Chapitre I : Généralités, Etat de l’Art et Problématiques
1. Les Matériaux d’Interface Thermique pour la microélectronique de puissance
1.2. Les TIMs : Généralités
1.2.2. Les Matériaux d’Interface Thermique Commerciaux
1.2.2. Les Matériaux d’Interface Thermique Commerciaux
Il y a actuellement plusieurs types de matériaux d’interface thermique disponibles sur le marché. Les principaux matériaux utilisés peuvent être regroupés en trois groupes :
- Les Composites, - Les Métaux,
- Les Matériaux à changement de phases (PCMs).
1.2.2.1. Le choix d’un matériau d’interface thermique
Plusieurs facteurs rentrent en ligne de compte pour le choix d’un matériau d’interface thermique. Les caractéristiques typiques qui peuvent influencer le choix d’un TIM sont les suivantes :
- Propriétés thermiques :
o La conductivité thermique
o La résistance thermique de contact - Propriété mécanique :
o La résistance à la rupture - Propriété électrique :
o La conductivité électrique - Mode de mise en œuvre :
o La pression o La viscosité
o L’état de surface des matériaux o La facilité d’application du TIM
o La zone de température de fonctionnement du système étudié
o La température de changement de phase (concernant les PCMs)
- La fiabilité, - Le coût,
- La performance.
Pour cela, l’ensemble des différents types de matériaux d’interfaces thermiques sont répertoriés dans les paragraphes suivants et le Tableau 1 présente les propriétés thermiques ainsi que les avantages et inconvénients de chacun.
1.2.2.2. Les Composites
Les composites disponibles sur le marché comprennent les graisses thermiques et les adhésifs constitués principalement des élastomères et des thermodurcissables.
Les graisses thermiques :
Ces matériaux sont constitués de deux composés : une matrice organique et des particules inorganiques. La matrice organique est généralement constituée de polymère à base de
17
silicone,9-10 ou encore de polyéthylène glycol. Concernant les particules inorganiques, ces dernières peuvent être des particules métalliques ou des oxydes choisis en fonction des propriétés souhaitées des graisses thermiques. Elles peuvent être conductrices électriques ou non. Les particules couramment utilisées sont Ag, Ni, Al, Cu pour les métalliques et SiO2, Al2O3, ZnO, etc., pour les oxydes. Quelques nitrures comme le BN ou bien AlN sont également trouvés.
La matrice organique procure les propriétés de viscosité, de tenue en température et dans le temps des graisses thermiques. Enfin, le taux de charge en particules inorganiques peut influer sur les propriétés rhéologiques du polymère.
Les graisses sont appliquées directement à la surface des matériaux. Leur fluidité permet de supprimer en partie les zones interstitielles remplies d’air et d’augmenter la conductance de l’ensemble. Cependant, ces matériaux n’étant pas adhésifs, ils sont destinés à des applications en TIMs 2.
Les adhésifs :
Les adhésifs conducteurs sont composés de la même façon que les graisses thermiques. Une matrice organique et des particules inorganiques sont présentes. Cependant, la matrice est cette fois-ci, une résine thermodurcissable telle qu’une résine époxy. Elle confère à l’assemblage une bonne résistance mécanique, mais le rend impossible à démonter. L’application visée rentre dans la catégorie des TIMs 1. Dans cette catégorie, il s’agit principalement d’élastomères. Ces matériaux sont similaires aux graisses thermiques, ils sont composés d’une matrice d’élastomère à base de silicone et de nanoparticules inorganiques. Le taux de charge en nanoparticules est un facteur important pour conférer au matériau les propriétés adéquates à son utilisation. Si le taux de charge est trop faible, alors il ne sera pas suffisamment conducteur thermique. A l’opposé, si le taux de charge est trop élevé, alors l’ensemble sera un bon conducteur thermique mais les propriétés données par l’élastomère telles que la possibilité de se conformer à l’état de surface des matériaux en contact et sa viscosité seront perdues.
1.2.2.3. Les métaux
Les soudures :
Grâce à leur excellente conductivité thermique, les soudures améliorent drastiquement la conductivité thermique entre deux substrats. Cependant, elles sont sensibles aux différences de CTE pouvant exister entre deux matériaux. Cela va provoquer des cassures et ainsi diminuer la fiabilité de l’ensemble. Pour réaliser une soudure, une feuille de métal est insérée entre deux matériaux. Le tout est chauffé à une température adéquate afin de faire fondre la
18
feuille et de permettre au liquide de se conformer à l’état de surface des matériaux environnants.
Les soudures ne présentent pas la possibilité d’être démontable, de ce fait, elles sont utilisées dans le cadre des TIMs 1.
1.2.2.4. Les matériaux à changement de phase
Les matériaux à changement de phase sont principalement destinés à des applications allant de 10 à 80°C. Les PCMs peuvent emmagasiner ou libérer de l’énergie durant leur changement d’état (principalement la fusion / solidification). Ils possèdent la propriété de fondre dans une plage de température comprise entre 50 et 80°C,11 correspondant aux températures de fonctionnement des composants de l’électronique de puissance à base de silicium. L’application visée de ces matériaux correspond au TIMs 2. Plusieurs types de PCMs peuvent être distingués par les catégories suivantes :
Les pads thermiques : 12
o Ils ont pour caractéristiques d’être solides à température ambiante, les rendant facilement manipulables. Ils sont similaires aux élastomères, mais sont pré-réticulés.
Les alliages à bas point de fusion : 13-14
o Ils doivent être à l’état liquide en dessous de la température de fonctionnement des composants électroniques afin de combler toutes les aspérités de surface des matériaux. Les métaux principalement utilisés sont le bismuth, l’indium, le galium et l’étain. Cependant, l’inconvénient majeur de ces métaux est qu’ils s’écoulent lorsqu’ils sont appliqués sur des interfaces verticales. De plus avec le cycle thermique, il y a apparition d’intermétalliques créés par oxydation et corrosion des métaux ce qui a pour effet de fortement diminuer leur capacité à dissiper la chaleur.
Les alliages à mémoire de formes : 15
o Ils sont composés de graisse thermique associés à un ou plusieurs alliages à mémoire de forme. L’élévation de la température provoque le changement de phase de l’alliage à mémoire de forme. Ce type de matériau est appliqué entre la source de chaleur et le dissipateur thermique. Typiquement, sont utilisés des colloïdes d’argent ou de silicium en tant que graisse et les charges utilisés, sont des nano-CuNiTi, nano-CuAlZn et nano-NiTiAlZ dont le diamètre varie de 10 à 100 nm.
19
L’argile exfoliée :16
o Ces matériaux sont composés de polymères, de nanoparticules conductrices thermiques et d’argile exfoliée. L’argile exfoliée à la propriété d’augmenter la conductivité thermique de l’ensemble avec seulement un taux de charge de 10% en masse. De plus, l’argile permet de réduire la diffusion de l’oxygène et de l’eau dans le matériau, ce qui améliore sa fiabilité et sa tenue dans le temps. Les charges fusibles / non fusibles :17
o La matrice est toujours composée d’un polymère à base de silicone, combinée
avec des charges fusibles et non fusibles. Les charges fusibles forment un matériau composite fusible. Les charges non fusibles permettent de créer un mélange avec les fusibles et renforcent les propriétés mécaniques du PCMs. Actuellement, un mélange composé de 60-90% en masse de charge fusible et de 5-50 % en masse de charge non fusible est utilisé pour obtenir les meilleures propriétés du PCM.
20 Type de TIM Conductivité thermique (W/m.K) Résistance thermique (mm²K/W) pour e=10µm
Avantages Inconvénients Exemples
Graisses et Gels thermiques
0,5-4 2,5-20
- Conductivité thermique peut être élevée
- Dépôt de faible épaisseur possible - Pas de délamination
des TIMs
- Pas d’étape de recuit
- Ecoulement sous sollicitations mécaniques Shinetsu X-23-7762-S 60% d’Al et 30% de Zn k = 3,7 W/m.K Elastomères 0,9-2,5 4-11 - Facile à manipuler - Contrôle de la quantité de dépôt - Capacité à se conformer à la surface - Pas de migration - Résistant à l’environnement - Bonne propriété électrique - Faible conductivité thermique - Etape de recuit nécessaire
- Délamination des TIMs possible - Coût élevé QPAD II Fibres de verre k = 2,5 W/m.K Adhésifs 0,8-1,5 6,7-12,5 - Capacité à se conformer à la rugosité de surface avant recuit - Pas de migration - Faible conductivité thermique - Etape de recuit nécessaire - Délamination possible - Problème d’adaptabilité des CTE Keratherm KL 90 Acrylate k = 1,4 W/m.K Soudures 30-50 0,2-0,3 - Excellente conductivité thermique - Formations d’intermétalliques diminuant la conductance thermique - Absence d’adaptabilité des CTE et délamination possible - Température de soudure élevée Indalloy #121 96,5 Sn et 3,5 Ag k = 30 W/m.K Matériaux à changement de phase 0,9-1,6 6,25-11 - Grande viscosité - Application aisée par
rapport aux graisses - Pas d’étape de recuit - Pas de délamination
possible des TIMs
- Faible conductivité thermique
- Application d’une pression nécessaire lors de la fermeture d’interface induisant un stress mécanique Hi Flow 300P-1,5 Bergquist Polyimide / PCM k = 1,6 W/m.K
21