s'agit d'un mélange plastique multi-composants avec une bonne conductivité thermique. Les pâtes thermiques sont utilisées pour réduire la résistance thermique entre deux surfaces de contact, par exemple entre une puce et un radiateur.

Grâce à la pâte thermiquement conductrice, l'air à faible conductivité thermique entre le radiateur et la surface refroidie est remplacé par une pâte à conductivité thermique nettement plus élevée.

Les pâtes de fabrication russe les plus courantes sont KPT-8 et AlSil-3. Les pâtes Zalman, Cooler Master et Steel Frost sont également populaires.

Les principales exigences pour la pâte thermoconductrice sont qu'elle ait la résistance thermique la plus faible possible, qu'elle conserve de manière stable ses propriétés dans le temps et sur toute la plage de températures de travail, qu'elle soit facile à appliquer et à laver et, dans certains cas, qu'elle est utile qu'il y ait propriétés d'isolation électrique.

La production de pâtes thermoconductrices est liée à l'utilisation des meilleurs composants thermoconducteurs et des charges ayant une conductivité thermique suffisamment élevée.

Poudres et mélanges microdispersés et nanodispersés à base de tungstène, cuivre, argent, diamant, oxyde de zinc et d'aluminium, nitrure d'aluminium et de bore, graphite, graphène, etc.

Le liant entrant dans la composition de la pâte peut être une huile minérale ou synthétique, divers mélanges et liquides peu volatils. Il existe des pâtes thermiques dont le liant est polymérisé à l'air.

Il arrive que pour augmenter la densité de la pâte, des composants facilement vaporisables soient ajoutés à sa composition de sorte qu'une fois appliquée, la pâte est liquide et se transforme ensuite en une interface thermique à haute densité et conductivité thermique. Les compositions de conductivité thermique de ce type ont la propriété caractéristique d'atteindre une conductivité thermique maximale après 5 à 100 heures de fonctionnement normal.

Il existe des pâtes à base de métal qui sont liquides à température ambiante. Ces pâtes sont constituées de gallium et d'indium purs, ainsi que d'alliages à base de ceux-ci.

Les pâtes les meilleures et les plus chères sont en argent. Les pâtes à base d'oxyde d'aluminium sont considérées comme optimales. L'argent et l'aluminium donnent la plus faible résistance thermique du produit final. Les pâtes à base de céramique sont moins chères, mais aussi moins efficaces.

La pâte thermique la plus simple peut être fabriquée en mélangeant la poudre de plomb d'un crayon graphite ordinaire frotté sur du papier de verre avec quelques gouttes d'huile minérale lubrifiante.

Comme indiqué ci-dessus, une utilisation courante de la pâte thermique est en tant qu'interfaces thermiques dans des dispositifs électroniques lorsque cela est nécessaire et appliquée entre un élément générant de la chaleur et une structure de dissipation de chaleur, par exemple entre un processeur et un refroidisseur.

La principale chose à observer lors de l'utilisation d'une pâte thermoconductrice est de maintenir l'épaisseur de la couche au minimum. Pour y parvenir, il est nécessaire de suivre strictement les recommandations du fabricant de la pâte.

Un peu de pâte est appliquée sur la zone de contact thermique des deux pièces puis simplement émiettée en pressant les deux surfaces l'une contre l'autre. Ainsi, la pâte comblera les moindres piqûres sur les surfaces et contribuera à la formation d'un milieu homogène pour la diffusion et le transfert de la chaleur vers l'extérieur.

La graisse thermique est bonne pour refroidir divers assemblages et composants électroniques, dont le dégagement de chaleur est supérieur à celui autorisé pour un certain composant, en fonction du type et des caractéristiques d'un boîtier particulier. Microcircuits et transistors d'alimentations à découpage, scanners linéaires de lampes d'image, étages de puissance d'amplificateurs acoustiques, etc. Ce sont des endroits courants pour utiliser de la pâte thermique.

Adhésif de transfert de chaleur

Lorsque l'utilisation de pâte thermoconductrice est impossible pour une raison quelconque, par exemple en raison de l'impossibilité de presser fermement les composants les uns contre les autres avec des attaches, ils ont recours à l'utilisation de colle thermoconductrice. Le radiateur est simplement collé au transistor, au processeur, à la puce, etc.

La connexion s'avère indissociable, elle nécessite donc une approche très précise et le respect de la technologie pour un collage correct et de haute qualité. Si la technologie est violée, l'épaisseur de l'interface thermique peut s'avérer très importante et la conductivité thermique du joint se détériorera.

Mélanges d'empotage thermoconducteurs

Lorsque, outre une conductivité thermique élevée, une herméticité, une résistance électrique et mécanique sont requises, les modules refroidis sont simplement remplis d'un mélange polymérisable, conçu pour transférer la chaleur du composant chauffé au boîtier de l'appareil.

Si le module refroidi doit dissiper beaucoup de chaleur, alors le composé doit également avoir une résistance suffisante à l'échauffement, au cyclage thermique, et être capable de supporter la contrainte thermique résultant du gradient de température à l'intérieur du module.

Métaux à bas point de fusion

Les interfaces thermiques gagnent de plus en plus en popularité en se basant sur le soudage de deux surfaces avec un métal à bas point de fusion. Si la technologie est appliquée correctement, il est possible d'obtenir une conductivité thermique record, mais la méthode est complexe et comporte de nombreuses limitations.

Tout d'abord, il est nécessaire de préparer qualitativement les surfaces de contact pour l'installation, en fonction de leur matériau, cela peut être une tâche difficile.

Dans les industries de haute technologie, il est possible de souder tous les métaux, malgré le fait que certains d'entre eux nécessitent une préparation de surface spéciale. Dans la vie de tous les jours, seuls les métaux qui se prêtent bien à l'étamage seront qualitativement liés : cuivre, argent, or, etc.

La céramique, l'aluminium et les polymères ne se prêtent pas du tout à l'étamage, avec eux la situation est plus compliquée, ici il ne sera pas possible de réaliser une isolation galvanique des pièces.

Avant de commencer à souder, les futures surfaces à assembler doivent être nettoyées de toute saleté. Il est important de le faire efficacement, de le nettoyer des traces de corrosion, car à basse température, les flux n'aident généralement pas.

Le nettoyage est généralement effectué mécaniquement à l'aide d'alcool, d'éther ou d'acétone. C'est pour cela qu'un chiffon dur et une lingette alcoolisée sont parfois présents dans l'emballage de l'interface thermique.Le travail doit être effectué avec des gants, car la graisse qui peut être obtenue des mains détériorera certainement la qualité de la soudure.

La soudure elle-même doit être effectuée avec chauffage et respect de la force spécifiée par le fabricant. Certaines des interfaces thermiques industrielles nécessitent un préchauffage obligatoire des pièces connectées à 60-90 °C et cela peut être dangereux pour certains composants électroniques sensibles. Le chauffage initial est généralement effectué avec un sèche-cheveux, puis la soudure est complétée par l'auto-échauffement de l'appareil de travail.

Les interfaces thermiques de ce type sont vendues sous forme de feuille de gloire avec un point de fusion légèrement supérieur à la température ambiante, ainsi que sous forme de pâtes. Par exemple, l'alliage de Fields sous forme de feuille a un point de fusion de 50 ° C. Galinstan sous forme de pâte fond à température ambiante. Contrairement à la feuille, les pâtes sont plus difficiles à utiliser car elles doivent être très bien incrustées dans les surfaces à souder, tandis que la feuille ne nécessite qu'un chauffage approprié lors de l'assemblage.

Joints d'isolation

En électronique de puissance, une isolation électrique entre les éléments de transfert de chaleur et les éléments de dissipation thermique est souvent requise. Par conséquent, lorsque la pâte thermoconductrice ne convient pas, des substrats en silicone, en mica ou en céramique sont utilisés.

Les coussinets souples flexibles sont en silicone, les coussinets durs sont en céramique. Il existe des cartes de circuits imprimés à base d'une feuille de cuivre ou d'aluminium recouverte d'une fine couche de céramique, sur laquelle sont appliquées des traces de feuille de cuivre.

Ce sont généralement des planches à une face, d'un côté de la piste, et de l'autre, il y a une surface pour la fixation au radiateur.

De plus, dans des cas particuliers, des composants de puissance sont produits dans lesquels la partie métallique du boîtier, qui est fixée au radiateur, est immédiatement recouverte d'une couche d'époxy.

Caractéristiques de l'utilisation des interfaces thermiques

Lors de l'application et du retrait de l'interface thermique, il est nécessaire de suivre strictement les recommandations de son fabricant, ainsi que du fabricant de l'appareil refroidi (refroidissement). Il est important d'être particulièrement prudent lorsque vous travaillez avec des interfaces thermiques conductrices d'électricité, car son excès peut pénétrer dans d'autres circuits et provoquer un court-circuit.