Coin Tech : la pâte thermique ça sert à quoi, dis ?

Publié à 4:20 par - Dans Le coin du tech - 17 réactions.

La pâte thermique je l’étale entre mon ventirad et mon processeur, elle coûte cher et j’ai jamais trop compris à quoi ça servait… Ca permet de mieux refroidir c’est ça ? Quelques explications dans notre premier épisode de la série de coin tech sur le refroidissement.


Ce n’est que le premier épisode et pourtant tu vas voir c’est aussi bien que Game of Thrones parce que nous on n’a pas besoin de Snow pour avoir froid… Après cette pathétique blague passons à des explications plus sérieuses. Déjà schématisons simplement un système de refroidissement classique de PC : un processeur (ou n’importe quelle puce qui chauffe), un radiateur à ailettes souvent surplombé d’un ventilateur et entre les deux, eh bien de la pâte thermique ou un pad thermique. « Donc en gros le processeur il chauffe mais pour pas qu’il crame il doit être refroidi. Pour ça on met un radiateur dessus , j’ai bon monsieur Coin Tech? » Oui c’est ça mais tu oublies un gros détail regarde le schéma.

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Tu as bien ton processeur qui chauffe et la chaleur est évacuée grâce au gros radiateur du dessus (et en particulier à ses ailettes dont nous reparlerons dans un prochain Coin Tech), mais maintenant laisse-moi te poser une simple question… Comment est ce que l’on peut transférer de la chaleur ? Par conduction comme quand tu chauffes une casserole, ça se fait sans transport de matière, par convection comme quand de le vent hivernal te donne encore plus froid, ça se fait avec transport de matière, ou par rayonnement, comme avec le soleil qui nous crame en été ou un radiateur panneau rayonnant… Là tu vois bien qu’entre le processeur et le radiateur y a pas trop de place pour un transport de matière, et pour le rayonnement ça semble assez négligeable. Le phénomène principal de transfert de chaleur entre le processeur et le radiateur : c’est donc la conduction. La conduction qui est donc un transfert thermique spontanée d’une zone à température élevée (le processeur) à une zone de température plus basse (le radiateur).
Alors maintenant intéressons nous à ce qui conduit très bien la chaleur : les métaux qui sont les principaux conducteur thermiques, en particulier le cuivre très utilisé dans les radiateurs de nos chers PC. Et qu’est ce qui conduit très mal la chaleur : les isolants thermiques (captain obvious bonjour) et en particulier l’un des plus utilisé dans l’isolation de ta maison j’ai nommé l’air. L’air que l’on piège entre deux verres de double vitrage, l’air que l’on piège dans d’épaisses couches de laine de verre, de bois… Je t’ai dit de regarder le rad tout à l’heure et bien maintenant regarde de plus près mais alors de vraiment plus près le contact entre les deux sans pâte thermique.

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Entre le radiateur en métal et le processeur préalablement encapsulé dans une matière qui conduit assez bien la chaleur on remarque qu’il y a un petit espace qui emprisonne plein d’air. En effet les surfaces de contact, bien que polies par le fabriquant ne sont pas parfaitement planes, elles ont d’ailleurs souvent été salies par les grosses mains moites d’un geek maladroit. Et ce qui devait arriver arriva on a une très faible surface de contact réelle métal/métal et une très grande surface métal air. On a dit que le métal conduit bien la chaleur et l’air mal… donc c’est pas cool pour refroidir un processeur. Pour pallier ce problème il suffit de faire une chose extrêmement simple : boucher les trous avec un matériau plus conducteur que l’air et en même temps pas trop chiant à appliquer et à retirer si besoin est. On utilise donc une pâte visqueuse, et là oh miracle regarde ce que ça donne sur mon schéma.
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Il n’y a plus de cet air qui conduit si mal la chaleur d’où si on a bien appliqué notre pâte thermique un meilleur refroidissement. D’ailleurs quantifions un peu sans trop rentrer dans le formalisme mathématique de la loi de Fourier (sinon je perds mon dernier lecteur) qui nous explique qu’au sens physique la densité de flux de chaleur soit le flux thermique par unité de surface est proportionnel à la différence de température entre les deux matériaux mis en contact (en réalité c’est un gradient pour ceux que ça intéressent et qui veulent creuser). Et ce coefficient de proportionnalité spécifique à chaque matériau c’est ce que l’on appelle la conductivité thermique du matériau. Et je parie que toi féru acheteur de pâte thermique devant l’éternel tu connais l’unité d’un tel coefficient : le Watt par mètre par Kelvin (le fameux W/mK qui s’écrit en toute rigueur W.m-1.K-1), le Kelvin étant une unité de température (0K= -273,15°C). Donc plus un matériau est un bon conducteur thermique plus sa conductivité thermique notée lambda est élevée.
Pour l’air on a (à 298K soit 25°C pour ceux qui dorment à la pression atmosphérique)
lambda =0.026 W.m-1.K-1
Pour le cuivre on a à 298K  =386 W.m-1.K-1 oui c’est déjà beaucoup mieux mais c’est très loin de valoir notre prochain candidat.
Le diamant pur synthétique qui écrase la concurrence : lambda =2000 W.m-1.K-1 ce qui explique son utilisation dans certaines marques de pâte thermique d’ailleurs.
Pour de la pâte thermique on a lambda  =1 à 10 W.m-1.K-1 on remarque que c’est quand même 100 fois mieux que l’air ce qui explique toute l’utilité de la pâte. Même si c’est moins bon que la capsule du dissipateur posé sur le processeur.
Et maintenant je parie que tu vas me demander quelle pâte on choisit ? Comment l’étaler ? Eh bien j’ai envie de répondre fais des tests. Parce que mon petit schéma et le gain que tu as à mettre de la pâte thermique il n’est vrai que si celle-ci est bien appliquée. Si tu laisses des bulles d’air, c’est pas bon y a de l’air. Si tu en mets trop l’épaisseur de pâte thermique est grande hors tu remarques que dans l’unité de la conductivité il y a des par mètre donc plus la couche est fine mieux c’est. Certaines pâtes en plus sont conductrices et ne peuvent pas être appliquées partout et surtout nécessitent d’être maniées avec précaution. Dur de choisir alors ?
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En fait on a surtout le choix il faut choisir une pâte avec une conductivité élevée, mais en même temps suffisamment simple à appliquer et adaptée à ce que l’on veut faire avec. Ensuite la technique d’application la plus simple pour éviter les bulles d’air et faire une couche relativement fine c’est celle du grain de riz ou de la croix (ou même de la ligne) que l’on étale avec le radiateur en appuyant mais elle ne s’applique pas toujours aux pâtes les moins visqueuses qui sont d’ailleurs souvent fournies avec un pinceau. Il n’y a pas de meilleure technique donc, ni spécialement de meilleure pâte, il y a juste un coup à prendre avec une pâte particulière, un radiateur particulier et un processeur particulier et pour cela une seule façon de progresser dans la bonne application d’une pâte, c’est bien de faire des tests. Mais franchement dans la grande majorité des cas la technique du grain de riz a fait ses preuves et étaler sur toute la surface est plutôt une technique à éviter. Mais rappelez vous les bords de la capsule du processeur ne contribuent que peu au transfert thermique pas besoin qu’elle s’étale partout uniquement étalé au centre cela suffit ne mettez donc pas trop de pâte.

J’espère que ce coin tech sur la pâte thermique vous a intéressé. Un sujet probablement plus standard que d’habitude mais qui est une parfait pour expliquer ce qu’est la convection. Le prochain Coin Tech sera donc dédié au radiateur à ailettes surplombé de son ventilateur et donc à la convection, et peut être un peu au rayonnement qui sait…

 

17 Réactions

  1. Quelques petites erreurs :
    -par convection comme quand « de » le vent hivernal
    -plus standard que d’habitude mais qui est « une » parfait pour expliquer

    Sinon comme d’habitude, un bien sympathique article!

    • Merci de ton retour. Je suis content que mes articles plaisent.
      Que fais tu dans la vie si ce n’est pas indiscret? J’aimerais avoir quelque retour sur le niveau théorique des lecteurs savoir si je mets des liens « pour aller plus loin » dans l’article ou en fin d’article.
      Surtout si j’ai des lecteurs lycéens ou en prépa ce genre de truc c’est un super sujet de TPE ou même de TIPE je trouve.

      • Je ne suis plus lycéen depuis plusieurs années maintenant, sans rentrer dans les détails je gère un parc informatique de plusieurs centaines d’ordi fixe/portable et est accessoirement un programmeur(en Java principalement). En tout cas depuis peu les articles autre que les news sont vraiment un PLUS qui enrichie le contenu du site et confirme mes connaissances ;D

        Continuez comme ça! (même si le nombre, assez maigre, de commentaires peut démotiver…)

  2. Alors, je ne veux pas être pénible, vraiment.

    Mais la loi de Fourier, qui s’écrit en – grad T, ne correspond pas aux échanges de chaleur auxquels tu fais référence.

    Il s’agit en effet de la loi de Newton, portant sur les transferts conducto-convectifs, ie, la chaleur transmise à travers une surface, qui s’exprime en hSdT. h le coefficient, dépend justement ici du contact, S la surface, et dT le delta de température.

    En tout cas, j’admire le travail que vous faites sur les coins tech. Sincerement bravo.

    EDIT : Pour être précis, effectivement la loi de Fourier rentre en ligne de compte. Mais les distances caractéristiques de diffusion sont extremement faible, et l’impact du faible coeff thermique de l’air est donc négligeable par rapport au gain apporté par un meilleur contact fluide/solide.

    • J’ai peut être pas été assez clair, mais je ne comprend pas tout à fait ta remarque.
      Oui quand il s’agit d’air l’échange est bel et bien en partie convectif du fait du nombre important de petits trous dans lequel il est piégé. Mais j’avais peur de compliquer le propos en le précisant.
      Par contre l’objectif de la pâte thermique c’est d’assurer la conduction et là la convection devient négligeable dans ce cas(je n’ai pas trouvé de valeur de h pour la pâte thermique mais je serais curieux de la connaitre pour comparer numériquement les deux types de transfet) vu qu’il n’y a pas de transfert de masse et que la pâte thermique est un fluide très visqueux la convection devrait être négligeable cela dit.

      Je ne suis pas spécialiste de la question et si vous aviez le temps de m’expliquer pourquoi on doit tenir compte de la convection j’en serais reconnaissant et modifierais l’article en conséquence.

      • Excusez moi, je me suis atrocement mal exprimé.

        Considérons le système sous un angle électrocinétique. Le flux de chaleur joue alors le role d’une intensité. Trois résistances s’opposent au courant : La première, l’interface cuivre-air, obéit à la loi de Newton. La seconde, c’est l’air, qui obéit à la loi phénoménologique de Fourier. La troisième, c’est l’interface air-cuivre, qui a les mêmes propriétés que la première.

        On parle de résistance thermique, la première, convective, varie en 1/(h.S), la seconde, de conduction, est directement proportionnel au coefficient thermique et à la distance caractéristique.

        Prenons un exemple.
        -Dans le cas d’un double vitrage, on retrouve ces trois résistances. Seulement, l’épaisseur d’air est ici non négligeable (de l’ordre de qq mm). C’est la résistance au flux par conduction qui va assurer le rôle d’isolant.
        Dans le cas du processeur, l’air est emprisonné sur des distances infimes : c’est la résistance au flux par convection qui va donné à l’interface, sa capacité d’isolant.

        Parlons un peu des résistances au flux conducto convectif. Elles matérialisent le transfert de chaleur à l’interface, et sont proportionnels à 1/(h.S). Ce coefficient h, dépend de la nature du fluide et du solide qui constituent l’interface, et des conditions aux limites. Par exemple, l’introduction d’un courant d’air augmente ce fameux coefficient entre un solide et l’air. -En augmentant le gradient de température au voisinage immédiat de l’interface-. C’est le principe du four à chaleur tournante. Une interface solide/air possède un coefficient conducto-convectif h très faible, le contact étant très mal assuré -Du surcroit il n’y a pas de courant d’air-.

        Pour en venir au fait, dans le cadre d’une telle interface, la résistance principale est la résistance au phénomène de convection et non de conduction. En appliquant de la pâte thermique, tu améliores de facon très significative le contact cuivre-fluide. Se faisant, tu augmentes fortement le coefficient conducto-convectif, et ainsi, tu diminues la principale résistance thermique du système.

        Tu noteras que je n’ai donné aucun chiffre, mon raisonnement pourrait donc être parfaitement erroné. Je n’ai aucune application numérique de fiable dans le cas du conducteur. Seulement, sache que pour un double vitrage, la résistance au flux conducto-convectif est presque aussi grande que celle au flux par diffusion. -Ca, j’ai les applications numériques si tu veux-. Diviser par 10,20 peut-être même 50 l’épaisseur caractéristiques de diffusion, c’est la négliger devant la conduction. Ce n’est donc pas le phénomène lié à la loi de notre ami Fourier qui va permettre un meilleur refroidissement, mais bien celle du dénommé Newton.

        En espérant avoir été suffisamment clair. Je m’excuse pour les fautes d’orthographes que j’ai du commettre.

        • Alors effectivement je comprends bien mieux ton explication. En effet modéliser par une résistance aurait pu être positif de ma part.

          Je vais donc moi aussi m’expliquer plus précisemment en me servant de ta modélisation par résistance thermique pour l’air seul:

          => résistance de conduction (R=e/lambda*S)dans notre cas e est de l’ordre du dixième de millimètre, S du cm² et lambda=0.026. Donc Rcond de l’ordre de 40K/W

          => résistance de convection (R=1/hS) avec h de l’ordre de 10W/m².K dans le cas de la convection naturelle pour l’air donc Rconv de l’ordre de 1000W/m².K donc bien plus élevé comme tu l’expliques.

          Mais selon moi ces deux résistances sont en parallèle pas l’une à la suite de l’autre (en régime établi en tout cas) donc le transfert thermique se fait essentiellement par conduction Rt proche de Rcond (résistance en parallèles donc 1/Rt=1/Rcond+1/Rconv or 1/Rconv<<1/rcond d'oùRt=Rcond)
          Pourquoi les modéliser en série? Je ne comprend pas le flux de chaleur emprunte l'un des trois chemins conduction, convection ou rayonnement.

          On fait le même raisonnement pour la pâte (même si je n'ai pas de valeur pour h pour la pâte) on doit trouver un résultat identique.

          Cette résistance boitier(encapsulation)/radiateur étant en microélectronique définie comme une résistance de conduction (en tout cas selon des cours et de nombreux sites) cela confirme mes dires sur la pâte thermique au moins.

          http://www.sonelec-musique.com/electronique_bases_radiateur_calcul.html

          http://www.giacomazzi.fr/electron/radiateur/radiateur.htm

          J'espère avoir été assez clair dans mon explication. Je pense que l'incompréhension se situe dans le fait que tu as considéré ces résistances en série et non en parallèle. A moins que tu aies une bonne raison de le faire (dans ce cas je modifierais l'article) je n'en voies personnellement aucune.

          Sinon je suis actuellement en école d'ingénieur,(1ère année) anciennement en prépa MPSI puis MP*. Voilà en espérant avoir été utile.

          • Hélas, les résistances sont en series…
            Les considérer en parallèle reviendrait à considérer que le courant puisse éviter au choix l’une où l’autre des résistances. Et quoi qu’il arrive, ce n’est pas le cas puisque le flux de chaleur passe nécessaire et par l’interface, et par la séparation isolante…

            Je passe l’épreuve de maths de polytechnique demain matin pour la seconde fois x).
            Tu es dans quelle école?

          • Je précise ma.pensée avec un exemple de résistance en parallèle. Prenons le mur d’une maison’, exposé au vent. Il est constitué dune partie bétonnée et dune autre

          • En me basant sur divers exercices de prépa je peux t’affirmer qu’elles sont en parallèle.
            Un exemple pris du net (la modélisation est assez proche):

            http://www.lmd.jussieu.fr/~jldufres/Manip/annexe-condensation_RDenis.pdf (verre/air/couvercle au lieu de proco/air/rad page 9 et 15 pour les schémas)

            je cite le nota benne page11: « Ces 3 résistances sont mises en parallèle dans le circuit et non en série.
            En effet, le flux de chaleur arrivant dans l’air peut alors emprunter 3 chemins possibles :la conduction, la convection ou le rayonnement. »

            C’est l’université de Jussieu quand même, en ajoutant les deux sites plus spécialisés au-dessus et mes souvenirs de prépa, et mon cours de transfert de chaleur de cette année je ne pense pas avoir tort.

            J’espère avoir été parfaitement convaincant cette fois ci.

            Sinon bonne chance pour l’X moi je suis à Phelma (Grenoble INP). Tu es dans quelle prépa?

          • Je ne souleverai qu’une interrogation. Dans la mesure où la convection de fait à chaque interface, la conduction entre les deux plaques de cuivre, peux tu m’expliquer comment le flux de chaleur peut « éviter » de passer par l’une où l’autre de ces résistances? Ce serait en effet la définition d’un montage en parallèle.

            Pour t’en convaincre : un double vitrage est un système en série. Le montage auquel nous faisons référence est en tout point identique.

          • As tu lu les exemples que j’ai donné ? Et lu le nota bene?
            Pour la brique creuse les resistances sont en parallèle et en soit c’zst la même chose que le double vitrage… Tu as un cours où il est explicitement dit que ces resistances sont en série pour le double vitrage?
            Tu ne confond pas la serie convection exterieure-confdction dans le verre et l’air-convection à l’ exterieure de la vitre?

            De toute manière vu le faible espace => le nombre de Rayleigh est très faible la convection negligeable.
            Ca recoupe toutes les infos trouvées sur le net et dans mes cours donc bon… C’est bizarre

  3. Article très intéressant, j’ai eu les réponses à mes questions. Les petites pointes d’humour sont bien placées et l’aspect scientifique est clair.
    Bon courage pour la suite

  4. C’est clair on se croirait à  » C’est pas sorcier »

    Et oui jamie !

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