Matériaux d’interface thermique

La chaleur monte en puissance

Les progrès dans le domaine des véhicules électriques augmentent les exigences envers les matériaux d’interface thermique. Peter Donaldson examine ce qui est pertinent et ce qui ne l’est pas.

Un matériau d’interface thermique (MIT) a pour fonction apparemment simple : combler les micro-espaces d’air entre une source de chaleur et un dissipateur thermique afin de permettre le transfert d’énergie thermique. Pendant des décennies, cela se faisait généralement à l’aide d’un matériau simple choisi dans un catalogue en fonction d’un seul indicateur de conductivité thermique volumétrique. Ce n’est plus le cas aujourd’hui. Trois tendances convergentes dans les véhicules électriques entraînent des changements fondamentaux dans ces matériaux.

Le premier aspect concerne le passage vers des architectures de batteries de type cellule à boîtier et cellule au châssis. Cela signifie qu’un TIM ne peut plus être simplement un conducteur thermique entre un module et une plaque de refroidissement. Il doit plutôt agir comme un adhésif structurel à grande surface, un isolant électrique haute tension et une barrière essentielle en cas de dérapage thermique. Il doit également être appliqué rapidement et assurer sa fonction tout au long de la durée de vie du véhicule.

Le deuxième aspect est l’adoption de semi-conducteurs à large bande interdite tels que le SiC et le GaN dans les onduleurs de traction, ce qui fait monter les températures des jonctions au-delà de 200 °C, dans une zone où les TIM organiques traditionnels échouent et même les soudures à fort contenu en plomb atteignent leurs limites. Les solutions incluent des pastes de silver et de cuivre sinterées qui transforment l’interface en une liaison métallique solide.

Troisièmement, l’industrie réfléchit désormais au-delà des performances initiales et prend en compte l’ensemble du cycle de vie. Il est désormais nécessaire que les isolants thermiques résistent pendant 15 ans ou plus sur des routes accidentées, dans un environnement humide et salin, tout en se détachant proprement afin que le pack batterie puisse être réparé, remanufacturé ou recyclé. Le simple chiffre en watts par mètre-kelvin (W/mK) indiquant la conductivité thermique dans les fiches techniques ne suffit plus.

Les principales initiatives visant à équilibrer les hautes performances thermiques et la fiabilité thermo-mécanique comprennent l’utilisation de polymères dotés soit de propriétés semi-adhésives, comme les remplaçants de joints de nouvelle génération, soit d’adhésifs conducteurs thermiques à forte force d’adhérence (TCA). En fonction de la résistance à la température, des technologies de résine telles que le polyuréthane, l’époxy ou même le silicone peuvent être employées pour répondre aux différents besoins des systèmes de batteries, des applications de conversion d’énergie et de l’électronique de gestion des batteries.

Équilibre entre propriétés diélectriques et thermiques

L’un des défis réside dans le fait que l’augmentation de la conductivité thermique entraîne souvent une diminution des performances d’isolation électrique dans un matériau d’interface thermique. Dans de nombreux cas, un seul matériau ne peut plus optimiser simultanément ces deux propriétés, ce qui rend les concepts hybrides attrayants. Un tel système hybride pourrait, par exemple, combiner des couches céramiques hautement conductrices thermiquement avec une couche d’interface thermique très fine, telle que de la graisse thermique ou un remplissage de fente – ce dernier étant utilisé uniquement pour compenser les tolérances et assurer un bon contact thermique. La solution idéale dépendrait fortement de la chaîne des tolérances et du design global des couches, mais les approches multicouches pourraient devenir une tendance importante dans certaines applications, chaque couche étant optimisée pour sa fonction spécifique.

Dans les conceptions de batteries cellule-à-pack, le TIM doit servir en même temps de pont thermique, d’adhésif structurel et d’isolant électrique. Cette exigence pousse les priorités de développement vers des matériaux à conductivité thermique contrôlée. Le défi réside alors dans trouver l’équilibre optimal entre la résistance d’adhésion et l’élasticité lors de la jonction de différentes surfaces ainsi que des matériaux utilisés dans les batteries de nouvelle génération.

Le changement dans le développement des TIM induit par les architectures cellule-paquet consiste à passer d’une maximisation de la conductivité thermique à un équilibre entre les aspects thermiques, mécaniques et de fiabilité diélectrique tout au long de la durée de vie de la batterie. Le matériau doit pouvoir recouvrir de grandes surfaces, compenser les tolérances, lier ou soutenir les cellules, résister aux vibrations et au vieillissement, tout en conservant son isolation électrique sous pression, en présence d’humidité et lors de cycles thermiques.

La propriété la plus difficile à obtenir sans compromis est généralement les performances mécaniques/structurales. Lorsqu’un matériau isolant thermique devient plus adhésif ou porteur de charge, il a tendance à devenir plus rigide, plus difficile à retravailler, à générer davantage de contraintes et parfois moins tolérant à la dilatation des cellules. Augmenter la teneur en charge utile améliore la conductivité thermique, mais peut nuire à l’allongement, à la travaillabilité et à la robustesse diélectrique. Le choix du bon polymère peut faire une différence significative, et une entreprise se concentre sur des matériaux à deux composants à base de silicone qui offrent une très bonne résistance à la dilatation et aux vibrations.

Une autre approche repose sur un silicone hautement adhésif basé sur la technologie standard de liquide de comblement de fentes, ce qui donne un matériau isolant thermique légèrement moins résistant qu’un adhésif structurel dédié, mais suffisamment solide pour de nombreuses applications structurales à condition que le système soit globalement mécaniquement robuste.

Propriétés interdépendantes

Il est également difficile d’obtenir une haute conductivité thermique dans un matériau qui doit présenter tous les avantages d’un adhésif structurel traditionnel. Le défi consistant à équilibrer la conductivité thermique avec l’adhérence, la résistance diélectrique, la conformabilité mécanique, la durabilité et la faisabilité de fabrication est d’autant plus aigu que ces propriétés sont fortement interdépendantes. Améliorer l’une d’elles a souvent un effet négatif sur une autre, c’est pourquoi il est essentiel que les ingénieurs en conception et les scientifiques discutent des compromis et des priorités dès le début du cycle de développement.

Lorsqu’il s’agit de gérer ce type de complexité, les méthodes computationnelles telles que l’apprentissage automatique deviennent de plus en plus précieuses dans la découverte de matériaux. De tels outils numériques aident non seulement à optimiser les cycles de conception et de développement pour les principaux créateurs de matériaux, mais offrent également aux clients l’accès à des « cubes de données » leur permettant d’utiliser des jumeaux numériques pour simuler leurs futurs systèmes de batteries. L’utilisation de l’IA contribue déjà à la création de formulations prédictives, éliminant ainsi efficacement le besoin d’essais physiques itératifs et aléatoires.

Cependant, l’IA a besoin d’être alimentée en données et en expériences suffisantes pour fonctionner efficacement. La difficulté lors de la formulation de nouveaux matériaux isolants thermiques réside dans le fait que seules les valeurs indiquées dans les fiches techniques ne fournissent pas d’informations suffisantes. Parmi les nombreux facteurs supplémentaires à prendre en compte figurent la qualité et la structure de la surface, la résistance au contact thermique, le comportement sous compression ainsi que les interactions au sein du système complet. À mesure que davantage de données deviennent disponibles, il devrait devenir beaucoup plus facile de prédire les performances des matériaux isolants thermiques et de les adapter à une application donnée. L’objectif n’est pas nécessairement que l’IA génère directement la formulation d’un matériau ; il serait plutôt plus pratique qu’elle définit et optimise les exigences requises. Une fois que les paramètres de performance souhaités sont clairement décrits, le fabricant de matériaux isolants thermiques peut alors utiliser des modèles d’IA comme outils pour soutenir la recherche et le développement de matériaux.

Cela dit, l’industrie est encore loin d’un monde où un ingénieur peut entrer une série de exigences pour obtenir une formulation entièrement optimisée et prête à être utilisée, sans aucune itération physique. L’apprentissage automatique, la dynamique moléculaire et les méthodes connexes deviennent de plus en plus efficaces pour réduire l’espace de conception, identifier des chimies prometteuses et aider les chercheurs à comprendre les compromis bien plus tôt dans le cycle de développement.

La vision devient plus difficile dans l’écart entre les performances prévues des matériaux et leur comportement dans des applications réelles. L’avenir ne consistera probablement pas en une conception sans itération physique, mais plutôt en un flux de travail de développement fortement accéléré où le calcul s’occupe de la plupart des analyses et optimisations, tandis que des tests ciblés confirment les performances dans le système réel.

Défis liés à l’échelle

Cela a modifié la manière dont certains testent leurs produits : ils conçoivent par exemple leurs propres systèmes de batteries uniquement afin de pouvoir intégrer de nouveaux matériaux d’interface thermique et autres matériaux en grande série pendant le développement, et de faire fonctionner ces systèmes dans des conditions réelles de conduite tout en les soumettant à des cycles rapides de charge et de décharge. Cela permet d’obtenir des retours très précoces.

Une approche pour échelonner le développement consiste à effectuer des tests préliminaires sur les coupons – concernant les propriétés de compression, la conductivité thermique par rapport au rapport de compression, ainsi que le comportement de déformation sous compression – et, en parallèle, à fournir des échantillons pour une évaluation d’assemblage avec les composants des clients, permettant ainsi une validation dans des conditions réelles d’assemblage. Tout au long du processus, il est important d’évaluer les performances selon l’ensemble des paramètres afin d’identifier les problèmes, qu’ils soient prévus ou imprévus, conformément à des normes telles que l’IATF 16949, tout en fournissant aux clients des explications détaillées pour faciliter leurs propres évaluations.

Les centres régionaux d’application pour les batteries représentent une innovation dans le traitement des matériaux destinés à la production. Ces centres assument également des fonctions de test, en fournissant principalement aux clients des informations préliminaires sur les paramètres de production avant qu’ils ne passent commande d’équipements de fabrication.

Il devient donc de plus en plus important de se concentrer sur l’ensemble du système dès le premier jour. Une coordination précoce entre le TIM et les équipements de traitement, impliquant par exemple dès le début le fournisseur du système de dosage, est considérée comme essentielle. Si les combinaisons de matériaux et d’équipements ont déjà été éprouvées dans des projets antérieurs, de nombreux problèmes potentiels peuvent être évités. Lorsque le matériau est nouveau, des « échantillons de référence » pour les paramètres critiques peuvent être fournis afin d’aider à définir une fenêtre de fonctionnement stable.

L’objectif n’est pas simplement de créer un TIM qui fonctionne bien dans des conditions idéales, mais plutôt un système qui reste prévisible, scalable et fiable dans l’environnement non idéal et à haute vitesse où il sera utilisé.

Réparation, réutilisation, recyclage

La fabriquabilité et les performances en service s’ajoutent à la réparabilité et à la recyclabilité dans la liste des exigences clés que les développeurs de matériaux doivent respecter – pour les batteries et de nombreuses autres applications. Plusieurs approches visant à répondre à ces exigences liées à la circularité émergent. L’une d’elles consiste en un décollement sur demande, en utilisant divers mécanismes de déclenchement. Par exemple, il existe des adhésifs thermiquement conducteurs ou structurels déclenchés électriquement pour permettre les réparations, ainsi que des revêtements fonctionnels déclenchés thermiquement en cours de développement pour favoriser la recyclabilité.

Plutôt que d’avoir besoin d’un déclencheur, certains matériaux isolants thermiques permettent intrinsèquement le démontage. Certains liquides de comblement de fentes, par exemple, ont une adhérence très forte mais peuvent néanmoins être séparés lorsque c’est nécessaire.

Une autre approche en cours de développement est un composé de moulage par injection thermiquement conducteur. En tant que matériau thermoplastique, celui-ci promet non seulement de permettre la réparation des modules mais aussi de rendre le TIM lui-même recyclable – une avancée importante, car les TIM conventionnels, qu’il s’agisse de remplissages de fentes, d’adhésifs ou de coussinets, ne sont généralement pas recyclables et ne peuvent pas être réutilisés.

Il est possible de créer des isolants thermiques à haute performance véritablement réutilisables, mais uniquement si l’on les considère dès le début comme un défi de conception commun. Cela exige une collaboration étroite entre les ingénieurs en conception des emballages et les développeurs de matériaux, car la réutilisabilité n’est pas quelque chose qui peut être ajouté ultérieurement sans conséquences. Il y aura des compromis en termes de performances du matériau, et l’essentiel est de les comprendre tôt afin que la conception finale puisse trouver le bon équilibre entre les performances thermiques, la fabriquabilité et la maintenance. Plusieurs de tels matériaux sont désormais disponibles pour les applications de batteries de véhicules électriques.

La réutilisabilité constitue un défi de conception au niveau du système. Plutôt que d’assurer un retrait facile dans toutes les conditions, l’objectif est un décollement contrôlé et prévisible sans endommager les composants.

En quête de longévité

Dans le souci d’une utilisation efficace des ressources matérielles, la durée de vie est tout aussi importante que la réparabilité et le recyclage. Les concepteurs sont amenés à garantir une performance sur une période bien plus longue que celle qu’ils peuvent tester physiquement – souvent 15 ans – ce qui pousse à recourir à diverses autres méthodes de prédiction. La combinaison de décennies d’expérience avec des données de test accumulées, de tests accélérés de contrainte et de vieillissement, ainsi que de simulations numériques intelligentes, constitue un moyen puissant pour confirmer la performance à long terme.

Au sujet des tests accélérés, il est important de noter qu’ils n’ont de sens que s’ils reflètent des modes de défaillance réels, tels que la perte de pression de contact ou la dégradation interfaciale. En associant cela à des formulations stables et à des marges de conception conservatrices, on peut instaurer une confiance crédible, fondée sur les lois physiques, quant à la performance à long terme.

Les propriétés mécaniques telles que l’adhérence peuvent encore dépendre de conditions de charge spécifiques, mais ici aussi les matériaux sont généralement conçus en tenant compte de exigences plus élevées. Il reste important de réaliser des essais d’altération accélérée en collaboration avec les clients, mais pour les matériaux à base de silicone en particulier, la contrainte thermique exercée sur eux dans les systèmes de batteries n’est généralement pas le facteur limitant. Souvent, la discussion porte moins sur la capacité du matériau à résister 15 ans et plus sur les essais qui doivent être effectués, la durée de ces essais ainsi que la stratégie de validation à adopter.

Dans les applications d’usage secondaire, telles que le stockage d’énergie, les modules de batteries sont souvent reconstruits ou intégrés dans différents systèmes où ils sont soumis à des conditions de fonctionnement moins exigeantes que dans l’industrie automobile, par exemple moins de vibrations, et où leur durée de vie peut être encore plus longue.

Électronique refroidie par fluide

Le refroidissement par liquide est devenu la norme dans presque toutes les batteries de véhicules électriques, à l’exception des plus petites, tandis que dans les data centers il évolue des armoires abritant les systèmes de traitement vers les puces elles-mêmes. Cette technique commence également à être utilisée dans des onduleurs de véhicules électriques très puissants, bien que pas de la même manière que dans les data centers. Le refroidissement direct des puces s’appuie sur les mêmes principes fondamentaux que ceux du TIM pour d’autres méthodes de refroidissement avancées, mais ses exigences sont bien plus strictes. Comme ces systèmes fonctionnent avec un flux thermique local extrêmement élevé, ils nécessitent une épaisseur des liaisons métalliques strictement contrôlée, une grande planéité de la plaque de refroidissement et une charge mécanique précise. Même de petites variations peuvent aggraver les points chauds, augmenter la contrainte thermo-mécanique et remettre en question la fiabilité du boîtier. Par conséquent, le refroidissement direct des puces exige un niveau de performance du TIM encore plus élevé, transformant ce qui est souvent un simple choix de matériau en une véritable question de conception du système dans son ensemble.

À mesure que le refroidissement se rapproche du die en SiC, le rôle du TIM passe d’une conduction thermique volumétrique à une ingénierie interfaciale précise. À cet égard, des lignes de jonction ultra-minces, un contact sans vides, une atténuation des contraintes ainsi qu’une fiabilité face à des transitions thermiques rapides deviennent essentiels.

Problèmes liés aux matériaux solides

Les batteries à état solide émergentes promettent une densité énergétique plus élevée, mais génèrent de nouvelles contraintes thermo-mécaniques aux interfaces avec les éléments de refroidissement. Dans les cellules lithium-ion actuelles, les TIM sont souvent conçus pour absorber le gonflement et les déplacements au cours de la durée de vie de la batterie ; cependant, les exigences varieront en fonction des cellules qui gonflent d’une manière différente de celles actuelles de type poche ou prismatique.

Dans les systèmes à état solide, l’exigence consiste à maintenir un contact précis et uniforme dans un environnement mécanique bien moins tolérant. Une diminution de la dilatation, par exemple, signifie une moindre compensation naturelle des tolérances, ce qui accroît l’importance d’un contact stable sous pression contrôlée.

Cela signifie que la prochaine génération de matériaux isolants thermiques devra faire plus que simplement absorber les mouvements et assurer un équilibre rigoureusement contrôlé entre compliance, stabilité dimensionnelle, performances thermiques et fiabilité à long terme de l’interface. Le défi consiste moins à gérer la dilatation et plus à préserver le contact, car même de petites variations à l’interface peuvent avoir un impact bien plus important qu’auparavant. Les matériaux isolants thermiques seront évalués moins en fonction de leur conductivité maximale et davantage en raison de leur stabilité interfaciale à long terme, de leur compliance ainsi que de leur comportement mécanique prévisible tout au long de la durée de vie de la cellule.

Il est également important de distinguer l’expansion des cellules dans la direction horizontale, c’est-à-dire l’élargissement entre les cellules, de la charge dans la direction verticale, où le TIM se trouve généralement en dessous des cellules. L’expansion est habituellement plus limitée verticalement ; par conséquent, les exigences imposées par les batteries à état solide ne représenteront probablement pas un défi majeur pour les concepteurs de TIM.

D’un point de vue de la gestion thermique, cet effet peut être davantage une évolution qu’une rupture. Par exemple, les futurs designs de cellules pourraient orienter l’expansion vers des zones spécifiques tout en la limitant ailleurs. Si seule une partie de la surface de la cellule peut être utilisée pour la dissipation de chaleur, la superficie disponible pourrait diminuer, mais cela peut être compensé par des matériaux thermiques à plus hautes performances.

Pour l’instant, les besoins des batteries à état solide semblent stimuler le développement de matériaux conducteurs thermiquement très flexibles, présentant une conductivité thermique allant de 1,3 à 2,0 W/mK. Au moment où cet texte est écrit, cela ne diffère pas significativement des performances des matériaux isolants thermiques pour batteries que les principaux développeurs sont déjà en train de créer.

Une densité énergétique plus élevée augmentera probablement la demande en matière de meilleure conductivité thermique, mais cela est déjà réalisable. Dans l’électronique de puissance, des matériaux dotés d’une conductivité thermique nettement supérieure à celle des solutions actuelles de matériaux isolants thermiques pour batteries sont déjà utilisés.

Comme dans de nombreux domaines technologiques liés à l’électromobilité, les exigences en matière de performance, de fabriquabilité, de durée de vie prolongée et d’impact environnemental réduit pour les matériaux d’interface thermique rendent ces produits, autrefois simples, bien plus complexes du point de vue de l’ingénierie requise pour leur conception.

Remerciements

L’auteur tient à remercier Holger Schuh, responsable senior des technologies thermiques et de traitement chez Henkel ; Wolfgang Hoefer, chef d’unité commerciale chez Kerafol ; Eric Wyman, responsable du développement commercial chez Parker, ainsi que Shane Thompson, chef des ingénieurs en technologies de matériaux électroniques également chez Parker ; et les experts de Saint-Gobain.

Quelques fournisseurs de matériaux d’interface thermique

C-Therm

Dow

Gravic Group

HB Fuller

Henkel

KERAFOL

Laird

Parker

Saint-Gobain

Sika