De quoi est faite la pâte thermique et quelle quantité faut-il en appliquer ?
La pâte thermique, également connue sous le nom de matériau d'interface thermique (TIM), est un composé thermoconducteur qui remplit les micro-interstices d'air entre la puce d'un CPU/GPU et son dissipateur thermique. Elle est principalement composée d'une matrice polymère (silicone, acrylique ou époxy) chargée de particules céramiques, métalliques ou à base de carbone. La quantité optimale à appliquer est une goutte de la taille d'un petit pois (environ 0,05 à 0,1 centimètre cube) placée au centre du dissipateur thermique intégré (IHS), ce qui donne une épaisseur de ligne de liaison après montage de 0,05 à 0,1 millimètre.
Composition des matériaux et conductivité thermique
Le matériau de base détermine les propriétés de manipulation de la pâte, tandis que la charge détermine ses performances thermiques. La matrice polymère (généralement 20 à 30 % en volume) assure la viscosité et empêche le pompage, tandis que la charge conductrice (70 à 80 % en volume) fournit le chemin de transfert de chaleur.
Charges courantes et leurs valeurs de conductivité thermique : - Oxyde de zinc : 25 W/mK (taille des particules 0,5 à 10 micromètres) - Oxyde d'aluminium : 30 W/mK (taille des particules 1 à 20 micromètres) - Nitrure de bore : 60 W/mK (structure cristalline hexagonale) - Argent : 429 W/mK (paillettes ou sphères, 1 à 5 micromètres) - Poudre de diamant : 900 à 2000 W/mK (synthétique, 0,5 à 2 micromètres) - Nanotubes de carbone : 3000 W/mK (alignés, mais difficiles à disperser)
Pour référence, l'air a une conductivité thermique de seulement 0,026 W/mK. Un espace d'air de 0,05 mm sous une puce CPU de 100 W peut provoquer une élévation de température de plus de 20 degrés Celsius, ce qui rend la pâte indispensable. La conductivité thermique effective du composé final varie de 1,5 W/mK pour les pâtes céramiques économiques à 12,5 W/mK pour les alliages de métal liquide haut de gamme (eutectique gallium-indium, point de fusion 15,7 degrés Celsius).
Viscosité et ingénierie de la taille des particules
La viscosité est mesurée en centipoises (cP). Les pâtes standard à base de silicone vont de 200 000 à 350 000 cP à 25 degrés Celsius. Les pâtes à haute viscosité (au-dessus de 400 000 cP) résistent au pompage dans les environnements à fortes vibrations mais nécessitent une pression de montage plus élevée. Les pâtes à faible viscosité (en dessous de 150 000 cP) s'étalent facilement mais peuvent souffrir d'un « pompage » après des cycles thermiques.
La distribution de la taille des particules affecte directement l'épaisseur minimale de la ligne de liaison. Une pâte avec des particules de 10 micromètres ne peut pas atteindre une ligne de liaison plus fine que 10 micromètres sans que les particules ne comblent l'espace et ne rayent la puce ou le dissipateur. Les pâtes de précision pour le refroidissement direct de la puce utilisent des particules de 0,5 à 3 micromètres pour obtenir des lignes de liaison de 25 à 50 micromètres.
Notre usine BQUQ utilise un broyeur à trois cylindres pour la dispersion des particules, atteignant une uniformité de plus ou moins 2 pour cent en volume. Nous testons chaque lot à l'aide d'un analyseur granulométrique par diffraction laser (Malvern Mastersizer 3000) pour garantir que les valeurs D50 (taille médiane des particules) restent dans une tolérance de 0,5 micromètre par rapport aux spécifications.
Quantité d'application : la règle des 0,1 gramme
La quantité correcte de pâte thermique est fonction de la surface de l'IHS et de l'épaisseur souhaitée de la ligne de liaison. La formule est :
Volume (millimètres cubes) = Surface (millimètres carrés) x Épaisseur de la ligne de liaison (millimètres)
Pour un CPU AMD AM5 standard (surface IHS de 558 millimètres carrés), une ligne de liaison de 0,05 mm nécessite 27,9 millimètres cubes de pâte. Pour un Intel LGA1700 (surface IHS de 455 millimètres carrés), la même ligne de liaison nécessite 22,8 millimètres cubes.
En termes pratiques, cela équivaut à : - Goutte de la taille d'un petit pois : 4 à 5 millimètres de diamètre (environ 30 à 50 millimètres cubes) - Ligne de la taille d'un grain de riz : 3 à 4 millimètres de long, 1,5 millimètre de large (environ 15 à 25 millimètres cubes) - Motif en X : 2 lignes qui se croisent, chacune de 5 millimètres de long, 2 millimètres de large (environ 40 à 60 millimètres cubes)
Appliquer trop de pâte (plus de 100 millimètres cubes) crée une pression hydraulique qui soulève le dissipateur, augmentant la ligne de liaison à 0,2 millimètre ou plus. Cela augmente la résistance thermique de 40 à 60 pour cent. En appliquer trop peu (moins de 10 millimètres cubes) laisse des poches d'air couvrant 15 à 25 pour cent de la surface de la puce, provoquant des points chauds localisés de 5 à 8 degrés Celsius au-dessus de la moyenne.
Données comparatives de performance
| Type de pâte | Conductivité thermique (W/mK) | Viscosité (cP) | Ligne de liaison optimale (mm) | Prix par gramme (USD) | Réduction de température vs espace d'air (degrés C) |
| Céramique (oxyde de zinc) | 1,5 - 3,0 | 150 000 - 250 000 | 0,08 - 0,12 | 0,50 - 1,50 | 18 - 22 |
| Oxyde métallique (alumine) | 3,0 - 5,0 | 200 000 - 300 000 | 0,06 - 0,10 | 1,50 - 3,00 | 22 - 28 |
| Nitrure de bore | 5,0 - 8,0 | 250 000 - 350 000 | 0,05 - 0,08 | 3,00 - 6,00 | 28 - 35 |
| Argent (micro-particules) | 6,0 - 10,0 | 180 000 - 280 000 | 0,04 - 0,07 | 5,00 - 10,00 | 30 - 40 |
| Métal liquide (alliage de gallium) | 40,0 - 80,0 | 1 000 - 3 000 (liquide) | 0,02 - 0,04 | 15,00 - 25,00 | 45 - 55 |
Note : La réduction de température est mesurée à une puissance de puce de 100 W, à 25 degrés Celsius ambiants, avec un dissipateur en cuivre. Le métal liquide est électriquement conducteur et nécessite un IHS en cuivre nickelé pour prévenir la corrosion du gallium.
Méthode d'étalement et pression de montage
La méthode d'étalement optimale dépend de la viscosité de la pâte et du mécanisme de montage du dissipateur. Pour les pâtes au-dessus de 250 000 cP, la méthode du petit pois (point central) est recommandée car la pression de montage étale naturellement la pâte vers l'extérieur. Pour les pâtes en dessous de 200 000 cP, la méthode d'étalement en couche mince (à l'aide d'une lame de rasoir ou d'une spatule pour appliquer une couche uniforme) est plus fiable.
La pression de montage est cruciale. La pression de contact recommandée pour un IHS métallique sur un dissipateur en cuivre est de 20 à 40 livres par pouce carré (psi), obtenue grâce à une plaque de renfort avec des vis à ressort. À 20 psi, la pâte se comprime à 90 pour cent de son volume d'origine. À 40 psi, elle se comprime à 80 pour cent. Dépasser 60 psi peut faire expulser complètement la pâte, laissant un joint sec.
Les cycles thermiques (allumage/extinction) provoquent une dilatation différentielle entre la puce (coefficient de dilatation thermique de 2,6 ppm/K pour le silicium), l'IHS (16,5 ppm/K pour le cuivre) et le dissipateur (23 ppm/K pour l'aluminium). Ce mouvement, typiquement de 5 à 15 micromètres par cycle, peut pomper la pâte hors de l'espace. Les pâtes à haute viscosité et celles avec un indice thixotrope supérieur à 2,0 (où la viscosité diminue sous cisaillement et se rétablit au repos) résistent à cet effet de pompage.
Contrôle qualité en fabrication
Chez BQUQ, nous fabriquons des pâtes thermiques pour clients industriels selon des processus certifiés ISO 9001:2015. Nos paramètres critiques sont : - Conductivité thermique mesurée par la méthode de la plaque chaude gardée (ASTM D5470), tolérance de plus ou moins 5 pour cent - Viscosité mesurée par viscosimètre rotatif Brookfield à 25 degrés Celsius, tolérance de plus ou moins 10 pour cent - Taille des particules D50 par diffraction laser, tolérance de plus ou moins 0,5 micromètre - Dégazage testé selon ASTM E595, perte de masse totale inférieure à 1 pour cent pour les applications de qualité spatiale - Durée de conservation : 24 mois à 25 degrés Celsius, 60 pour cent d'humidité relative, dans un emballage seringue scellé
Pour la production à grand volume (plus de 10 000 unités par mois), nous recommandons un dosage automatisé utilisant une seringue pneumatique avec une aiguille de 0,6 millimètre. La pression de dosage est réglée de 60 à 80 psi, avec un temps de cycle de 0,8 à 1,2 seconde par point. Le poids du point est vérifié en cours de processus à l'aide d'une balance de contrôle avec une tolérance de plus ou moins 5 milligrammes.
Conseils d'application façon FAQ
1. Faut-il étaler la pâte avec une carte ? Uniquement si la viscosité de la pâte est inférieure à 200 000 cP et si la puce est en contact direct (sans IHS). Pour les CPU montés avec IHS, la méthode du petit pois est supérieure car elle évite d'introduire des bulles d'air. 2. Comment savoir si vous en avez appliqué trop ? Si vous voyez de la pâte s'échapper des côtés de l'IHS après le montage, vous en avez appliqué 30 à 50 pour cent de trop. Essuyez-la avec de l'alcool isopropylique (90 pour cent ou plus) et réappliquez. 3. La pâte expire-t-elle ? Oui. Après 24 mois, la matrice polymère s'oxyde et la viscosité augmente jusqu'à 30 pour cent. La conductivité thermique ne se dégrade pas, mais la pâte devient plus difficile à étaler uniformément. 4. Peut-on réutiliser la pâte après avoir retiré le dissipateur ? Non. Une fois la ligne de liaison rompue, des poches d'air se forment dans la pâte. Nettoyez toujours les deux surfaces avec de l'alcool isopropylique et appliquez de la pâte fraîche. 5. Quelle est la température minimale d'application ? Appliquez à température ambiante (20 à 25 degrés Celsius). En dessous de 10 degrés Celsius, les pâtes à base de silicone deviennent 50 pour cent plus visqueuses et ne s'étaleront pas correctement.
Conclusion
La pâte thermique est un composite de précision composé d'une matrice polymère et d'une charge thermoconductrice, avec des tailles de particules et des viscosités ajustées pour des exigences spécifiques de ligne de liaison. La quantité correcte est une goutte de la taille d'un petit pois (30 à 50 millimètres cubes) pour les surfaces IHS standard de CPU, ce qui produit une ligne de liaison de 0,05 à 0,1 millimètre sous une pression de montage de 20 à 40 psi. Utiliser le bon type et la bonne quantité de pâte réduit les températures du CPU de 20 à 55 degrés Celsius par rapport à un espace d'air sec, ce qui impacte directement la fiabilité du système et sa durée de vie.
Pour les ingénieurs qui ont besoin de matériaux d'interface thermique cohérents et reproductibles pour la production, BQUQ propose des pâtes formulées sur mesure avec des tolérances serrées et un processus de devis en 12 heures. Notre équipe peut répondre à votre budget thermique, à vos exigences de viscosité et à votre méthode de dosage. Contactez-nous à sc@bquq.com ou via WhatsApp au +86 13713157787, ou visitez www.bquq.com pour les fiches techniques et les demandes d'échantillons.
