Dimensionnement du dissipateur thermique : les calculs thermiques dont vous avez besoin

Pourquoi le dimensionnement des dissipateurs thermiques est important (et pourquoi les ingénieurs se trompent)

J'ai vu de nombreux modèles échouer sur le terrain parce que quelqu'un a envisagé un dissipateur thermique ou en a choisi un en fonction du coût plutôt que des exigences thermiques réelles. Le composant fait fonctionner des réservoirs chauds et fiables, et tout à coup, vous vous retrouvez avec des unités d'entretien sur site qui auraient dû durer cinq ans. C'est frustrant parce que les calculs ne sont même pas si difficiles : il suffit de réfléchir systématiquement à la trajectoire thermique.

L'idée de base est simple : la chaleur circule de la jonction (où le silicium dissipe réellement l'énergie) à travers de multiples résistances thermiques jusqu'à atteindre l'air ambiant. Chaque interface ajoute de la résistance. Votre travail consiste à calculer la résistance thermique du dissipateur thermique dont vous avez besoin pour que la température de jonction reste inférieure à sa valeur nominale maximale.

La plupart des ingénieurs le savent conceptuellement, mais ignorent le calcul proprement dit. Soit ils choisissent un dissipateur thermique au hasard dans le catalogue d'un distributeur, soit ils partent du principe que « plus c'est gros, mieux c'est ». La première approche échoue souvent dans des conditions d'exploitation réelles ; la seconde gaspille de l'argent et de l'espace. La bonne méthode prend peut-être cinq minutes avec une calculatrice.

Le chemin de résistance thermique

La chaleur circule à travers une série d'interfaces, et chacune possède une résistance thermique. Considérez-le comme une résistance électrique en série : la résistance totale est la somme de toutes les pièces.

Où :

• $\theta_{JC}$ est la résistance jonction-boîtier (intégrée à la puce, vous ne pouvez pas la modifier)
• $\theta_{CA}$ est la résistance du boîtier au dissipateur thermique (dépend de l'interface et du composé thermique)
• $\theta_{SA}$ est la résistance du dissipateur thermique à la température ambiante (ce que vous choisissez réellement)
• $\theta_{JA}$ est la résistance totale entre la jonction et la température ambiante

La température de jonction est alors :

Où $T_J$ est la température de jonction, $T_A$ est la température ambiante et $P_D$ est la dissipation de puissance en watts.

Votre contrainte est que le $T_J$ doit rester en dessous de la note maximale (généralement indiquée dans la fiche technique). En réorganisant, vous pouvez trouver le maximum autorisé $\theta_{JA}$, puis revenir en arrière pour trouver la résistance du dissipateur thermique dont vous avez besoin.

Un exemple concret : régulateur linéaire 50 W

Supposons que vous conceviez une alimentation électrique à l'aide d'un LDO ou d'un régulateur linéaire qui dissipe 50 W. C'est courant dans les fournitures de laboratoire ou les équipements industriels où la tension de chute de tension est acceptable mais où l'efficacité n'est pas critique.

Voici vos spécifications :

• Dissipation de puissance : 50 W
• Température de jonction maximale : 150 °C (typique des puces modernes)
• Température ambiante : 50 °C (et non 25 °C, supposons que le boîtier soit chaud)
• Résistance jonction-boîtier ($\theta_{JC}$) : 0,5 °C/W (d'après la fiche technique)
• Résistance du boîtier au dissipateur thermique ($\theta_{CA}$) : 0,1 °C/W (composé thermique, montage standard)

Tout d'abord, calculez l'augmentation de température admissible :

Ensuite, trouvez la résistance thermique totale maximale autorisée :

Soustrayez maintenant les résistances fixes pour trouver ce que le dissipateur thermique doit fournir :

Vous avez donc besoin d'un dissipateur thermique avec une résistance thermique de 1,4 °C/W ou mieux. Une recherche rapide permet de constater qu'une petite extrusion d'aluminium d'une température nominale de 1,2 °C/W convient parfaitement. Vous prenez cette pièce, vous la montez avec un composé thermique et vous avez terminé.

Vérifions la température de jonction réelle avec ce dissipateur thermique :

Parfait Vous êtes à 140 °C, ce qui est inférieur à la limite de 150 °C avec une marge de 10 °C. Cette marge est votre facteur de sécurité pour l'incertitude de mesure et les variations dans l'application du composé thermique.

Erreurs courantes (et comment les éviter)

Oublier l'interface boîtier-dissipateur thermique

C'est le plus gros. Les ingénieurs partent souvent du principe que la valeur de la fiche technique du dissipateur thermique ($\theta_{SA}$) est la seule chose qui compte et ignorent la résistance de l'interface. Mais les composés thermiques, qu'il s'agisse de pâte blanche bon marché ou de produits sophistiqués remplis de graphite, ajoutent toujours de la résistance. Une valeur typique est de 0,05 à 0,2 °C/W selon le composé et la qualité de son application. Si vous omettez cette valeur dans votre calcul, vous aurez 10 à 20 °C de plus que prévu.

Pire encore : si vous utilisez un composé thermique bon marché ou si vous l'appliquez trop fin, cette résistance peut doubler. J'ai vu des modèles qui ont bien fonctionné en laboratoire parce que l'ingénieur a utilisé un composé frais de haute qualité, puis a échoué en production lorsque l'équipe de fabrication s'est emparée de tout ce qui était en vente.

Utiliser la mauvaise température ambiante

La plupart des fiches techniques supposent une température ambiante de 25 °C. C'est très bien pour un ordinateur de bureau. Cela ne convient pas aux équipements situés dans une salle de serveurs (souvent entre 35 et 40 °C), dans une enceinte extérieure en été (50 à 60 °C) ou à l'intérieur d'un boîtier industriel étanche mal ventilé (il peut atteindre une température de 20 à 30 °C au-dessus de la température ambiante). Si le calcul de votre dissipateur thermique suppose 25 °C et que l'environnement réel est de 50 °C, vous venez d'ajouter 25 °C à votre température de jonction. Cela réduit votre marge.

Demandez toujours : où cela fonctionnera-t-il réellement ? Quel est le pire scénario d'ambiance ? Utilisez ce numéro, et non l'hypothèse de la fiche technique.

Ignorer le flux d'air

Les fiches techniques des dissipateurs thermiques répertorient souvent les performances à un débit d'air spécifique, généralement par convection naturelle (0 m/s) ou par convection forcée (par exemple, 1 m/s ou 2 m/s). Si vous choisissez un dissipateur thermique conçu pour un débit d'air de 1 m/s mais que vous le montez dans un boîtier étanche sans ventilateur, vous obtiendrez des performances de convection naturelle, ce qui est bien pire. La résistance thermique pourrait être 2 à 3 fois plus élevée.

À l'inverse, si vous avez un ventilateur, vous pouvez utiliser un dissipateur thermique plus petit que celui requis par une conception passive. Mais vous devez connaître le débit d'air réel fourni par votre ventilateur, et ne pas simplement supposer que « tout ira bien ».

Confondre résistance thermique et capacité thermique

La résistance thermique indique l'augmentation de température en régime permanent. La capacité thermique (la masse du dissipateur thermique et du composant) vous indique à quelle vitesse vous atteignez cet état stable. Ce sont des choses différentes. Un grand dissipateur thermique en aluminium possède une capacité thermique élevée : il met un certain temps à chauffer. Un petit dissipateur thermique a une faible capacité thermique : il atteint rapidement sa température maximale. Pour un fonctionnement continu, seule la résistance thermique compte. Pour les impulsions transitoires, la capacité est également importante. Ne les mélangez pas.

Ne pas tenir compte de la dégradation au fil du temps

Le composé thermique peut sécher ou se dégrader au fil des années de fonctionnement, en particulier à des températures élevées. Sa conductivité thermique baisse. La résistance de l'interface augmente. Un dissipateur thermique qui fonctionne correctement dès le premier jour pourrait être 20 à 30 % plus mauvais après cinq ans. Si vous concevez avec une marge nulle, vous demandez des échecs sur le terrain. Incluez toujours une marge de sécurité : je vise généralement une température d'au moins 10 à 15 °C entre le pic calculé et la valeur maximale absolue.

Quand utiliser la calculatrice

Le Heatsink Calculator effectue toutes ces opérations arithmétiques pour vous. Indiquez-lui la dissipation de puissance, les températures de jonction et ambiantes, ainsi que les résistances thermiques fixes à partir de la fiche technique de vos composants. Il calcule la résistance du dissipateur thermique requise et vous indique la température de jonction qui en résulte. Si la température de jonction est trop élevée, vous pouvez essayer différentes valeurs de dissipateur thermique (ou un meilleur composé thermique) et constater instantanément l'impact.

C'est particulièrement utile lorsque vous comparez des options. Devriez-vous utiliser un dissipateur de chaleur passif ou ajouter un ventilateur ? Et si vous passiez à un meilleur composé thermique ? Et si la température ambiante était de 60 °C au lieu de 50 °C ? Analysez les chiffres de chaque scénario et choisissez celui qui équilibre le coût, la taille et la fiabilité.

La vue du réseau de résistance thermique

Si vous voulez faire preuve de fantaisie, vous pouvez le considérer comme un circuit thermal. Le « courant » est la puissance (watts), la « tension » est la température (°C) et les « résistances » sont les résistances thermiques (°C/W). La loi d'Ohm devient $\Delta T = P \times \theta$. Si vous avez plusieurs chemins parallèles (par exemple, la chaleur circule à travers le dissipateur thermique et également à travers le PCB), vous pouvez utiliser des formules de résistance parallèles. La plupart des conceptions à composant unique ne nécessitent pas cette complexité, mais elle est utile pour les systèmes à haute puissance où plusieurs voies thermiques sont importantes.

Essayez-le

Accédez à la fiche technique de vos composants et aux spécifications de votre environnement d'exploitation. Ouvrez le calculateur de dissipateur thermique et saisissez les chiffres. Consacrez deux minutes aux calculs au lieu de deviner. Soit vous confirmez que votre dissipateur thermique est en bon état, soit vous allez le découvrir dès maintenant, avant de commander des cartes et de découvrir que le design fait 30 °C trop chaud. C'est tout l'intérêt : détecter les problèmes thermiques dès la phase de conception, et non sur le terrain.