Pate Thermique

[F15]

Bonjour a toutes et a tous!




J'ai un petit probleme a vous poser a propos de calcul thermique

L'arrivee du "Predator powergem pad", une pastille de connection entre un microcontrolleur et son refroidisseur, est en train de faire un tabac sur la presse en ligne.
https://www.engadget.com/2019/09/04/...wergem-reveal/

Je voulais savoir s'il etait possible decalculer l’efficacité de ces pâtes thermique qui sont souvent specifiee en terme de "conductivité thermique" W/m·K

Quand je recherche la conductivité thermique je trouve des resultats tres differents

mais bon en gros je voudrais comment le probleme de CPU cooling peut etre simule

Je prend un cas normal un

CPU intel i7
surface de 75mm X 75mm
Power = 100W
pate thermique avec "conductivite thermique" de 10 a 5
0.5mm epaisseur de couche appliquee


quel est l'effet est repercute en temperature par ce patch?
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[F15]

Voila mes premieres pistes de calcul

d'apres wikipedia

q = -k (T2- T1) / L

i would say the heat flux q is
q = P/surface
q= 100W / 75mm2
q= 17, 777


L = thickness = 0.5mm

k = q*L/k = 888 degree!!!!

[harmoniciste]

Bonjour
Dans le système MKS, une surface s'exprime en m², non en mm², et une épaisseur s'exprime en m et non en mm.
Voyez les unités employées pour la conductivité thermique de votre pâte.

[F15]

J'ai bien pris en compte que les unités sont en m

[A voir en vidéo sur Futura]

[F15]

Autre piste de reflexion

P = -k (T2- T1) / L // dans le cas ou les surfaces en contact seraient de la meme taille

▲T = P * L / K
▲T = 100W * 0.0005m / 8.5
▲T = 0.00588 degree

[harmoniciste]

Voici le raisonnement développé:
Pour 1°K de delta T, votre pâte conduit 8.5 w par m² quand l'épaisseur vaut 1 m. Mais puisque l'épaisseur n'est que 0,5 mm, elle permettra 8,5/ 0,5 E-3 = 17 000 watts par m²
Mais au lieu de 1 m², votre surface vaut (75 E-3)² ou 5.6 E-3 m² et la puissance transmise ne vaut plus que 17000 w/m² * 5.6 E-3 m² = 95 watts
Et puisque votre puissance est 100 watts, le delta t sera 1°K *100/95 = 1,05°K

[F15]

Merci beaucoup de votre aide

donc si je résume l’unité que l'on a avec cette conductivité thermique est le W/ (m.K)

et l'on cherche a le transformer en K/W (recherche google m'indique que ça s'appelle la résistance thermique)

Rt = 1 / ( k.A/ L )

Rt = Résistance thermique K/W
k = W/m.K (thermal conductivité)
L = épaisseur
A = Area

▲T = Rt * P

[RomVi]

Bonjour

Il n'est pas possible d'appliquer un calcul, car la physique du transfert thermique appliquée à ce type de cas est plus complexe que les quelques formules évoquées plus haut.
La puissance échangée dépend notamment des états de surface, de la conductivité, de la viscosité de la pâte...
Les transferts au sein du processeur et du radiateur ont également une influence considérable, probablement plus que celle de la pâte.

La seule façon de juger de son efficacité est de fabriquer un petit banc de test.

[F15]

Je comprend bien mais le sujet que je voulais voir c'est que le paramètre de conductivité thermique a clairement presque aucun effet sur le résultat.

Donc quand des companies comme Acer sortent un produit comme le "Predator PowerGem" et mettent en avant cela:



clairement on peut que etre dubitatif

L'effet du parametre de conductivité thermique d'une microcouche de pate/pastille est insignifiant

[RomVi]

Il me semble surtout que ce graphique est un peu biaisé. Je ne vois pas comment une pâte thermique se retrouve nettement devant du cuivre, qui a une bien meilleure conductivité.
L'efficacité de la pâte n'est pas à négliger, mais d'une pâte à une autre je ne pense pas que les différences soient flagrantes.

[harmoniciste]

Il ne s'agit pas de la conductivité du cuivre, mais de celle de son contact sec.
Le calcul de F15 est parfaitement justifié et courant en électronique.
Avec un boitier 37.5 x 37.5 mm, et une pâte ordinaire (2 watts/m.K) le delta T pour 100 watts serait 17°K au lieu de 1°K, et l'argument avancé par "Predator PowerGem" prend tout son sens.

[RomVi]

Ce n'est pas précisé sur le graphique...
Si l'épaisseur est bien de 0.5mm ton calcul est correct, mais la réalité est un peu plus compliquée. Des surfaces bien ajustées laissent un vide de l'ordre du µm donc la conductivité de la pâte ne changera ps grand chose. Par contre sa viscosité est déterminante.

[F15]

En fait je viens d'y réfléchir et je me demande si en fait le problème complet ne se résume pas en fait a cette équation.

Voila une nouvelle théorie:

Est ce que le problème de la pâte thermique ne se résume pas en fait a retirer la pellicule d'air qui se forme entre le processeur et l'armature du ventilateur.
Annotation 2019-09-09 070931000.jpg

Pour essayer de quantifier cela pourquoi ne pas regarder les test qui ont déjà ete fait et particulierement celui la:

https://www.youtube.com/watch?v=D-pr4cf70qY

Annotation 2019-09-09 064319.jpg

Le résultat le plus intéressant est ce test avec aucune pâte.
L’hypothèse serait que sans pâte la jonction processeur/ ventilateur se résume a une surface d'aluminium et une surface d'air.

Donc deux résistances en parallèle.

En cherchant sur https://www.engineeringtoolbox.com/t...ity-d_429.html je trouve ces chiffres de conductivite thermique:
Aluminum Brass 121
Aluminum Oxide 30
Air 0.0262


Donc une exercice intéressant serait de savoir quelle surface est réellement en contact entre le processeur et le ventilateur(surement du au changement de température extrêmes, et aux imperfections microscopique des surfaces métalliques)

Dans le cas de ce test le processeur est un Core™ i7-5820K
surface 70mm X 70 mm
Puissance 140 W

premier test pâte thermique:
-Épaisseur couche ~300µm
-Materiel MX4 conductivite: 8.5 W/m.K
-resultat temperature T2 = 58 degree

2e test sans pate thermique:
-Épaisseur couche (x) a calculer ?
-Matériel air// aluminium 121 W/m.K, 0.0262 W/m.K
-résultat température T2 = 76 dégrée

[RomVi]

Difficile d’estimer les surfaces réellement en contact, car la couche d'air n'est pas d'épaisseur uniforme. De plus la conductivité de l'air n'a plus vraiment de sens avec une épaisseur aussi faible.

[harmoniciste]

la conductivité de l'air n'a plus vraiment de sens avec une épaisseur aussi faible.

Si on suppose que le défaut de planéité du capot embouti de 75 mm X 75 mm est de l'ordre de 10^-4 m et que le libre parcours moyen d'une molécule d'air est de l'ordre de 10^-7 m, je pense que la conductivité de l'air continue d'avoir un sens.

[RomVi]

Malheureusement il ne suffit pas d'avoir de vagues notions de physique pour être capable de deviner le comportement de la matière...
Avec une couche de 0.1mm d'air la conductivité de l'air est environ divisée par 10. Avec une couche de 1 à 10 µm (plus vraisemblable, car un processeur ou un radiateur avec un défaut de planéité de 0.1mm ressemblerait plus à du papier de verre) la conductivité est divisée environ par 100.

[harmoniciste]

un processeur ou un radiateur avec un défaut de planéité de 0.1mm ressemblerait plus à du papier de verre

Mes vagues notions de physique me permettent au moins de comprendre qu'un défaut de planéité n'a rien à voir avec la rugosité.

Avec une couche de 0.1mm d'air la conductivité de l'air est environ divisée par 10

Un lien pour confirmer cela? Merci d'avance.

[RomVi]

Tu joues un peu sur les mots, et ce n'est pas vraiment le sujet. En contrôlant un radiateur et un vieux processeur au comparateur sur mon marbre je vois que je suis en dessous de la précision de mon comparateur (0.01mm), l'aiguille ne bouge pas d'un poil, donc 0.1mm me semble un peu excessif.

En ce qui concerne le lien j'ai eu un peu de mal, mais j'ai trouvé ça : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2893850/

[F15]

Dans le cas de ce test le processeur est un Core™ i7-5820K
surface 70mm X 70 mm
Puissance 140 W

premier test pâte thermique:
-Épaisseur couche ~300µm
-Materiel MX4 conductivite: 8.5 W/m.K
-resultat temperature T2 = 58 degree

2e test sans pate thermique:
-Épaisseur couche (x) a calculer ?
-Matériel air// aluminium 121 W/m.K, 0.0262 W/m.K
-résultat température T2 = 76 dégrée


Rt = L / k.A
Rt = 300µm / (8.5 x (70mm)2)
Rt = 0.001045752

T1- T2 = 0.878431373


-Matériel air // aluminium 121 W/m.K, 0.0262 W/m.K
-résultat température T2 = 76 dégrée

T1-T2 = 76-55 = 21

Rt = P / ▲T
Rt = 140 / 21
Rt = 7 K/W

Rt = L / k.A

A = L/ Rt . k
A = 300µm / 7 x 121
A = 4.28571E-07 m2 (carre de 0.6mm de cote)

Le resultat parrait completement improbable.


Si je remplace la conductivite de l'aluminium par de l'oxyde d'aluminium j'obtient une zone de contact de 1.2mm de cote (zone total 7mm de cote)
J'ai aucune idee cela est realiste ou completement a cote de la plaque

[harmoniciste]

Le lien de Romvi montre en effet un coefficient de conduction thermique de l'air dix fois plus faible quand l'épaisseur du film est de l'ordre du 1/10 mm

et bien moins encore si l'épaisseur est de l'ordre du 1/100 mm
Ton résultat n'a rien d'étonnant si on suppose que les deux surfaces, polies mais nécessairement déformées, ne peuvent se toucher qu'en 3 "points" de contacts

[F15]

Merci mais le problème c'est que l'on met en parallèle deux résistance de valeur très différentes
l'aluminium très conducteur et de l'autre l'air très peu conducteur.

Meme si la conduction de l'air augmente par 10 fois a des épaisseurs faibles sa conductivité est encore 600 fois plus faible que l'aluminium

[harmoniciste]

Sans pâte, le moindre défaut de planéité fera que le contact métal/métal se fera en seulement trois endroits quasi-ponctuels. Le coef de conduction y est excellent, mais vu l'étroitesse de ces sections de passage, la chaleur passera très mal en ces points.
Sur le reste de la surface, l'épaisseur d'air est très faible, mais le coef. de conduction de l'air est très mauvais. La chaleur passe encore mal malgré la grande surface.
Quand la pâte remplace l'air sur cette grande surface, c'est essentiellement par là que passe la chaleur: la conduction est nettement améliorée.

[harmoniciste]

La courbe que montre le lien de RomVi me paraît quand même paradoxale: elle montre qu'une couche d'air de 1 mm conduit mieux la chaleur qu'une couche de 1/10 mm!

[RomVi]

A mon avis le problème vient plutôt des données d'entrée. Il faudrait que tu précises tes calculs, mais il y a quelques points à prendre en compte :
- La température du processeur n'est pas celle de l'interface en contact avec le radiateur.
- La température du radiateur n'est pas celle de l'air
- Le processeur ne dissipe pas nécessairement 140W.
- La couche de pâte ne fait pas forcement 300µm d'épaisseur (à moins que tu n'ai pris soin de mesurer toi même).

Par ailleurs les lois de la conduction classique ne s'appliquent plus pour des épaisseurs très petites.