L'astuce pour dimensionner les dissipateurs thermiques pour les technologies modernes

Pour les ingénieurs, la question brûlante — au sens littéral du terme — est de créer des conceptions électroniques qui deviendront les plus populaires de la saison. Chaque composant électronique produit de la chaleur, qui s'accumule dans le dispositif. Si la température est trop élevée, elle peut endommager les circuits de manière permanente et transformer un dispositif en véritable fardeau.

Pour éviter les problèmes de conception, les ingénieurs doivent s'assurer que chaque composant fonctionne à une température sûre. Traditionnellement, un simple calcul permet de dimensionner les dissipateurs thermiques de manière appropriée. Mais ces calculs approximatifs sont-ils vraiment la solution idéale ?

Comment dimensionner les dissipateurs thermiques de manière traditionnelle

Avec quelques hypothèses et simplifications, le transfert de chaleur entre un composant électronique et l'atmosphère peut être modélisé à l'aide du calcul suivant :

Ici, Q est la puissance totale dissipée par le système. T_A est la température de la zone environnante, T_J est la température du composant à sa jonction et R_ϑ,T est la résistance thermique totale du système. En l'absence de dissipateur thermique, la seule interface se situe entre le composant et son environnement. Par conséquent, R_ϑ,T est égal à R_ϑ,JA, la résistance thermique entre la jonction et l'air.

IGBT STGF7NB60SL, un dispositif répertorié à 600 V, 15 A et 25 W dans un boîtier TO-220FP. (Image : STMicroelectronics.)

Supposons que le composant en question soit le STGF7NB60SL, un IGBT répertorié à 600 V, 15 A et 25 W dans un boîtier TO-220FP de STMicroelectronics. Sa fiche technique indique que R_ϑ,JA est égal à 62,5°C/W et que sa température de fonctionnement maximum T_J,max est de 150°C. En supposant une dissipation de 2 W et une température de l'air de 50°C, en raison des sources de chaleur environnantes, les calculs montrent que T_J est de 175°C. Cette valeur est bien supérieure aux marges de sécurité du composant, d'où la nécessité d'un dissipateur thermique.

Outre le dissipateur thermique, le système a également besoin d'un matériau d'interface thermique (TIM). Les surfaces du dispositif et du dissipateur thermique sont rugueuses, du moins au microscope, ce qui crée un espace. Si l'air remplit cet espace, il agit comme un isolant. Le matériau d'interface thermique est une pâte thermoconductrice qui remplit l'espace à la place de l'air.

L'ajout d'un dissipateur thermique et d'un matériau d'interface thermique est illustré dans le diagramme ci-dessous.

Dissipateur thermique monté sur un boîtier semi-conducteur. Le flux de chaleur, les températures et les résistances thermiques dans le diagramme (à gauche) peuvent être modélisés comme un réseau de résistances en série (à droite). (Source de l'image : Aavid Thermalloy au moment de la publication, maintenant Boyd.)

Le calcul de R_ϑ,T requiert de traiter toutes les résistances thermiques individuelles entre le boîtier, la jonction, le matériau d'interface thermique et le dissipateur thermique comme des résistances en série. En d'autres termes, R_ϑ,JC, R_ϑ,CS et R_ϑ,SA sont additionnés pour obtenir la résistance totale. Le calcul est donc le suivant :

R_ϑ,JC est facile à trouver, car il figure sur la même fiche technique que R_ϑ,JA. Selon le document, R_ϑ,JC est de 5°C/W.

Supposons qu'un dissipateur thermique 507302B00000G, conçu pour le refroidissement d'un dispositif TO-220 de 2,5 W à 60°C de Boyd, soit sélectionné pour le système. Selon sa fiche technique, avec une convection naturelle dissipant 2 W, la température augmentera de 50°C. Par conséquent R_ϑ,SA = 50°C / 2 W = 25°C/W.

Le 507302B00000G est un dissipateur thermique en aluminium conçu pour le refroidissement d'un dispositif TO-220 de 2,5 W à 60°C. (Source de l'image : Boyd)

Pour le matériau d'interface thermique, considérons le Thermalcote, un composé thermique en silicone de Boyd. Sa conductivité thermique (k) est de 0,765 W/(m°C). En supposant une épaisseur (L) de 1 mm, R_ϑ,CS peut être calculé avec la surface du dissipateur thermique (A = 19,05 mm x 19,05 mm).

Thermalcote, un composé thermique en silicone. (Source de l'image : Boyd)

Ainsi, en introduisant toutes les valeurs dans l'équation :

T_J est maintenant égal à 117,2°C, bien en dessous de la température nominale maximum du dispositif. Ce dissipateur thermique est donc un bon choix pour assurer le fonctionnement du composant. Mais est-ce la meilleure option ?

Les simulations pourraient être la réponse

Les calculs ci-dessus restent une bonne option pour de nombreux scénarios d'ingénierie. Cependant, les dispositifs électroniques sont de plus en plus légers, compacts, complexes, puissants et compétitifs. Les ingénieurs doivent donc optimiser les dispositifs commerciaux et leur mode de refroidissement afin de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité. Dans ce cas, les calculs approximatifs ne suffisent pas.

En outre, ces calculs reposent sur des hypothèses qui peuvent devenir obsolètes à mesure que les dispositifs électroniques deviennent plus petits. Les exemples incluent une température atmosphérique de 50°C et une dissipation uniforme de la chaleur dans le dissipateur thermique.

Enfin, que se passe-t-il si l'on ajoute un flux d'air forcé ? Le modèle ne tient pas compte de la manière dont l'air circule dans l'espace confiné ni de l'impact que cela peut avoir sur les performances.

La meilleure façon de comprendre le transfert de chaleur dans l'électronique grand public moderne, et donc de dimensionner les dissipateurs thermiques et les ventilateurs de manière optimale, est d'utiliser des simulations. Grâce aux simulations, les ingénieurs ne doivent plus analyser chaque composant individuellement. Ils peuvent au contraire modéliser le flux de chaleur dans l'ensemble du dispositif. Cela leur permet de mieux optimiser les conceptions, les dissipateurs thermiques et les ventilateurs. Les logiciels de simulation les plus populaires incluent Simcenter Flotherm, Ansys Icepak, Celsius Studio, Altair SimLab, SimScale et SOLIDWORKS Flow Simulation. Pour plus d'informations sur les dissipateurs thermiques pouvant être ajoutés à ces simulations, cliquez ici.