Prédire la température de jonction à l'aide de la résistance thermique

Pourquoi avez-vous réellement besoin de modéliser le flux de chaleur

Chaque semi-conducteur que vous déposez sur une carte a une température de jonction maximale, 125 °C ou 150 °C la plupart du temps. Franchissez cette ligne et vous n'êtes pas uniquement confronté à un comportement floconneux sous charge. Vous vous achetez un vieillissement accéléré, des défaillances intermittentes ou une crise complète si vous y mettez vraiment de l'emphase. La fiche technique vous donne le$T_{J(max)}$comme limite stricte, mais ce chiffre à lui seul ne vous indique pas ce que la jonction rencontrera réellement lorsque votre circuit fonctionnera à pleine puissance dans une enceinte chaude.

C'est là que les réseaux de résistance thermique vous font économiser. Considérez-le comme la loi d'Ohm pour la chaleur : la dissipation de puissance fait passer un « courant » d'énergie thermique à travers une chaîne de résistances, et chaque résistance entraîne une augmentation de température. Si vous avez choisi des dissipateurs thermiques en regardant le catalogue et en croisant les doigts, vous pouvez remplacer cette supposition par des chiffres réels. La plupart des ingénieurs ignorent cette étape lors de la conception initiale et le regrettent plus tard lorsque les prototypes commencent à cuire eux-mêmes lors des tests en chambre thermique.

Comment fonctionne la chaîne de résistance thermique

La chaleur générée à la jonction du semi-conducteur ne disparaît pas comme par magie. Il traverse une série d'interfaces physiques (l'attache de la puce, le boîtier, le matériau d'interface thermique, le dissipateur thermique) avant de finalement se dissiper dans l'air ambiant. Nous modélisons cela sous la forme d'une chaîne de résistances thermiques, et le calcul semble rassurant si vous avez effectué une analyse de circuit en courant continu :

§ 0§

Répartir chaque terme :

-$P_D$est la puissance que vous consommez dans l'appareil (watts). Pour un régulateur linéaire, c'est$(V_{in} - V_{out}) \times I_{load}$. Pour un MOSFET en saturation, c'est$I_D^2 \times R_{DS(on)}$. -$\theta_{JC}$est la résistance thermique jonction-boîtier (°C/W). Cela est intégré à la conception de l'emballage : le matériau de fixation de la matrice, le cadre ou le substrat, la matière à mouler. Vous ne pouvez pas le modifier ; il vous suffit de le rechercher dans la fiche technique.

• Le$\theta_{CS}$est la résistance thermique du boîtier au dissipateur thermique (°C/W). C'est là que réside votre matériau d'interface thermique : graisse thermique, tampons thermiques ou, si vous voulez économiser, contact sec métal sur métal (ne faites pas cela).

-$\theta_{SA}$est la résistance du dissipateur thermique à la température ambiante (°C/W). Cela dépend de la géométrie du dissipateur thermique, de la surface, de l'espacement des ailettes et, surtout, du fait que vous ayez un flux d'air forcé ou simplement une convection naturelle. -$T_A$est la température ambiante. Utilisez vos spécifications les plus défavorables, et non la température confortable de 25 °C sur votre banc.

La résistance thermique totale entre la jonction et la température ambiante n'est que la somme, car la chaleur n'a qu'un seul chemin à suivre :

§ 1§

Chaque résistance crée une chute de température proportionnelle à la puissance qui la traverse. Plus votre jonction doit être chaude par rapport à la température ambiante, plus vous dissipez d'énergie ou plus votre trajet thermique est mauvais. D'habitude, c'est les deux.

Calcul de la température à chaque interface

L'un des aspects réellement utiles de ce modèle est que vous n'êtes pas limité à la prévision de la température de jonction. Vous pouvez calculer la température à chaque interface physique de la chaîne. En partant de la température ambiante et en revenant vers le dé :

Cela devient extrêmement précieux lors de la validation. Collez un thermocouple sur votre dissipateur thermique et mesurez$T_{HS}$pendant que le circuit fonctionne. Si la température mesurée est supérieure à ce que vous aviez prévu dans vos calculs, il y a un problème avec les performances du dissipateur thermique. Peut-être que vous n'avez pas le débit d'air que vous pensiez avoir ou que le support n'établit pas un bon contact. Si le$T_C$est plus chaud que prévu par rapport au$T_{HS}$, vous avez un problème d'interface thermique. Peut-être que la graisse thermique n'a pas été appliquée de manière uniforme ou que le couple de montage est trop faible et que vous avez un entrefer.

Le fait de pouvoir isoler quelle étape du trajet thermique est peu performante vous évite de devoir deviner « pourquoi ce truc fait-il chaud ? »

Exemple concret : empêcher un LDO de 10 W de fondre

Passons en revue un scénario réaliste. Vous concevez une alimentation et vous avez un régulateur linéaire dans un boîtier TO-220 dissipant 10 W. Cela représente beaucoup de chaleur pour un seul appareil. Vous ne vous en sortirez certainement pas sans dissipateur thermique. Votre travail consiste à déterminer si le dissipateur thermique que vous avez sélectionné maintiendra la jonction en dessous du maximum de 150 °C à la température ambiante de 70 °C dans le pire des cas.

Valeurs données :

• Article 22

-$\theta_{JC} = 1.5\,\text{°C/W}$(directement à partir de la fiche technique LDO) -$\theta_{CS} = 0.5\,\text{°C/W}$(vous utilisez un coussin thermique et le matériel de montage approprié) -$\theta_{SA} = 4.0\,\text{°C/W}$(dissipateur thermique en aluminium extrudé de taille moyenne, convection naturelle)

• Article 26

Calcul étape par étape :

Tout d'abord, trouvez la résistance thermique totale :

§ 5

Calculez maintenant la température à chaque interface, en partant de la température ambiante vers la jonction :

§ 6

Le dissipateur thermique lui-même se trouve à 110 °C. Il fait suffisamment chaud pour que vous ne vouliez pas le toucher.

§ 7§

Le boîtier (la languette métallique du TO-220) est à 115 °C, soit seulement 5 °C de plus que le dissipateur thermique, car l'interface thermique fait son travail.

§ 8§

La jonction se termine à 130 °C. Techniquement, cela se situe dans la limite maximale de 150 °C, mais regardons la marge :

§ 9

Vous avez une hauteur libre de 20 °C. Sur le papier, c'est passagère. En réalité, c'est trop serré pour un design de production. Vous constaterez des variations dans la façon dont la graisse thermique est appliquée d'une unité à l'autre. Vous aurez un empilement de tolérances dans le support du dissipateur thermique. Le flux d'air à l'intérieur du boîtier ne sera pas parfaitement uniforme. N'importe lequel de ces facteurs peut réduire cette marge de 20 °C et, tout à coup, vous vous retrouvez à la limite des spécifications.

Pour un modèle qui doit être expédié en volume et survivre sur le terrain pendant des années, je voudrais une marge d'au moins 25 à 30 °C. Ce design est à la limite : il fonctionnera probablement, mais vous prenez plus de risques que nécessaire.

Voici l'autre piège : si vous construisez ce circuit et que vous le testez sur votre banc à 25 °C ambiants, la température de jonction est la suivante :

§ 10§

À température ambiante, tout va bien. Le dissipateur thermique est chaud mais pas alarmant. Vous ne devinerez jamais que le même design flirte avec un arrêt thermique à 70 °C ambiants. C'est exactement pourquoi vous devez toujours analyser les chiffres dans les pires conditions, et pas seulement dans les conditions les plus confortables du laboratoire.

Les erreurs que les ingénieurs continuent de commettre

Oublier la résistance du boîtier au dissipateur thermique : Je le vois constamment. Les utilisateurs saisissent le$\theta_{JC}$de la fiche technique, choisissent un dissipateur thermique dont le$\theta_{SA}$est connu et ignorent complètement le$\theta_{CS}$. Un contact sec métal sur métal entre une languette TO-220 et un dissipateur thermique en aluminium peut facilement atteindre 1,0 à 2,0 °C/W en raison de la rugosité de la surface et des entrefers microscopiques. Ajoutez une fine couche de graisse thermique et vous la faites baisser à 0,3 à 0,5 °C/W. À une dissipation de 10 W, cette différence est de 5 à 15 °C à la jonction. C'est la différence entre un design qui fonctionne et un autre qui ne fonctionne pas. Faire confiance à la valeur$\theta_{JA}$de la fiche technique : De nombreuses fiches techniques indiquent une résistance thermique entre la jonction et la température ambiante, et il est tentant de simplement utiliser ce chiffre. Ne le fais pas. Ce$\theta_{JA}$a été mesuré sur une carte de test standardisée, généralement un PCB spécifié par JEDEC avec une zone de cuivre et un empilement de couches définis. Cela n'a rien à voir avec votre carte mère, votre boîtier, votre montage ou votre flux d'air. La seule façon d'obtenir une prédiction significative est de construire le réseau thermique à partir des résistances individuelles en fonction de votre matériel spécifique. Ignorer le déclassement thermique pour des raisons de fiabilité : Bien sûr, la fiche technique indique$T_{J(max)} = 150\,\text{°C}$, et votre calcul indique 145 °C, vous êtes donc dans les limites des spécifications. Techniquement correct. Mais la durée de vie des composants se dégrade de façon exponentielle avec la température : l'équation d'Arrhenius nous indique qu'environ chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction réduit de moitié la durée de vie prévue. Si vous courez à 130 °C au lieu de 110 °C, vous risquez de subir des pannes sur le terrain des années plus tôt que vous ne le feriez autrement. Si vous vous souciez de la fiabilité à long terme, concevez pour des températures de jonction nettement inférieures à la valeur nominale maximale absolue.

Choisir le bon dissipateur thermique

La résistance du dissipateur thermique à la température ambiante$\theta_{SA}$est généralement le chiffre le plus élevé de votre budget thermique, et c'est aussi celui sur lequel vous avez le plus de contrôle. Si votre marge thermique n'est pas suffisante, vous pouvez la corriger ici. Voici quelques valeurs approximatives pour les configurations de dissipateurs thermiques courantes :

L'ajout d'un flux d'air forcé fait une différence spectaculaire : vous pouvez souvent réduire le$\theta_{SA}$de moitié, voire mieux, même avec un ventilateur modeste. Si vous êtes déjà à la limite de ce qui est pratique en matière de refroidissement passif, un petit ventilateur peut être le moyen le plus rentable d'obtenir la marge thermique dont vous avez besoin.

L'autre option ne fait que s'agrandir. Les dissipateurs thermiques présentant une plus grande surface et une meilleure géométrie des ailettes ont une résistance thermique plus faible. Le compromis entre l'espace de bord et le coût, mais si vous dissipez beaucoup d'énergie, il n'y a pas de déjeuner gratuit.

Quand devriez-vous réellement effectuer cette analyse

Effectuez ce calcul chaque fois que vous dissipez plus de deux watts dans un seul composant, ou lorsque votre environnement de fonctionnement n'est pas un banc de laboratoire confortable à température ambiante. Cas spécifiques où vous devez absolument le faire :

• Sélection d'un dissipateur thermique pour un régulateur linéaire, un MOSFET ou un amplificateur de puissance RF
• Vérifier que votre conception présente une marge thermique adéquate sur toute la plage de températures ambiantes spécifiées (25 °C, 40 °C, 70 °C, 85 °C, ou selon les spécifications de votre produit)
• Débogage d'un prototype dont les composants chauffent plus que prévu ou s'arrêtent sous charge
• Comparaison de différents matériaux d'interface thermique pour déterminer si le passage d'un tampon thermique de base à une graisse plus performante en vaut la peine
• Documentation de votre analyse thermique pour une revue de conception ou une soumission réglementaire

Le calculateur lié ci-dessous vous permet de parcourir plusieurs températures ambiantes en une seule fois. Vous pouvez voir ce qui se passe à la température ambiante, à 40 °C, à 70 °C et à la limite maximale des spécifications, en une seule fois. Cela vous donne une image complète de la marge dont vous disposez sur l'ensemble de la plage de fonctionnement, et pas seulement à une condition arbitraire.

Essayez-le vous-même

Branchez les résistances thermiques et la dissipation de puissance de votre appareil, et vous verrez instantanément les températures prévues aux jonctions, au boîtier et au dissipateur thermique dans différentes conditions ambiantes. Inutile de fouiller dans une feuille de calcul ou de redéfinir les équations à chaque fois. Ouvrez le calculateur du réseau de résistance thermique et vérifiez que votre conception thermique dispose de la marge nécessaire avant de vous lancer dans une rotation de plateau. Vous dormirez mieux en sachant que les chiffres fonctionnent réellement, et pas seulement en espérant qu'ils fonctionnent.