Maîtriser la gestion thermique pour l'électronique haute performance

Introduction :

Tous les appareils génèrent de la chaleur comme sous-produit. Pour éviter la surchauffe, une gestion thermique est nécessaire. L'efficacité d'un appareil est inversement proportionnelle à la température. Par conséquent, les composants haute performance génèrent de la chaleur qui peut réduire la durée de vie et l'efficacité. Il faut donc maintenir la température en évacuant la chaleur générée.

Au fil du temps, nos appareils sont devenus plus petits mais avec plus de fonctionnalités. Cela a conduit à un traitement plus rapide et donc plus de chaleur générée avec une consommation d'énergie accrue. De même, les composants de refroidissement sont miniaturisés, ce qui devient un défi pour les ingénieurs. Généralement, la dissipation thermique doit être proportionnelle à la dissipation de puissance, selon l'équation de la puissance. Les trois principaux problèmes des ingénieurs pour gérer la dissipation de puissance : PCB denses, densité accrue des puces IC, tailles et mobilité des appareils.

Certains composants produisent peu de chaleur, d'autres des quantités relativement élevées. Des mesures s'imposent pour prolonger leur durée de vie et fiabilité. Habituellement, des composants électriques isolés produisant de la chaleur le feront jusqu'à ce que la chaleur produite à l'intérieur devienne égale à la chaleur perdue vers l'environnement, atteignant l'équilibre. La chaleur est généralement générée par la résistance au flux d'électrons dans le matériau. Moins de résistance = plus de conductivité = moins de chaleur. C'est prouvé par la loi de Joule H=I²Rt.

Gestion thermique dans les appareils :

La gestion de la chaleur est une partie majeure de la conception électronique. Pour assurer l'efficacité et la précision des composants et points chauds du système, l'excès de chaleur doit être évacué. Les ingénieurs peuvent utiliser un design thermique intelligent pour réduire les erreurs liées à la chaleur. Trois forces motrices strictes imposent des exigences sur les matériaux pour la gestion thermique.

Premièrement, pour améliorer la vitesse, les concepteurs ont compressé le cœur des microprocesseurs à des tailles plus petites. Cela génère plus de chaleur par unité de surface. La chute de température par conduction dans le microprocesseur et le heat spreader devient comparable à la chute maximale autorisée. Deuxièmement, il y a une augmentation de l'élévation de température aux interconnexions entre transistors. Due à l'augmentation des couches métalliques et des densités de courant. Troisièmement, augmentation de l'élévation de température dans les technologies de transistors contemporaines et prévues. La diminution des dimensions de canal entraîne une densité de puissance accrue et un déséquilibre électron-phonons. Ces défis concernent la recherche en matériaux et physique de l'état 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. Plus la température du corps augmente, plus la perte de chaleur augmente. Quand le taux de perte de chaleur équilibre le taux de production, l'appareil atteint sa température d'équilibre. Cette température peut réduire la durée de vie des composants et des mesures doivent être prises pour la gestion thermique.

Une façon de contrôler la température dans les circuits est d'augmenter le flux d'air par ventilation. Cela abaisse la température de fonctionnement. Notez que la densité atmosphérique réduite en altitude diminue le transfert de chaleur vers l'environnement et augmente la température de fonctionnement. Plusieurs méthodes de refroidissement : dissipateurs thermiques (heat-sinks), refroidisseurs thermoélectriques, systèmes à air, ventilateurs, etc.

1 : Dissipateurs thermiques (Heat-sinks)

La perte de chaleur se produit à la surface des composants et augmente avec la surface. Une façon de réduire la température de fonctionnement est d'augmenter la surface. On y parvient en fixant un dissipateur métallique au composant. Le dissipateur est généralement un bon conducteur comme le cuivre, l'aluminium, etc. Les dissipateurs sont plus efficaces si l'ensemble est bien ventilé. Habituellement, entre dissipateur et composant, il y un petit espace d'air sur la surface. L'air étant un mauvais conducteur, cela limite la perte de chaleur. Pour surmonter cet effet, on utilise des composés de transfert thermique.

2 : Diffuseurs thermiques (Heat spreaders)

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

3 : Caloducs (Heat pipes)

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

4 : Matériaux d'interface thermique

Ce sont des matériaux thermoconducteurs pré-fabriqués disponibles sous diverses formes (pads, adhésifs, gels, etc.). Conçus pour combler les espaces d'air entre surfaces de contact. Résultat : surface maximale utilisée pour le transfert thermique et température de fonctionnement réduite. Les composés de transfert thermique peuvent être de plusieurs types. Electrolube produit des pâtes thermoconductrices avec charges minérales dans un fluide porteur (silicone ou non-silicone). Les pâtes à base de silicone ont des températures de fonctionnement plus élevées que les non-silicone. Important : l'interface entre composant et dissipateur doit être complètement remplie avec le matériau thermoconducteur.

5 : Air forcé

L'air forcé est une autre méthode courante de refroidissement. Utilisation d'un ventilateur ou souffleur pour augmenter le flux d'air sur un composant générant de la chaleur. Cela augmente l'évacuation de l'air chauffé loin du dissipateur et améliore la dissipation. Ventilateurs de tailles variées, placement optimisé pour améliorer le chemin de flux.

6 : Pompes à chaleur à état solide

Connues aussi sous le nom de TEC (Thermoelectric Coolers / Refroidisseurs thermoélectriques), ce sont des dispositifs semi-conducteurs minces et compacts placés entre la source de chaleur et le dissipateur pour améliorer la dissipation. Une tension appliquée au TEC crée une différence de température entre les deux faces et permet le transfert de chaleur par conduction. Bien que peu efficaces, elles déplacent de grandes quantités de chaleur et ont une longue durée de vie. En inversant le courant, le flux de chaleur s'inverse, transformant le dispositif en chauffage, idéal pour le contrôle de température.