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Impédance thermique


Définition scientifique

Dans les appareils électroniques, la gestion thermique est un facteur crucial de performance car la surchauffe des composants peut entraîner des défaillances. La tâche consiste à transférer la chaleur générée par l’électronique vers des dispositifs de refroidissement, tels que des dissipateurs thermiques ou des radiateurs. Cependant, même le dissipateur de chaleur le plus efficace ne peut pas dissiper la chaleur de manière optimale si les surfaces de contact ne gèrent pas le transfert de chaleur nécessaire. Malgré les processus de fabrication modernes, une certaine rugosité de surface subsiste sur laquelle se produisent des inclusions d’air microscopiques.

Les matériaux d’interface thermique, abrégés TIMs, sont conçus pour remplir ces vides entre les composants afin que le transfert de chaleur soit considérablement amélioré. Cela signifie également que la résistance de contact entre le composant générant de la chaleur et le dissipateur thermique devrait être réduite à l’aide du TIM.

Tim Hohlräume

Propriétés thermiques des TIMs

La performance d’un TIM dépend donc de ses propriétés thermiques, les propriétés les plus couramment utilisées dans l’industrie et qui sont répertoriées dans les fiches techniques sont la conductivité thermique et l’impédance thermique. L’avantage de se pencher sur l’impédance thermique d’un TIM est qu’elle reflète également les conditions d’une application, car elle tient compte par exemple de l’épaisseur du matériau et de la pression de serrage.
La conductivité thermique est une propriété spécifique au matériau et décrit la capacité d’un matériau à conduire la chaleur. Cela signifie que pour la gestion thermique, il est avantageux d’utiliser un TIM avec une haute conductivité thermique pour améliorer l’effet de refroidissement.

Liée à cela est la résistance thermique qui est la capacité à résister à un flux de chaleur. Contrairement à la conductivité thermique, la résistance thermique dépend de l’épaisseur du matériau. Ainsi, pour une conductivité thermique constante, cela signifie que plus le matériau est épais, plus la résistance thermique est élevée.

La conception thermique et le choix d’un TIM doivent considérer non seulement la conductivité thermique du matériau mais aussi la résistance de contact entre le composant générant la chaleur, le TIM et le dissipateur thermique. Ici, l’impédance thermique entre en jeu : elle décrit la somme de la résistance thermique et de la résistance de contact, c’est-à-dire qu’elle est l’opposition totale qu’un assemblage, qui est le matériau et les interfaces du matériau, présente au flux de chaleur. Cela signifie que idéalement, le matériau TIM a une haute conductivité thermique et en même temps possède une faible impédance thermique.

Méthode de mesure

Les mesures d’impédance thermique sont généralement effectuées en utilisant un qui confirme la norme ASTM D5470. Il utilise une méthode en régime permanent où un échantillon est serré entre une barre chauffante et une barre refroidissante. Le gradient de température sur l’échantillon, le flux de chaleur résultant ainsi que la surface de test, qui a la même taille que le matériau, sont ensuite utilisés pour le calcul de l’impédance thermique. L’impédance thermique mesure donc la résistance thermique de l’échantillon plus la résistance thermique interfaciale entre le matériau et les surfaces de test et est notée θ et donnée en unité de m2∙K/W.

Formula for calculating the thermal impedance

A: surface des barres de mesure, [m2]
TH: température de la surface chaude de la barre de mesure en contact avec l’échantillon, [K]
TC: température de la surface froide de la barre de mesure en contact avec l’échantillon, [K].
Q: flux de chaleur [W].

La résistance de contact varie en fonction de la surface de l’échantillon et de la pression appliquée par les surfaces de test sur le matériau testé, donc la pression est enregistrée par le testeur TIM. L’épaisseur de l’échantillon est également mesurée.

Avec le testeur TIM, on peut également déterminer la conductivité thermique apparente, c’est-à-dire la conductivité thermique spécifique aux conditions de test. Pour cela, il faut exclure la résistance thermique interfaciale. Cela peut être fait en mesurant et en traçant d’abord l’impédance thermique en fonction de différentes épaisseurs d’échantillon. Cela résulte en une ligne droite dont l’inverse de la pente est la conductivité thermique apparente et l’interception à épaisseur zéro correspond à la résistance de contact aux deux surfaces de test.

Linsei's TIM tester close up