Etats de surfaces et contact thermique

[Ravjulbespar]

Bonjour à toutes et tous,

Je cherche à étudier l'impact de l'état de surface de deux solides sur la conduction thermique entre les deux surfaces en contact.

Mon problème est le suivant : j'ai un composant de puissance qui chauffe beaucoup, à tel point qu'il n'est pas sur un PCB mais sur un tab en Cuivre, l'ensemble étant refroidi par un radiateur collé au tab.
Pour l'instant, et afin de garantir un contact thermique parfait entre le tab et le radiateur, nous disposons une fine couche de graphite entre les deux. Cette dernière permet de supprimer l'impact de la rugosité des surfaces en contact, mais a le désavantage de dégrader notablement la chaine thermique. L'idée serait donc de tenter de spécifier :
- l'état de surface minimum,
- le couple de serrage minimum,
à garantir pour assurer un contact thermique supposé parfait entre les deux solides, sans graphite, donc.

Je suis donc à la recherche de littérature sur la question, à moins que quelqu'un sur le forum se soit déjà penché sur le problème !

Merci à toutes et tous !

Cdt,

Ravjul Bespar.
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[LPFR]

Bonjour.
J'imagine que le composant est dans un boîtier métallique.
Si ce n'est pas le cas, le contact avec le radiateur n'est pas très critique.
Le meilleur contact thermique s'obtient avec des surfaces parfaitement planes. Mais je ne crois pas que l'on puisse imposer des surfaces optiquement planes.
Par contre je me demande si à la place de la couche de graphite, une couche de peinture conductrice à l'argent, n'est pas une meilleure solution. On remplace l'air dans les creux par un meilleur conducteur.
Au revoir.

[Ravjulbespar]

Bonjour,

Merci pour ta réponse !

En effet, le composant est dans un boîtier dans lequel s'établit un régime de convection naturelle. En revanche, l'extérieur du boîtier est soumis à un flux d'air.
En fait, les états de surface de la face du tab opposée au composant sont à définir en fonction de founisseur, ainsi d'ailleurs que celui de la base du radiateur. Or bien évidemment, plus la surface est garantie plane, et plus le coût de la pièce est élevé ! De la même manière, je souhaite ne spécifier aucun interface entre le tab et le radiateur, toujours dans une logique de baisse de coûts ; j'ai peur que la peinture d'argent ne soit plus onéreuse que le pad graphite...

Cdt,

Ravjul Bespar

[LPFR]

j'ai peur que la peinture d'argent ne soit plus onéreuse que le pad graphite...

Re.
Je ne suis pas si sur. Le pad en graphite demande de l'usinage et il coûte au moins quelques dizaines de centimes pièce. De plus il évite le contact direct et ne résout pas le problème de planéité, en fait il le multiplie par deux. La peinture n'a aucun des deux inconvénients. De plus, on a besoin de moins d'une goûte de peinture pour remplir les interstices et elle ne coûte pas si cher que ça.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[Ravjulbespar]

J'avoue ne pas avoir fait l'étude comparative ; c'était purement de l'a priori...

Cela dit, mon problème majeur reste qu'on me demande de supprimer tout type d'interface mécanique entre le tab et le radiateur, et de spécifier l'aspect de surface et les données de montage nécessaires pour assurer un contact thermique parfait sans graphite ni peinture... Et pour cela, j'aurais besoin d'en savoir un peu plus sur les états de surface et leurs conséquences sur le contact thermique, en fonction de la pression à laquelle deux pièces sont assemblées.

Cdt,

Ravjul Bespar

[obi76]

Et pourquoi ne pas simplement mettre de la pate thermique, après tout c'est fait pour ça...

[Ravjulbespar]

Eh bien parce que justement on me demande de ne rien mettre : ni pâte thermique, ni pad graphite, ni peinture d'argent...

Pour reformuler ma question très simplement : si je visse mon tab sur mon radiateur, avec des surfaces en contact dans des états standards (le radiateur est extrudé, donc tel qu'il sort de l'usine), puis-je considérer que le contact thermique est parfait, et que je n'ai donc pas besoin d'interface de contact thermique, et sinon, comment puis-je spécifier un couple de serrage et un état de surface pour y arriver ?

Ravjul Bespar

[invitec426b1c1]

Si tu autorises un matériau intermédiaire :
- Peinture d'argent par dépôt électrolytique (ou polymère conducteur si tu veux, ça coûte moins chère) sur ton tab.


Si tu n'en autorise pas :
-Sache d'abord que le contact parfait n'existe pas, et donc que l'air va créer des points de résistances thermiques. Plus il y aura de contact, mieux ça sera. Je pense que tu peux calculer la surface nécessaire si tu connais la surface de ton composant et la quantité de chaleur à dissiper.
-Si possible réaliser des polissages au disque diamant du support, ça améliorera l'état de surface.., sachant que pour le composant, tu risques de l'endommager si tu fais ça

[Ravjulbespar]

Pour l'instant, l'existant est un pad graphite. On me demande de concevoir un nouveau modèle faisant disparaître tout intermédiaire...

Je me doute bien que le contact thermique parfait n'existe pas ; ce que je souhaite, c'est caractériser la qualité de ce contact thermique en fonction de deux paramètres :
- l'état de surface de mes deux solides (pour les surfaces en contact), sachant que la finition de ma surface ne doit pas me coûter plus cher que l'existant (sans quoi je ne vois pas l'intérêt !),
- le couple de serrage des vis qui maintiennent assemblés les deux solides (c'est à dire la pression appliquée aux surfaces).

L'idée est de définir un pourcentage de bulles d'air dans la zone de contact, à partir de laquelle je pourrais extrapoler la résistance thermique correspondant au contact, et donc simuler l'imperfection du contact thermique (j'ai la formule toute prête !). Or je me doute que ce pourcentage dépend des deux paramètres précités, d'où la question de savoir si quelqu'un connaît la relation entre ce pourcentage et ces deux paramètres ?

Cdt,

Ravjul Bespar

[Ravjulbespar]

Bonjour à toutes et tous,

La fin de l'histoire...

Finalement, la caractérisation du contact imparfait se fait par le biais de l'air qui est piégé entre les deux pièces, et qui perturbe la conduction.
Donc en première approximation, en négligeant les effets radiatifs et convectifs (cas pire, donc), on peut simuler le contact imparfait par une lame conductrice de quelques microns d'épaisseur, composée d'air et de cuivre, et dont la section de passage varie en fonction du pourcentage d'air.
En l'occurence et pour comparer avec le graphite, j'ai supposé que mon contact se faisait sur la même épaisseur que le pad, soit 130µm, et j'ai considéré un contact thermique laissant 50% d'air. J'ai donc :
- donné à mon objet "contact imparfait" une conductivité thermique de 150 W/(m.K),
- divisé sa section par deux (donc des dimensions 1.41 plus petites que celles du pad graphite).
La comparaison est sans appel : le pad graphite a une conductivité orthotropique, mais dans le sens du cône de dissipation, elle n'est que de 10 W/(m.K). A comparer avec les 150 W/(m.K) de mon "contact", il n'y a pas photo ! Et les simus le prouvent ; je gagne environ 3°C à enlever le pad graphite.

En conclusion, et considérant qu'un contact thermique entre une plaque d'alu extrudé et une plaque de Cuivre étamé laissant 50% d'air au niveau de la surface de contact est un cas pire (et largement, même, je pense !), il vaut mieux ne pas utiliser de pad graphite.

Merci à ceux qui sont intervenus sur ce fil de discussion !

Cdt,

Ravjul