Surchauffe des circuits intégrés : guide pour le calcul de la température de jonction...

La température que vous ne pouvez pas mesurer directement

Chaque semi-conducteur a une température de jonction maximale, généralement 125 °C ou 150 °C pour la plupart des pièces, parfois 175 °C pour le silicium de qualité automobile. Si vous le dépassez, vous serez confronté à un vieillissement accéléré, à une dérive paramétrique ou à un échec pur et simple. Le problème ? Vous ne pouvez pas coller de thermocouple sur la matrice. La jonction est enterrée sous l'emballage et la température du boîtier que vous pouvez mesurer est toujours plus froide que celle qui se passe à l'intérieur.

Nous le calculons donc. Et nous ferions mieux de bien faire les choses, car la conception thermique est l'un de ces domaines où une erreur de 20 °C peut faire la différence entre un produit qui fonctionne pendant dix ans et un produit qui meurt en six mois.

La chaîne de résistance thermique

La chaleur circule de la jonction vers l'air ambiant à travers une série de résistances thermiques, qui s'additionnent exactement comme les résistances électriques en série. La résistance thermique totale entre la jonction et la température ambiante est de :

Où $\theta_{JC}$ est jonction à boîtier,$\theta_{CS}$ est boîtier-dissipateur thermique (l'interface) et $\theta_{SA}$ est dissipateur thermique-température ambiante. Chacun d'entre eux a une véritable signification physique :

Jonction-boîtier ($\theta_{JC}$)  : Ceci est défini par la conception de l'emballage et la fixation de la matrice. Vous l'obtenez à partir de la fiche technique, et vous ne pouvez rien y faire. Un petit QFN peut se situer entre 2 et 5 °C/W, alors qu'un TO-220 à l'ancienne se situe généralement entre 0,5 et 1,5 °C/W. L'emballage est très important ici. Boîtier par dissipateur thermique ($\theta_{CS}$)  : Il s'agit de la résistance thermique de l'interface, c'est-à-dire l'espace entre le boîtier et le support sur lequel vous le montez. Le contact sec est terrible, autour de 1,0 °C/W pour un TO-220. La pâte thermique fait baisser cette température à environ 0,5 °C/W. Les tampons thermiques sont pratiques mais légèrement moins bons que la pâte, à environ 0,3 °C/W pour les bons. Le montage direct par soudure sur un plan en cuivre vous permet de descendre à 0,1 °C/W ou moins. Du dissipateur thermique à la température ambiante ($\theta_{SA}$)  : cela dépend de la taille du dissipateur thermique, de la géométrie des ailettes et du débit d'air. Un TO-220 nu exposé à l'air immobile peut faire 50 °C/W. Ajoutez un petit dissipateur thermique à clipser et vous obtiendrez une température de 20 °C/W. Un dissipateur thermique à ailettes approprié vous permet d'atteindre une température de 5 à 10 °C/W. Mettez de l'air dessus et vous pouvez atteindre 2 °C/W ou moins.

Une fois que vous avez obtenu le total $\theta_{JA}$, la température de jonction est simplement :

C'est ça. La dissipation de puissance multipliée par la résistance thermique vous permet d'augmenter la température au-dessus de la température ambiante.

Un exemple concret : un régulateur LDO dans un boîtier industriel

Supposons que vous conceviez avec un régulateur linéaire passant de 12 V à 5 V à 200 mA. La dissipation de puissance est simple :

C'est beaucoup pour un petit boîtier SOT-223. La fiche technique indique $\theta_{JC}$= 15 °C/W (typique pour ce style d'emballage). Vous êtes en train de le souder à un circuit imprimé avec une bonne couche de cuivre, alors disons $\theta_{CS}$= 0,3 °C/W. Le PCB lui-même fait office de dissipateur thermique, pas de dissipateur thermique externe, donc $\theta_{SA}$ correspond peut-être à 25 °C/W si vous avez un plan de masse raisonnable.

Résistance thermique totale :

Comme il s'agit d'une application industrielle, la température ambiante pourrait atteindre 40 °C à l'intérieur de l'enceinte. Température de jonction :

Si la pièce est conçue pour une température maximale de 125 °C, votre marge thermique est comprise entre 125 et 96,4 = 28,6 °C. Cela semble correct, mais c'est en fait marginal. La température ambiante peut dépasser la valeur nominale, la dissipation de puissance augmente si la tension d'entrée augmente, et les valeurs de résistance thermique des fiches techniques sont optimistes. Je voudrais une marge d'au moins 30 à 40 °C pour un produit qui doit durer.

Vous pouvez ouvrir le calculateur de température de jonction et saisir ces numéros directement. Il vous indiquera également les températures intermédiaires (surface du boîtier et du dissipateur thermique), ce qui est utile pour la vérification. Si vous pouvez mesurer la température du boîtier à l'aide d'un thermocouple, vous pouvez vérifier l'intégrité de votre modèle thermique.

Et si nous ajoutions un dissipateur thermique ?

Même scénario, mais maintenant nous installons un petit dissipateur thermique en aluminium avec $\theta_{SA}$= 10 °C/W et utilisons de la pâte thermique pour l'interface ($\theta_{CS}$= 0,5 °C/W) :

T_J = 40 + (1,4 × 25,5) = 40 + 35,7 = 75,7 °C

La marge thermique passe à près de 50 °C. C'est beaucoup mieux. Le dissipateur thermique coûte peut-être 0,30$ et vous permet d'éviter un taux de panne sur site qui coûterait des milliers de dollars en retours de garantie.

Pourquoi la fiche technique $\theta_{JA}$ est généralement inutile

La plupart des fiches techniques indiquent une valeur $\theta_{JA}$, et la plupart des ingénieurs l'utilisent directement. C'est une erreur.

Ce chiffre provient d'une carte de test standard JEDEC, généralement un circuit imprimé à 4 couches avec des zones de cuivre spécifiques, testé dans de l'air calme à une température ambiante contrôlée. Votre carte présente probablement une couverture en cuivre différente, un empilement de couches différent, un flux d'air différent et des composants situés à proximité qui ajoutent de la chaleur. La fiche technique $\theta_{JA}$ peut être de 40 °C/W, mais votre valeur réelle pourrait facilement être de 60 °C/W ou 30 °C/W selon votre configuration.

La valeur jonction-boîtier ($\theta_{JC}$) est beaucoup plus fiable car il s'agit d'une propriété du boîtier lui-même, et non du PCB. Si vous effectuez une conception thermique sérieuse, partez du $\theta_{JC}$ et estimez le reste de la chaîne en fonction de votre situation de montage réelle.

Erreurs et pièges courants

Oublier que la température ambiante n'est pas la température ambiante

Par « température ambiante », on entend la température de l'air juste à côté du composant, et non la température ambiante. À l'intérieur d'une enceinte contenant d'autres sources de chaleur, la température ambiante peut facilement être supérieure de 15 à 20 °C à l'air extérieur. J'ai vu des ingénieurs calculer la température de jonction en utilisant une température ambiante de 25 °C pour un système placé dans un boîtier scellé avec un processeur de 10 W à côté. La température ambiante réelle à proximité du régulateur était plus proche de 55 °C.

Ignorer la résistance thermique de l'interface

Les gens sont obsédés par le choix du dissipateur thermique, puis par le montage sans composé thermique. Un contact métal-métal sec peut ajouter 1 à 2 °C/W, ce qui, à 10 W de dissipation, signifie 10 à 20 °C supplémentaires à la jonction. C'est la différence entre un fonctionnement sécurisé et un arrêt thermique. Utilisez toujours un matériau d'interface thermique. Toujours.

En supposant un état stable alors que ce n'est pas le cas

Les calculs ci-dessus supposent un équilibre thermique : tout s'est réchauffé et s'est stabilisé. Si votre charge est pulsée ou varie de manière significative, la masse thermique du système est importante. Une courte impulsion de haute puissance risque de ne pas trop chauffer la jonction si le boîtier possède une capacité thermique suffisante. À l'inverse, un composant peut survivre à une brève surcharge mais échouer si cette surcharge dure suffisamment longtemps pour atteindre un état stable. Le calculateur vous donne des résultats en régime permanent, ce qui est le pire des cas pour un fonctionnement continu, mais pas nécessairement pour des événements transitoires.

Faire confiance aux évaluations des dissipateurs thermiques sans contexte

Un dissipateur thermique évalué à 5 °C/W a probablement été testé dans des conditions idéales : monté verticalement avec des ailettes orientées pour la convection naturelle, dans de l'air calme, rien à proximité ne bloquant le flux d'air. Montez-le horizontalement, placez-le contre un mur ou placez-le dans une enceinte exiguë, et cette température de 5 °C/W deviendra 8 ou 10 °C/W. Les valeurs nominales d'air forcé dépendent encore plus de la vitesse réelle du flux d'air que vous atteignez.

Ne pas laisser assez de marge

La température de jonction maximale de la fiche technique est exactement la même : la température maximale. Le fonctionnement continu à T (J, max) réduit considérablement la durée de vie des composants. L'équation d'Arrhenius indique que le taux de défaillance double à peu près pour chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction. Courir à 125 °C au lieu de 105 °C peut réduire votre MTBF de moitié. La plupart des conceptions soucieuses de la fiabilité visent une température inférieure de 20 à 30 °C à la température maximale nominale.

Les températures intermédiaires sont également importantes

Le calculateur affiche également la température du boîtier et la température du dissipateur thermique. Ce ne sont pas que des études, c'est ce que vous pouvez réellement mesurer.

La température du boîtier vous indique ce que pourrait lire un thermocouple sur l'emballage. Si la température de votre boîtier calculée est de 85 °C mais que vous mesurez 95 °C, votre modèle thermique est erroné quelque part. Peut-être que la résistance de l'interface est plus élevée que prévu ou que le dissipateur thermique ne fonctionne pas comme prévu.

La température du dissipateur thermique est utile pour la conformité en matière de sécurité. De nombreux produits ont des limites quant à la température de surface tactile, généralement 45 °C pour un contact continu avec la peau. Si votre dissipateur thermique est exposé et risque d'être touché, vous devez connaître sa température.

Quand la convection naturelle ne suffit pas

Parfois, vous faites le calcul et vous vous rendez compte qu'aucun dissipateur thermique passif ne correspond à vos contraintes. Un appareil de 20 W avec une élévation admissible de 50 °C a besoin de $\theta_{JA}$ en dessous de 2,5 °C/W. C'est agressif pour la convection naturelle.

L'air pulsé change tout. Même un faible débit d'air de 1 à 2 m/s peut réduire la résistance thermique du dissipateur thermique de 60 à 70 %. Un petit ventilateur peut faire passer votre $\theta_{SA}$ de 10 °C/W à 2 °C/W. Le compromis est le bruit, la fiabilité (les ventilateurs tombent en panne) et la consommation d'énergie. Mais parfois, c'est la seule option qui convient.

Essayez-le

La conception thermique est l'un de ces éléments faciles à agiter à la main pendant le prototypage et difficiles à corriger en production. Ouvrez le calculateur de température de jonction et analysez vos chiffres avant de vous engager dans une configuration de carte. Choisissez votre température ambiante en fonction de l'endroit où le produit fonctionne réellement, et non de l'endroit où vous le testez. Utilisez des valeurs d'interface et de dissipateur de chaleur réalistes. Et laissez de la marge : votre avenir vous remerciera si le produit ne reviendra pas du terrain avec des régulateurs épuisés.