Brevet FR3023975A1 — publié le 20160122

Dispositif d'interface thermique avec joint microporeux capable d'empêcher la migration de graisse thermique La présente invention concerne le domaine des matériaux d'interface thermique, plus précisément elle porte sur la mise en oeuvre d'une graisse thermique ceinturée par un joint microporeux permettant de limiter les phénomènes de migration, ou pump out, de la graisse thermique. L'invention trouve une utilité particulière dans le domaine aérospatiale pour la fixation d'équipement dissipatif sur une structure porteuse. On a recours aux matériaux d'interface thermique, aussi connus par l'acronyme anglais TIM pour Thermal Interface Material en anglais, pour favoriser les échanges thermiques entre un équipement générant ou transportant de la chaleur et une structure porteuse. On connait plusieurs types de matériaux d'interface thermique, et en particulier les graisses thermiques, ou thermal grease en anglais. Une graisse thermique comprend généralement un liant, comme par exemple un polymère siliconé, et une charge favorisant le transfert thermique. Dans un exemple connu, des particules métalliques d'oxyde de bore sont dispersées dans une matrice de polymère siliconé de type polydiméthylsiloxane ou PDMS. Les graisses thermiques sont notamment mises en oeuvre pour favoriser l'évacuation de chaleur de cartes électroniques tels que les processeurs d'ordinateur. La dissipation de chaleur constitue également une difficulté particulière dans le domaine aérospatial, d'une part en raison des fortes variations de température rencontrées par le satellite au cours de sa mission, et d'autre part en raison de l'absence d'atmosphère gazeuse limitant les échanges de chaleurs vers l'extérieur du satellite. Dans une architecture connue d'un satellite à orbite terrestre, une structure porteuse est constituée de panneaux, par exemple des panneaux sandwich en matériaux composites aluminium ou carbone. Divers équipements dissipatifs peuvent être fixés sur ses panneaux, comme par exemple des modules électroniques qui génèrent de la chaleur, ou des radiateurs qui transmettent de la chaleur. Des graisses thermiques sont ainsi mises en oeuvre à l'interface entre ces équipements et les panneaux pour favoriser le transfert de chaleur entre les composants. 3023 9 75 2 Cette mise en oeuvre se heurte toutefois à plusieurs difficultés que la présente invention cherche à résoudre. Une première difficulté porte sur les phénomènes de migration de la graisse thermique, aussi connues par la terminologie anglaise pump out. Les équipements dissipatifs et la structure 5 porteuse étant constitués de matériaux différents, ils présentent des comportements thermomécaniques généralement différents. Les oscillations de température, par exemple liées aux cyclages thermiques du satellite en orbite, génèrent un déplacement relatif des équipements dissipatifs et de la structure qui entraine une migration de la graisse et dégrade l'interface 10 thermique entre l'équipement et la structure. Une seconde difficulté constatée est l'assèchement de la graisse thermique, ou dry out en anglais. Le séchage progressif de la graisse en périphérie de l'interface modifie ses propriétés thermomécaniques et dégrade là aussi l'interface thermique entre l'équipement et la structure. 15 Une troisième difficulté rencontrée concerne le drainage, ou venting en anglais, lors du lancement du satellite hors de l'atmosphère ou lors d'une opération de dégazage pour des applications sous vide. L'expulsion de bulles d'air piégées dans la graisse thermique génère un drainage et entraine une partie de la graisse thermique hors de l'interface. 20 Dans une première approche, on a tenté de résoudre ces difficultés en disposant un joint élastomère en périphérie de la graisse thermique. Le principe et les limites de cette approche sont illustrés par la figure 1. Une interface thermique 10, intercalé entre une structure 11 et un 25 équipement dissipatif 12, comprend une graisse thermique 13 et un joint élastomère 14 disposé sur une partie de la périphérie de la graisse thermique. Le joint élastomère, en contact avec la structure 11 et l'équipement dissipatif 12, assure l'étanchéité entre ces composants et la graisse thermique, permettant de limiter les phénomènes de pump out et de 30 dry out de l'interface. Le joint élastomère est imperméable aux gaz. Il est donc nécessaire de prévoir un chemin pour permettre l'évacuation des bulles d'air ou venting, de la graisse thermique vers l'extérieur. Le joint élastomère ne peut donc pas entourer la graisse thermique sur toute sa périphérie. Au contraire, l'interface comprend un évent 15 par lequel la graisse thermique 35 est en contact avec l'extérieur, permettant le dégazage de la graisse thermique au travers de l'évent 15. Cette première approche souffre cependant de plusieurs limites. Les phénomènes de pump out et de dry out restent possibles au travers de l'évent. Comme illustré par la figure, une quantité de graisse thermique peut être entrainée sous l'effet des cyclages thermiques hors de l'interface au travers de l'évent, dégradant les performances thermomécaniques de l'interface. Le délai important de polymérisation du joint élastomère (plusieurs jours) ou la complexité de l'application du joint élastomère en périphérie de la graisse thermique constituent également des limites industrielles notables. Dans une seconde approche décrite par la demande de brevet publiée sous la référence US6121680, on a tenté de résoudre ces difficultés en piégeant la graisse thermique dans un tissu. Cette approche permet de limiter le phénomène de pump out de la graisse piégée dans les mailles du tissu, mais ne résout pas le problème de séchage de la graisse thermique en sa périphérie. Ainsi, les matériaux d'interface thermique envisagés dans l'état connu de la technique restent limités par les phénomènes de migration des graisses, de séchage et de dégazage. Il reste désirable de disposer d'un matériau d'interface thermique capable d'assurer un transfert de chaleur de manière durable, en supportant les contraintes particulièrement sévères de l'aérospatiale, et notamment les phénomènes de pump out, de dry out et de venting. Le matériau d'interface thermique retenu devra par ailleurs permettre un déploiement industriel simple, notamment en autorisant un dosage précis et reproductible de la graisse thermique. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'interface thermique comprenant un film de graisse thermique destiné à être intercalé entre un premier objet et un second objet, et un joint microporeux ceinturant 30 en périphérie le film de graisse thermique. Avantageusement, le joint microporeux comprend un film microporeux de polytetrafluoroéthylène. Avantageusement, le joint microporeux comprend une charge électriquement conductrice. Avantageusement, le joint microporeux présente un coefficient de frottement supérieur à 0.25. Avantageusement, le joint microporeux présente une épaisseur comprise entre 150 et 180 jam. L'invention porte aussi sur un joint microporeux comprenant sur 10 une face un film adhésif et un film démoulant ; le film démoulant pouvant être retiré pour permettre d'adhérer ladite face du joint microporeux à l'un des deux objets au moyen du film adhésif. Avantageusement, le joint microporeux comprend sur une face un 15 ruban adhésif pouvant être retiré de manière à permettre de mettre en contact ladite face du joint microporeux à l'un des deux objets. L'invention porte également sur un équipement comprenant un premier objet, un second objet et un dispositif d'interface thermique ayant les 20 caractéristiques précédemment décrites, intercalé entre le premier objet et le second objet. L'invention porte enfin sur un procédé de fabrication dudit équipement, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : 25 - déposer le joint microporeux sur le premier objet, mettant en contact une première face du joint microporeux avec le premier objet, et de manière à former un cadre fermé sur le premier objet, - déposer de la graisse thermique sur le premier objet, à 30 l'intérieur du cadre fermé de joint microporeux, - lisser la graisse thermique au moyen d'un lissoir prenant appui sur le cadre de joint microporeux, permettant de former le film de graisse thermique ceinturée par le joint microporeux, et - déposer le second objet sur le film de graisse thermique, 35 mettant au moins partiellement en contact une seconde face du joint microporeux avec le second objet. Avantageusement, le procédé comprend une étape ultérieure de montage de moyens de fixation entre le premier objet et le second objet. Avantageusement, le procédé comprend une étape préliminaire consistant à retirer un film démoulant du joint microporeux, de manière à découvrir une face du joint microporeux comprenant un film adhésif, l'étape suivante de dépôt du joint microporeux mettant en contact le film adhésif avec le premier objet. Avantageusement, l'étape de retrait du film démoulant et l'étape de dépôt du joint microporeux sur le premier objet sont réalisées simultanément au moyen d'un dévidoir à rouleau. Avantageusement, le procédé comprend, à l'issue de l'étape de lissage de la graisse thermique, une étape de retrait d'un ruban adhésif préalablement disposé sur une face du joint microporeux. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple sur les figures suivantes. La figure 1, déjà présentée, représente un dispositif d'interface thermique intercalé entre un substrat et un équipement dissipatif selon l'état connu de la technique, 25 la figure 2 représente un exemple de dispositif d'interface thermique selon l'invention, intercalé entre un substrat et un équipement dissipatif, la figure 3 illustre les étapes d'un premier exemple de procédé de fabrication d'un équipement comprenant un dispositif d'interface thermique 30 selon l'invention intercalé entre un substrat et un équipement dissipatif, la figure 4 illustre les étapes d'un second exemple de procédé de fabrication d'un équipement comprenant un dispositif d'interface thermique selon l'invention intercalé entre un substrat et un équipement dissipatif, la figure 5 illustre une mise en oeuvre particulière d'un joint microporeux dans un dévidoir à rouleau pour la réalisation d'un dispositif d'interface thermique selon l'invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes 5 repères dans les différentes figures. L'idée générale de l'invention est de disposer un joint microporeux en périphérie d'un film de graisse thermique. Le joint microporeux ceinture le film de graisse thermique sur toute sa périphérie. Le joint microporeux est 10 oléophobe et perméable à l'air de sorte qu'il piège la graisse thermique, ou autrement dit empêche la migration ou pump out, tout étant perméable au gaz, ou autrement dit permet le venting ou dégazage. Le dispositif d'interface thermique ainsi constitué est particulièrement adapté à une application aérospatiale. Dans ce sens, le 15 dispositif d'interface thermique détaillé dans la suite est destiné à être intercalé entre un substrat, i.e. la structure porteuse, et un équipement dissipatif tel qu'un module électronique ou un échangeur de chaleur. Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas à cette application particulière dans le domaine aérospatiale. D'une manière générale, l'invention porte sur 20 un dispositif d'interface thermique comprenant un film de graisse thermique destiné à être intercalé entre un premier objet et un second objet, et un joint microporeux ceinturant en périphérie le film de graisse thermique. Sur les figures, le premier objet correspond au substrat et le second objet correspond à l'équipement dissipatif. 25 La figure 2 représente un exemple de dispositif d'interface thermique selon l'invention, intercalé entre un substrat et un équipement dissipatif. Ainsi, le dispositif d'interface thermique 20 comprend un film de graisse thermique 13 entouré sur toute sa périphérie par un joint microporeux 30 22. Le dispositif d'interface thermique 20 assure le maintien mécanique et le transfert thermique entre un substrat 11 et un équipement dissipatif 12. L'invention porte sur le dispositif d'interface thermique 20 et sur un équipement 23 comprenant le substrat 11, l'équipement dissipatif 12 et le dispositif d'interface thermique 20. L'équipement 23 peut également 35 comprendre des moyens de fixation 24 entre le substrat et l'équipement dissipatif. Les moyens de fixation peuvent être disposés de manière à traverser ou non le joint microporeux ou le film de graisse thermique. Contrairement aux solutions précédemment décrites de l'état connu de la technique, le film de graisse thermique est entièrement entouré, 5 autrement dit ceinturé, par le joint. Le joint microporeux 22 étant avantageusement perméable au gaz, il n'est pas nécessaire d'aménager une ouverture pour permettre le venting de la graisse thermique. L'évacuation d'éventuelles bulles d'air piégées dans la graisse thermique, lors du lancement du satellite ou lors d'une opération de dégazage, se fait au travers 10 des pores de la barrière microporeuse constituée par le joint 22. Contrairement aux solutions connues, la graisse thermique reste alors piégée à l'intérieur de la barrière microporeuse. Le dispositif d'interface thermique s'affranchit ainsi des phénomènes de migration ou pump out, ainsi que des phénomènes de séchage ou dry out de la graisse thermique. 15 Notons que dans un souci de lisibilité, la figure 2 représente un joint microporeux aux dimensions extérieures légèrement supérieures aux dimensions externes de l'équipement dissipatif. Cette représentation n'est qu'un exemple de mise en oeuvre possible. Dans une mise en oeuvre alternative, le joint microporeux est ajusté aux dimensions extérieures de 20 l'équipement dissipatif. Dans une mise en oeuvre particulière de l'invention, le joint microporeux est constitué d'un film microporeux en polytetrafluoroéthylène, ou PTFE. Il présente des pores de diamètre moyen de l'ordre de 5 Il est 25 oléophobe, hydrophobe et perméable à l'air. Le film microporeux en PTFE supporte avantageusement des températures supérieures à 150°C en fonctionnement et supérieures à 200°C en pointe. Il est en outre avantageusement compatible chimiquement compatible avec l'ensemble de constituants chimiques de l'équipement (adhésifs, graisse, solvant, etc...) 30 Le joint microporeux peut avantageusement être configuré de manière à présenter une conductivité électrique élevée, par l'adjonction de charge conductrice à sa matrice polymère, telle que des nanoparticules de carbone. Ainsi, le dispositif d'interface thermique assure une mise à la masse de l'équipement dissipatif sans nécessiter de composant dédié tel que par 35 exemple une tresse métallique. 3023 9 75 8 Le joint microporeux peut aussi être avantageusement configuré de manière à présenter un coefficient de frottement supérieur à 0.25. Le joint microporeux s'oppose donc au glissement relatif de l'équipement dissipatif par rapport au substrat, permettant d'abaisser les exigences de maintien mécanique des moyens de fixation. La figure 3 illustre les étapes d'un premier exemple de procédé de fabrication d'un équipement comprenant un dispositif d'interface thermique selon l'invention intercalé entre un substrat et un équipement 10 dissipatif. Dans ce premier exemple, le procédé de fabrication comprend quatre étapes, illustrées au moyen des quatre schémas (a), (b), (c) et (d) représentant l'équipement en vue de dessus. Le procédé de fabrication comprend ainsi : - une première étape (a) consistant à déposer le joint microporeux 22 sur 15 le substrat 11, mettant en contact une première face 30 du joint microporeux 22 avec le substrat 11, et de manière à former un cadre fermé 31 sur le substrat, - une seconde étape (b) consistant à déposer un cordon de graisse thermique 13 sur le substrat 11, à l'intérieur du cadre fermé 31 formé par 20 le joint microporeux 22, - une troisième étape (c) consistant à lisser la graisse thermique 13 au moyen d'un lissoir (non représenté) prenant appui sur le cadre 31, permettant de former le film de graisse thermique 13 ceinturée par le joint microporeux 22, et 25 - une quatrième étape (d) consistant à déposer l'équipement dissipatif 12 sur le film de graisse thermique 13, mettant en contact une seconde face 32 du joint microporeux 22 avec l'équipement dissipatif 12. Cet exemple de procédé de fabrication est particulièrement avantageux. Il permet de piéger la graisse thermique à l'intérieur du cadre 30 fermé, permettant d'ajuster avec précision l'épaisseur de graisse thermique à l'issue de l'étape de lissage. La quantité de graisse thermique mise en oeuvre et les propriétés thermomécaniques de l'interface thermique ainsi constituée peuvent être aisément maitrisées. Le calibrage de l'épaisseur du film de graisse thermique, au moyen d'un joint microporeux d'épaisseur maitrisée, 35 typiquement de l'ordre de 150 à 180 permet avantageusement 3023 9 75 9 d'absorber les défauts de planéité du substrat et/ou de l'équipement dissipatif, tout en assurant un échange thermique optimisé entre ces deux composants. 5 La figure 4 illustre les étapes d'un second exemple de procédé de fabrication d'un équipement comprenant un dispositif d'interface thermique selon l'invention, intercalé entre un substrat et un équipement dissipatif. Dans ce second exemple, le procédé comprend sept étapes, illustrées au moyen des sept schémas (a') à (g') représentant l'équipement en vue de coté. Ce second exemple comprend les quatre étapes décrites au moyen de la figure 3. Typiquement, les schémas (b'), (c'), (d') et (f') en vue de coté sur la figure 4 correspondent respectivement aux schémas (a), (b), (c) et (d) en vue de dessus de la figure 3. Ce second exemple de procédé comprend aussi trois étapes supplémentaires illustrées par les schémas (a'), (e') et (g') que nous allons détailler. Comme décrit précédemment, le film microporeux 22 comprend une première face 30, destiné à venir en contact du substrat en formant un cadre fermé 31 sur celui-ci, et une seconde face 32 destiné à venir en contact de l'équipement dissipatif, après dépôt et lissage de la graisse thermique à l'intérieur du cadre fermé 31. Dans une mise en oeuvre particulière, la première face 30 est adhésivée pour permettre la mise en place et le maintien du cadre fermé 31 sur le substrat, par exemple au moyen d'un adhésif de transfert acrylique ou silicone. Avantageusement, le joint microporeux peut comprendre sur sa première face 30 un film adhésif déposé sur le film en PTFE, et un film démoulant protégeant le film adhésif avant l'étape de dépôt du joint microporeux sur le substrat. Autrement dit, le procédé peut comprendre une étape préliminaire, illustrée par le schéma (a'), consistant à retirer le film démoulant du joint microporeux, de manière à découvrir la face 30 munie du film adhésif. L'étape ultérieure de dépôt du joint microporeux sur le substrat, illustrée par le schéma (b'), met alors en contact le film adhésif du joint avec le substrat. Selon un principe similaire, la seconde face 32 peut avantageusement comprendre un ruban adhésif, aussi appelé liner, 35 permettant le lissage de la graisse thermique sans colmatage des microporosités du film microporeux. Avantageusement, le ruban est très légèrement adhésivé de manière à permettre son retrait après l'étape de lissage de la graisse thermique, sans endommager par décollement le film microporeux déposée sur le substrat. Autrement dit, le procédé peut comprendre une étape, illustrée par le schéma (e'), consistant à retirer le ruban adhésif préalablement disposé sur la seconde face du joint microporeux, permettant le lissage de la graisse thermique sans colmatage du joint microporeux. Enfin le procédé peut aussi comprendre une étape ultérieure, 10 illustrée par le schéma (g'), de montage de moyens de fixation 24 entre le substrat et l'équipement dissipatif. La figure 5 illustre une mise en oeuvre particulière d'un joint microporeux dans un dévidoir à rouleau pour la réalisation d'un dispositif 15 d'interface thermique selon l'invention. Ce type de dévidoir bien connu dans le domaine de la papeterie peut être avantageusement mis en oeuvre dans le contexte de la présente invention pour simplifier l'étape de dépôt du film microporeux et la formation du cadre fermé 31 le long d'un contour préalablement repéré. Dans ce cas, l'étape de retrait du film démoulant 20 illustrée par le schéma (a') et l'étape de dépôt du joint microporeux sur le substrat - illustrée par le schéma (b') - sont réalisées simultanément au moyen du dévidoir à rouleau. Typiquement, le joint microporeux est enroulé sur un premier rouleau 40. Il est déposé sur le substrat au moyen du bec 41 ; le film démoulant étant simultanément retiré de la face adhésivée 31 du film 25 microporeux et enroulé sur un second rouleau 42. REVENDICATIONS1. Dispositif d'interface thermique caractérisé en ce qu'il comprend un film de graisse thermique (13) destiné à être intercalé entre un 5 premier objet (11) et un second objet (12), et un joint microporeux (22) ceinturant en périphérie le film de graisse thermique (13). 2. Dispositif selon la revendication 1, dont le joint microporeux (22) comprend un film microporeux de polytetrafluoroéthylène (PTFE). 10 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dont le joint microporeux (22) comprend une charge électriquement conductrice. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dont le 15 joint microporeux (22) présente un coefficient de frottement supérieur à 0.25. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dont le joint microporeux (22) présente une épaisseur comprise entre 150 et 180 mm. 20 6. Joint microporeux (22) d'un dispositif d'interface thermique (20) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend sur une face (30) un film adhésif et un film démoulant ; le film démoulant pouvant être retiré pour permettre d'adhérer ladite face (30) du joint microporeux (22) 25 à l'un des deux objets (11, 12) au moyen du film adhésif. 7. Joint microporeux (22) d'un dispositif d'interface thermique (20) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend sur une face (32) un ruban adhésif pouvant être retiré de manière à permettre de 30 mettre en contact ladite face (32) du joint microporeux (22) à l'un des deux objets (11, 12). 8. Equipement (23) comprenant un premier objet (11) et un second objet (12) caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'interface 35 thermique (20) selon l'une des revendications 1 à 5 intercalé entre le premier objet (11) et le second objet (12). 9. Procédé de fabrication d'un équipement (23) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à - déposer le joint microporeux (22) sur le premier objet (11), mettant en contact une première face (30) du joint microporeux (32) avec le premier objet (11), et de manière à former un cadre fermé (31) sur le premier objet (11), - déposer de la graisse thermique (13) sur le premier objet (11), à l'intérieur du cadre fermé (31) de joint microporeux (22), - lisser la graisse thermique (13) au moyen d'un lissoir prenant appui sur le cadre (31) de joint microporeux (22), permettant de former le film de graisse thermique (13) ceinturée par le joint microporeux (22), et - déposer le second objet (12) sur le film de graisse thermique (13), mettant au moins partiellement en contact une seconde face (32) du joint microporeux (22) avec le second objet (12). 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant une étape ultérieure de montage de moyens de fixation (24) entre le premier objet (11) et le second objet (12). 11. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, comprenant une étape préliminaire consistant à retirer un film démoulant du joint microporeux (22), de manière à découvrir une face (30) du joint microporeux (22) comprenant un film adhésif, l'étape suivante de dépôt du joint microporeux (22) mettant en contact le film adhésif avec le premier objet (11). 12. Procédé selon la revendication 11, dont l'étape de retrait du film démoulant et l'étape de dépôt du joint microporeux (22) sur le premier objet 30 (11) sont réalisées simultanément au moyen d'un dévidoir à rouleau. 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, comprenant à l'issue de l'étape de lissage de la graisse thermique (13), une étape de retrait d'un ruban adhésif préalablement disposé sur une face (32) du joint 35 microporeux (22).