- La sélection d’une solution de dissipation thermique capable d’assurer le refroidissement efficace des systèmes électroniques embarqués n’est pas une sinécure.
- Parker Hannifin présente quatre exemples dans l’automobile pour lesquelles l’entreprise a proposé une solution reposant sur un matériau d’interface thermique répondant aux exigences de l’application en termes de facilité de dépose, de conformabilité, de force de compression et de durabilité à long terme.
Auteur : Scott Casper, Ingénieur d’applications sénior de la division Chomerics de Parker Hannifin
L’électronique embarquée dans les véhicules est de plus en plus compacte. Ce changement de dimensions est dû à la conception et à la fabrication de composants et d’assemblages de carte de circuit imprimé de plus en plus petits. Une autre tendance est l’augmentation rapide de la fonctionnalité des dispositifs électroniques embarqués dans les véhicules, permise par l’avènement de capacités de conception de systèmes plus intelligentes et plus complexes. Cependant, ces avancées s’accompagnent d’un certain nombre de problématiques que doivent résoudre les concepteurs de composants électroniques, notamment la nécessité d’une dissipation précise de la chaleur sur les composants embarqués afin de garantir leur fiabilité de fonctionnement.
Comme pour la plupart des défis techniques, la solution au problème de la chaleur dépend beaucoup de l’application. La division Chomerics de Parker est confrontée à de nombreuses demandes de la part des concepteurs de composants et systèmes automobiles qui cherchent à identifier le matériau d’interface thermique (MIT) optimal répondant à leurs exigences. Les quatre exemples de cas d’utilisation suivants livrent un aperçu des différents types de solutions disponibles et de leurs avantages respectifs.
Carte de circuit imprimé de modules d’infodivertissement
Les systèmes d’infodivertissement sont prisés par les acheteurs de voitures, en particulier dans le segment haut de gamme du marché. Ainsi, lorsqu’un fabricant de systèmes d’infodivertissement pour l’automobile s’est mis à la recherche d’un matériau d’interface thermique performant, l’entreprise a formulé un certain nombre d’exigences. Tout d’abord, le matériau d’interface thermique devait être suffisamment adaptable pour couvrir cinq zones de la carte, chacune avec une hauteur d’espacement et un encombrement différents. En outre, le produit devait atteindre un seuil de température spécifique, car la carte de circuit imprimé était soumise à un processus de soudure par refusion impliquant des températures pouvant atteindre 245 °C. Il s’agit d’un problème potentiel, car la température de service supérieure des gels à base de silicone n’est généralement que de 200 °C.
En résumé, le fabricant avait besoin de conseils sur le matériau optimal à choisir et sur la bonne quantité de gel à déposer sur chaque zone, ainsi que sur le meilleur équipement de dépose à utiliser pour cette opération. Bien que le client ait fourni une carte de circuit imprimé de production pour l’évaluation, l’équipe a généré des répliques imprimées en 3D qui pourraient mieux servir le développement de solutions puisqu’il était possible d’améliorer les cinq zones pour les essais de dépose de matériau d’interface thermique.
L’évaluation des matériaux potentiels sur les prototypes imprimés en 3D a été réalisée à l’aide d’un système de dépose de précision. La pâte thermique THERM-A-GAP™ TC50 s’est avérée être le choix idéal en raison de sa conductivité thermique élevée (5,0 W/m-K) et de sa facilité de dépose. Il est important de noter que l’équipe d’ingénierie du client a assisté aux tests et a donné son approbation préliminaire pour le matériau.
Des expériences ultérieures ont aidé à évaluer les effets de températures élevées sur les propriétés thermiques et mécaniques du composé de matériau d’interface thermique. L’exposition des échantillons au processus de soudure par refusion à 245 °C a démontré que l’impédance thermique et la viscosité ne fluctuaient pas dans le temps. Enfin, l’assemblage complet (carte de circuit imprimé avec matériau d’interface thermique et couvercle) a été soumis à une évaluation dans le profilé réel de soudure par refusion, où le gel TC50 a conservé sa structure rhéologique et ses propriétés thermiques.
Convertisseur de puissance
Les constructeurs de véhicules électriques et hybrides doivent de plus en plus utiliser des dispositifs de 12 V et 24 V. Au lieu d’un alternateur traditionnel, les véhicules électriques et hybrides utilisent un convertisseur CC/CC pour alimenter de tels dispositifs électriques. De tels convertisseurs de puissance doivent présenter un certain nombre d’attributs, comme la fiabilité, un faible poids et un rendement élevé, avec une faible ondulation de l’intensité/la tension et de faibles interférences électromagnétiques. Cependant, ces convertisseurs génèrent de la chaleur qui nécessite une dissipation efficace à travers le boîtier. Confronté à ce défi, un fournisseur de composants pour véhicules électriques a contacté la division Chomerics de Parker pour lui soumettre un certain nombre de demandes de matériau d’interface thermique concernant son nouveau convertisseur de puissance.
Le client souhaitait avant tout un débit de matériau élevé adapté à la cadence de cette application de dépose à haut volume, avec une force de compression inférieure à celle des matelas thermiques et gels de remplissage proposés par les solutions concurrentes. Parmi les autres facteurs souhaités figurent une faible impédance thermique pour un transfert de chaleur efficace, une jointure mince pour s’adapter aux espaces de montage réduits dans le convertisseur de puissance, ainsi que la fiabilité dans les applications verticales de test et à fortes vibrations. Le produit devait également présenter une bonne résistance diélectrique.
Après un processus d’évaluation minutieux, le composé monocomposant pré-durci THERM-A-GAP™ GEL 30 extrêmement conformable constituait la solution optimale, offrant une conductivité thermique de 3,5 W/m-K, un débit de 20 g/m et l’épaisseur minimale de jointure recommandée de seulement 0,10 mm. En outre, le matériau ayant été formulé pour le secteur automobile, les concepteurs du produit ont pensé dès le départ aux applications verticales et à la fiabilité en cas d’exposition aux vibrations sur le long terme.
Aujourd’hui, le fabricant peut facilement déposer le produit sur le dissipateur thermique selon différentes configurations. Bien qu’une solution de cartouche de 300 cm³ soit actuellement en place, le passage à la fabrication à haut volume entraînera l’adoption d’une unité de pompe de 1 gallon (3,79 litres) et d’un système de dépose à vanne.
Module ADAS
Bien entendu, certaines applications suscitent des inquiétudes au sujet de la contamination par le silicone, comme le positionnement des objectifs optiques dans les assemblages de caméras automobiles faisant partie des modules ADAS (Advanced Driver Assistance System, système avancé d’aide à la conduite). Autre défi lié aux modules ADAS : les puces et les capteurs d’image à semi-conducteur présents à l’intérieur des assemblages de caméras nécessitent souvent des efforts accrus en termes de dissipation thermique.
Par exemple, un grand fabricant de systèmes multifonctions de vision par caméra pour l’automobile a placé un module de capteur de caméra avec une carte de circuit imprimé à proximité d’une puce intégrée émettant de la chaleur pendant les cycles d’alimentation. L’objectif de la caméra étant si proche de la carte de circuit imprimé, le potentiel de contamination par le silicone rendait encore plus important le choix d’un matériau d’interface thermique adapté aux spécifications.
Un matériau thermique sans silicone était clairement requis, outre le fait de devoir se conformer aux normes automobiles PWIS (Paint-Wetting Impairment Substances). Malgré la disponibilité de matelas thermiques de remplissage sans silicone, les matelas thermiques n’étaient pas un choix pratique en raison de la production à haut volume du nouvel assemblage de caméra. Il est devenu évident que seul un matériau déposable pouvait répondre aux exigences de production nécessaires.
Le composé THERM-A-GAP™ GEL 25NS sans silicone répondait aux exigences avec sa conductivité thermique de 2,5 W/m-K. Dans le cadre d’un processus d’évaluation, l’application d’une simulation d’analyse par éléments finis (FEA) a permis de prédire la force de réaction du matériau thermique pendant et après sa dépose. La simulation a montré que le produit n’entraînerait pas de déformation et/ou d’endommagement de la carte de circuit imprimé/du circuit intégré. Un autre avantage tient à sa couleur jaune, qui facilite la reconnaissance par les caméras de la chaîne d’assemblage.
Module de sécurité ADAS
Tous les modules ADAS nécessitent généralement des matériaux d’interface thermique hautes performances, déposés par robotisation, offrant une dépose facile, une faible compression et un débit adapté aux exigences de production à haut volume. Dans cette application de module de sécurité ADAS, le client a d’abord exprimé sa préférence pour les matelas thermiques de remplissage plutôt que pour les matériaux d’interface thermique déposables, en grande partie à cause des échecs rencontrés avec ces derniers. Cependant, les matelas thermiques ne constituaient pas une bonne option pour une application à si haut volume, d’autant plus que le matériau devait présenter des performances thermiques supérieures à celles des matelas thermiques généralement utilisés par le client (> 3 W/m-K).
Le client a estimé que le composé THERM-A-GAP™ GEL 45 était le matériau d’interface thermique optimal, et c’est celui qu’il a finalement choisi. Des tests approfondis ont montré que le produit pouvait offrir un débit adapté à une production à flux élevé (55 g/min), appuyé par une conductivité thermique de 4,5 W/m-K. La couleur noire du gel le rend également facile à distinguer par les caméras de la chaîne d’assemblage du client.
