Comment optimiser la gestion thermique des appareils électroniques

Présentation :

Tous les appareils fonctionnent en générant de la chaleur comme sous-produit. Afin d'éviter que ces appareils ne surchauffent, une gestion thermique est nécessaire. L'efficacité d'un appareil est inversement proportionnelle à la température. Par la suite, les composants hautes performances génèrent de la chaleur qui peut réduire la durée de vie de l'appareil et réduire son efficacité. Par conséquent, nous devons contrôler la température en éliminant la chaleur générée par ces appareils.

Au fil du temps, nos appareils sont devenus plus petits, mais avec des fonctionnalités accrues. Cela a conduit à un traitement plus rapide et, par conséquent, à une plus grande génération de chaleur avec une consommation d'énergie accrue. De même, les outils sont également miniaturisés pour disperser la chaleur et peuvent devenir un défi pour les ingénieurs. Généralement, la dissipation de chaleur doit être proportionnelle à la dissipation de puissance, selon l'équation de puissance. Les trois principaux problèmes auxquels les ingénieurs sont confrontés dans la gestion de la dissipation de puissance sont les PCB denses, la densité accrue des puces IC et la taille et la mobilité des appareils.

Certains composants produisent de faibles quantités de chaleur tandis que d'autres appareils produisent des quantités de chaleur relativement plus élevées. Par conséquent, des mesures doivent être prises pour prolonger leur durée de vie et leur fiabilité. Habituellement, les composants électriques isolés produisant de la chaleur le feront jusqu'à ce que la chaleur produite à l'intérieur de l'appareil devienne égale à la chaleur perdue dans l'environnement et que l'appareil atteigne l'équilibre. La chaleur est généralement générée en raison de la résistance au flux d'électrons dans le matériau. Plus la résistance est faible, plus la conductivité est élevée et moins la chaleur est générée. Ceci est prouvé par la loi de Joule H=I2Rt.

Gestion thermique dans les appareils :

La gestion de la chaleur est une partie importante de la conception électronique. Pour garantir l'efficacité et la précision des composants et des points chauds du système, l'excès de chaleur doit en être évacué. Les ingénieurs peuvent utiliser une conception thermique intelligente pour réduire les erreurs liées à la chaleur. Il existe trois forces motrices strictes qui exigent des matériaux pour la gestion thermique.

Tout d'abord, afin d'améliorer la vitesse, les concepteurs ont compressé le cœur des microprocesseurs à des tailles plus petites. Cela nous donne des générations de chaleur plus élevées par unité de surface. En conséquence, la chute de température causée par la conduction dans le microprocesseur et le dissipateur de chaleur devient comparable à la chute de température maximale autorisée. Deuxièmement, il y a une augmentation de l'élévation de température à travers l'interconnexion entre les transistors. Cela est dû à l'augmentation des couches métalliques et à l'augmentation des densités de courant entre les interconnexions. Troisièmement, il y a une augmentation de l'augmentation de la température dans les technologies de transistors contemporaines et planifiées. Une diminution des dimensions des canaux entraîne une densité de puissance accrue et un déséquilibre électron-phonon dans les dispositifs. Celles-ci posent des défis pour la recherche en matériaux et en physique du solide.

Refroidissement de l'électronique :

Selon la loi de refroidissement de Newton, le taux de perte de chaleur est proportionnel à la différence de température entre le corps et son environnement. Lorsque la température du corps augmente, il en va de même pour la perte de chaleur. Lorsque le taux de perte de chaleur est en équilibre avec le taux de chaleur produite, l'appareil atteint sa température d'équilibre. Cette température peut réduire la durée de vie des composants et certaines mesures doivent être prises pour la gestion thermique.

Une façon de contrôler la température dans les circuits ou les appareils consiste à augmenter le débit d'air par la ventilation. Cela se traduira par des températures de fonctionnement plus basses. Gardez également à l'esprit qu'une densité atmosphérique réduite à des altitudes plus élevées entraîne un transfert de chaleur moins efficace vers l'environnement et des températures de fonctionnement plus élevées. Il existe plusieurs façons de refroidir les appareils tels que les dissipateurs de chaleur, les refroidisseurs thermoélectriques, les systèmes d'air et les ventilateurs, etc. 

1 :Dissipateurs de chaleur

La perte de chaleur se produit à la surface des composants et augmente avec l'augmentation de la surface. Une façon de réduire la température de fonctionnement consiste à augmenter la surface. Ceci est accompli en attachant un dissipateur de chaleur métallique à l'appareil. Le dissipateur thermique est généralement un bon conducteur de chaleur tel que le cuivre, l'aluminium, etc. Les dissipateurs thermiques sont plus efficaces si l'ensemble de l'unité est bien ventilé. Habituellement, lorsque les dissipateurs thermiques et les composants entrent en contact, il y a un petit espace d'air entre les deux sur la surface. L'air est un mauvais conducteur de chaleur et cela limite donc la perte de chaleur d'un appareil. Afin de surmonter cet effet, des composés de transfert de chaleur sont utilisés.

2 :Diffuseurs de chaleur

Les dissipateurs de chaleur sont également utilisés comme dispositifs de refroidissement. Ce sont des plaques ou des feuilles métalliques thermoconductrices utilisées pour répartir la chaleur sur une zone plus large. Il est utilisé comme interface thermique intermédiaire entre la source de chaleur et l'échangeur de chaleur secondaire (dissipateur thermique, etc.). Le dissipateur de chaleur peut être appliqué comme plaque de support aux PCB avec des composants générant de la chaleur. Les vias thermiques sont utilisés comme canaux thermiques entre le dissipateur de chaleur et les boîtiers de composants pour améliorer le flux de chaleur.

3 :Caloducs

Les caloducs sont des tubes creux étanches contenant un liquide ou un fluide caloporteur. Une extrémité est fixée à la source de chaleur et l'autre extrémité à un échangeur de chaleur secondaire (tel qu'un dissipateur de chaleur). La chaleur générée fait bouillir le liquide à une extrémité qui se déplace vers l'extrémité la plus froide où les vapeurs se condensent et retournent vers l'extrémité chauffée. Ils sont généralement fabriqués en métal conducteur et conviennent aux conceptions de cartes à espace limité.

4 :Matériaux d'interface thermique

Il s'agit de matériaux thermoconducteurs préfabriqués disponibles sous différentes formes (coussinets, adhésifs, gels, etc.). Ils sont conçus pour combler les vides d'air entre les surfaces de contact. En conséquence, la surface maximale est utilisée pour le transfert de chaleur et la température de fonctionnement est réduite. Les composés de transfert de chaleur peuvent être de plusieurs types. Electrolubes produit des pâtes thermiquement conductrices constituées de charges minérales dans un fluide porteur (qui peut être sans silicone ou à base de silicone). Les pâtes à base de silicone ont des températures de fonctionnement plus élevées que les pâtes sans silicone. Il est important que lors de l'utilisation d'un matériau thermoconducteur, l'interface entre l'appareil et le dissipateur thermique soit complètement remplie.

5 :Air pulsé

L'air forcé est une autre méthode couramment utilisée pour le refroidissement. Cela peut être fait par l'utilisation d'un ventilateur ou d'une soufflante pour augmenter le flux d'air sur un composant générant de la chaleur. Cela augmente le débit d'air chauffé loin du dissipateur thermique et peut améliorer la dissipation de la chaleur. Des ventilateurs de différentes tailles peuvent être utilisés et leur placement peut être optimisé pour améliorer le chemin d'écoulement.

6 :Pompes à chaleur à semi-conducteurs

Aussi connus sous le nom de TEC (refroidisseurs thermoélectriques), ce sont des dispositifs semi-conducteurs fins et compacts qui sont placés entre la source de chaleur et le dissipateur de chaleur pour améliorer la dissipation de la chaleur. Une tension est appliquée au TEC qui crée une différence de température entre les deux côtés de l'appareil et permet le transfert de chaleur par conduction. Bien qu'ils ne soient pas très efficaces, ils déplacent de grandes quantités de chaleur et ont une durée de vie plus longue. De plus, lorsque le courant est inversé, le flux de transfert de chaleur s'inverse, ce qui transforme l'appareil en un appareil de chauffage et peut s'avérer idéal pour les applications de contrôle de la température.