Principes de base de la sélection et de l'utilisation des dissipateurs thermiques

La miniaturisation progressive de la plupart des composants électroniques — en particulier les microprocesseurs et les microcontrôleurs — a entraîné une augmentation de la densité de chaleur. Une conséquence de cette évolution est que la conception et la gestion thermiques sont devenues une préoccupation de conception majeure car la durée de vie attendue, la fiabilité et les performances sont inversement liées à la température de fonctionnement d'un dispositif. Il incombe donc aux concepteurs d'avoir une compréhension claire d'une gestion thermique efficace et des solutions de dissipateurs thermiques disponibles pour maintenir la température de fonctionnement d'un dispositif dans les limites fixées par le fournisseur.

Les dissipateurs thermiques fonctionnent en augmentant la surface du dispositif exposée à l'agent de refroidissement (air). Lorsqu'ils sont correctement montés, les dissipateurs thermiques réduisent la température d'un dispositif en améliorant le transfert de chaleur vers l'air ambiant plus frais à travers la limite solide-air.

Cet article offre un aperçu du choix de dissipateurs thermiques et fournit des conseils sur la conception appropriée, la sélection des composants et les meilleures pratiques pour obtenir d'excellentes performances de refroidissement. Les solutions de dissipateurs thermiques d'Ohmite seront utilisées comme exemples pratiques.

Le circuit thermique

La puissance est dissipée sous forme de chaleur par les jonctions actives des transistors dans un circuit intégré, la température de jonction étant proportionnelle à la puissance dissipée. Les fabricants spécifient la température de jonction maximum, bien qu'elle soit généralement de l'ordre de 150°C. Le dépassement de cette température de jonction entraîne généralement des dommages au dispositif. Les concepteurs doivent donc chercher des moyens d'évacuer autant de chaleur que possible du circuit intégré. Pour ce faire, ils peuvent s'appuyer sur un modèle assez simple pour mesurer le flux de chaleur — similaire à la loi d'Ohm pour les calculs électriques — basé sur le concept de résistance thermique, symbolisée par θ (Figure 1).

Figure 1 : Modèle de circuit thermique pour un circuit intégré avec un dissipateur thermique basé sur le concept de résistance thermique symbolisée par θ. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La résistance thermique est la résistance que la chaleur rencontre lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Elle est mesurée en degrés Celsius par watt (°C/W) et se définit comme suit :

Équation 1

Où :

θ est la résistance thermique à travers une barrière thermique en °C/W.

∆T est la différence de température à travers la barrière thermique en °C.

P est la puissance dissipée dans la jonction en W.

Si l'on examine la disposition physique du circuit intégré et du dissipateur thermique, on constate qu'il existe un certain nombre d'interfaces thermiques. La première se situe entre la jonction et le boîtier du circuit intégré, et elle est modélisée par la résistance thermique θ_jc.

Le dissipateur thermique est fixé au circuit intégré à l'aide d'un matériau d'interface thermique (TIM) — une pâte thermique ou un ruban thermique — afin d'améliorer la conductivité thermique entre les deux dispositifs. Cette couche, qui a généralement une faible résistance, est modélisée comme partie de la résistance thermique boîtier-à-dissipateur thermique, θ_cs. Le dernier niveau est l'interface du dissipateur thermique avec l'environnement ambiant, θ_sa.

Les résistances thermiques sont ajoutées en série, de la même manière que les résistances dans un circuit électronique. La somme de toutes les résistances thermiques donne la résistance thermique totale de la jonction à l'air ambiant.

La résistance thermique jonction-boîtier est généralement spécifiée, implicitement ou explicitement, par le fournisseur de circuits intégrés. La spécification peut se présenter sous la forme d'une température de boîtier maximum, éliminant l'un des éléments de résistance thermique. Le concepteur qui applique le circuit intégré n'a aucun contrôle sur la caractéristique de résistance thermique jonction-boîtier. Le concepteur doit cependant sélectionner les caractéristiques du matériau d'interface thermique et du dissipateur thermique nécessaires pour refroidir suffisamment le circuit intégré afin de maintenir la température de jonction en dessous du maximum spécifié. En général, plus la résistance thermique du matériau d'interface thermique et du dissipateur thermique est faible, plus la température du boîtier du circuit intégré refroidi est basse.

Exemple de sélection d'un dissipateur thermique

Ohmite propose la série BG de dissipateurs thermiques conçus pour fonctionner avec des processeurs (CPU), des processeurs graphiques (GPU) ou des processeurs similaires en boîtiers BGA ou PBGA avec des empreintes de boîtier carrées (Figure 2).

Figure 2 : Les dissipateurs thermiques série BG sont adaptés aux circuits intégrés en boîtier BGA, y compris les processeurs, les processeurs graphiques et d'autres circuits avec une empreinte carrée similaire. (Source de l'image : Ohmite)

La ligne de produits inclut dix modèles de dissipateurs thermiques, avec des empreintes correspondant aux configurations courantes de circuits intégrés de 15 millimètres (mm) x 15 mm à 45 mm x 45 mm, et des surfaces d'ailettes s'étendant de 2060 à 10 893 mm² (Tableau 1). Ces dissipateurs thermiques conformes à RoHS sont fabriqués en alliage d'aluminium 6063-T5 anodisé noir.

Tableau 1 : La série BG présente une surface d'ailettes de 2060 à 20 893 mm². (Source du tableau : DigiKey Electronics)

Les valeurs de résistance thermique indiquées dans le tableau concernent le refroidissement par convection naturelle. La convection forcée avec un ventilateur réduit la résistance thermique proportionnellement à la vitesse de l'air de refroidissement. Le refroidissement à air forcé peut réduire la résistance thermique d'un facteur de deux ou trois à un (Figure 3).

Figure 3 : Performances thermiques des dissipateurs thermiques série BG d'Ohmite pour le refroidissement à air forcé. (Source de l'image : Ohmite)

Matériaux d'interface thermique

Dans le cas de la série BG d'Ohmite, le matériau d'interface thermique utilisé entre le boîtier du circuit intégré et le dissipateur thermique est un ruban thermique double face, qui est fourni avec le dissipateur thermique. L'utilisation de ruban double face simplifie l'installation car le ruban ne nécessite aucune conception ou fabrication mécanique.

Les matériaux d'interface thermique sont généralement spécifiés par leur conductivité thermique en unités de watts par mètre-Celsius (W/(m°C)) ou de watts par mètre-Kelvin (W/(m°K)). La résistance thermique de la couche du matériau d'interface thermique dépend de l'épaisseur du ruban et de la surface sur laquelle il est appliqué. La résistance thermique peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

Équation 2

Où :

L'épaisseur est exprimée en mètres (m).

La superficie est exprimée en mètres carrés (m²).

La conductivité thermique est exprimée en W/(m°C) ou en W/(m°K).

Les degrés Celsius et Kelvin sont interchangeables car ils utilisent tous les deux le même incrément d'unité de mesure de la température, et c'est la différence de température qui est calculée (par exemple, une variation de 10°C de la température équivaut à une variation de 10°K de la température).

En regardant le BGAH150-075E d'Ohmite, un dissipateur thermique de 15 mm x 15 mm x 7,5 mm (fixé à un dispositif de 15 mm x 15 mm), la surface du matériau d'interface thermique est de 225 mm² (225 E^-6 m²). L'épaisseur du ruban thermique fourni est de 0,009 pouce ou 0,23 mm (0,00023 m). La conductivité thermique spécifiée est de 1,4 W/(m°K). L'utilisation de ces valeurs dans l'Équation 2 donne :

 Équation 3

La résistance thermique du matériau d'interface thermique est généralement beaucoup plus faible que celle du dissipateur thermique, et elle est encore plus faible pour les dissipateurs thermiques ayant une empreinte plus grande.

Un exemple de détermination de la résistance thermique minimum requise dans un dissipateur thermique pour maintenir le circuit intégré dans sa limite de température commence par le circuit intégré. Considérons un circuit intégré de 15 mm x 15 mm avec une température de boîtier spécifiée maximum de 85°C, qui en fonctionnement normal dissipe 2 W, fonctionnant dans un boîtier avec une température ambiante de 45°C.

Il peut être difficile de déterminer la dissipation de puissance d'un processeur en raison de la grande diversité des modes de fonctionnement. Certains fabricants tentent de simplifier cela en spécifiant la puissance de conception thermique ou TDP. La valeur TDP est la puissance dissipée pendant l'exécution d'une « application réelle ». La pertinence de cette valeur fait l'objet de discussions, car elle dépend de l'application. Il est également possible de déterminer la dissipation de puissance maximum en référençant les exigences de courant d'alimentation pour chacune des tensions d'alimentation du processeur. Cette valeur peut être supérieure à la dissipation décrite par la puissance TDP. Les concepteurs doivent consulter les données techniques des fournisseurs pour déterminer la meilleure estimation de la dissipation de puissance nominale d'un circuit intégré.

Pour revenir à l'exemple, la résistance thermique (θ) minimum du dissipateur thermique et du matériau d'interface thermique requis peut être déterminée à l'aide de l'Équation 4 :

Équation 4

Le BGAH150-075E d'Ohmite a une résistance thermique de 18°C/W ; avec la résistance supplémentaire du matériau d'interface thermique, 0,73°C/W, le total est de 18,73°C/W. Cette valeur est inférieure à la résistance thermique minimum calculée et elle fonctionnera. Si ce dissipateur thermique est sélectionné, sur la base d'un calcul inverse utilisant l'Équation 1 avec la température ambiante maintenue constante, la température de boîtier maximum estimée serait de 82,5°C.

Comme alternative, le dissipateur thermique BGAH150-125E d'Ohmite, mesurant 15 mm x 15 mm x 12,5 mm avec une plus grande surface en raison d'une plus grande hauteur d'ailettes, réduit la résistance thermique totale du dissipateur thermique et du matériau d'interface thermique à 11°C/W. Cela permet d'abaisser la température du boîtier à environ 67°C pour un coût à peu près équivalent et de fournir une plus grande marge de température.

D'autres considérations peuvent inclure l'espace disponible pour le dissipateur thermique ou l'éventuel besoin d'un ventilateur de refroidissement.

Conclusion

La sélection d'un dissipateur thermique est relativement simple d'un point de vue thermique. Comme illustré, les dissipateurs thermiques série BG d'Ohmite offrent une solution viable aux problèmes de refroidissement des circuits intégrés en boîtier BGA.