Thermal

Calculateur de réseau de résistance thermique

Calculez les températures des jonctions, des boîtiers et des dissipateurs thermiques grâce à un réseau de résistances thermiques en série (θJC + θCS + θSA) pour la gestion thermique des composants

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Formule

T_J = T_A + P_D × (θ_JC + θ_CS + θ_SA)

T_J— Température de jonction (°C)

T_A— Température ambiante (°C)

P_D— Dissipation de puissance (W)

θ_JC— Résistance thermique de la jonction au boîtier (°C/W)

θ_CS— Résistance thermique du boîtier au dissipateur thermique (°C/W)

θ_SA— Résistance du dissipateur thermique à la température ambiante (°C/W)

Comment ça marche

Le calculateur de réseau de résistance thermique analyse les chemins de flux de chaleur multicouches en utilisant l'analogie des circuits électriques, ce qui est essentiel pour l'analyse thermique des circuits imprimés, la conception de modules multipuces et la modélisation thermique des boîtiers complexes. Les ingénieurs thermiques, les spécialistes de l'emballage et les ingénieurs en fiabilité utilisent des modèles de réseau pour prévoir la distribution de la température et identifier les goulots d'étranglement thermiques. Selon JEDEC JESD51-14, la résistance thermique R_th = L/ (k×A) où L est l'épaisseur (m), k est la conductivité thermique (W/m·K) et A est la surface transversale (m²). Les résistances en série s'ajoutent directement (R_total = R1 + R2 +...) ; les chemins parallèles se combinent comme suit : 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 +... Conductivités des matériaux : cuivre 385 W/m·K, aluminium 205 W/m·K, FR4 0,3 W/m·K, silicium 150 W/m·K, graisse thermique 1-5 W/m·K, air 0,026 W/m·K.

Exemple Résolu

Modélisez le chemin thermique pour le boîtier QFN-32 sur un circuit imprimé à 4 couches avec tampon thermique exposé. Empilage de couches (de haut en bas) : matrice (silicium, 0,3 mm), matrice de fixation (époxy, 0,025 mm), cadre de connexion (cuivre, 0,2 mm), soudure (SAC305, 0,1 mm), PCB en cuivre (35 μm), FR4 (1,5 mm), air ambiant. Surface = 5 mm x 5 mm = 25 mm². Calculez chaque couche : R_die = 0,3 mm/ (150 × 25 mm²) = 0,08 °C/W. R_Attach = 0,025 mm/ (1,5 × 25 mm²) = 0,67 °C/W. R_Leadframe = 0,2 mm/ (385 × 25 mm²) = 0,02 °C/W. R_solder = 0,1 mm/ (50 × 25 mm²) = 0,08 °C/W. R_cuivre = 0,035 mm/ (385 × 25 mm²) = 0,004 °C/W. R_FR4 = 1,5 mm/ (0,3 × 25 mm²) = 200 °C/W (domine !). Série totale : 200,9 °C/W. Ajout de vias thermiques (20 vias, 0,3 mm de diamètre, remplis de cuivre) : R_vias = 1,5 mm/ (385 × 20 × π × 0,15 m²) = 0,55 °C/W en parallèle avec FR4. Combiné : 1/ (1/200 + 1/0,55) = 0,55 °C/W — les vias réduisent la résistance thermique de 360 fois.

Conseils Pratiques

✓La conductivité thermique du FR4 (0,3 W/m·K) est 1 000 fois inférieure à celle du cuivre. Faites toujours passer le cuivre directement via des vias thermiques ou une pastille exposée vers les plans de cuivre intérieurs/inférieurs
✓Réseaux thermiques : 4 × 4 au minimum pour une amélioration significative ; 8 × 8 se rapproche de la conductivité du plan de cuivre. Grâce à un foret de 0,3 mm, rempli de cuivre, fournit le R_th le plus bas selon la norme IPC-2221B
✓Utilisez des cartes de test JEDEC 2s2p ou 1s0p pour comparer le package θJA — les résultats sur le PCB réel différeront de 30 à 50 % en fonction de la couverture en cuivre

Erreurs Fréquentes

✗Ignorer la résistance thermique de l'interface : les couches de fixation, de soudure et de TIM contribuent à un total de 0,5 à 5 °C/W, ce qui est comparable ou supérieur à la résistance des matériaux en vrac
✗Utilisation d'un modèle 1D pour la résistance d'étalement : la propagation de la chaleur d'une petite puce vers un grand dissipateur thermique ajoute 20 à 50 % au R_th calculé ; utilisez la formule de résistance à l'étalement ou FEA
✗En supposant une production de chaleur uniforme, les points chauds présentant une densité de puissance moyenne 2 fois supérieure sont courants dans les circuits intégrés ; la Tj locale peut dépasser la moyenne de 10 à 20 °C

Foire Aux Questions

Qu'est-ce que la résistance thermique ?

La résistance thermique R_th (°C/W ou K/W) est l'élévation de température par unité de puissance : ΔT = R_th × P. Elle est analogue à la résistance électrique (V = I × R). R_th = L/ (k×A) pour la conduction à travers une plaque d'épaisseur L, de conductivité k et de surface A. Un R_th inférieur signifie un meilleur transfert de chaleur. Valeurs typiques : 1 mm de cuivre (385 W/m·K) à 1 cm² = 0,026 °C/W ; 1 mm FR4 (0,3 W/m·K) à 1 cm² = 33 °C/W.

Quel est le lien entre les réseaux de résistance thermique et les circuits électriques ?

Analogie directe : température ↔ tension, flux de chaleur ↔ courant, résistance thermique ↔ résistance électrique. Les lois de Kirchhoff s'appliquent : les résistances en série s'ajoutent, les résistances parallèles se combinent réciproquement, la chaleur est conservée aux nœuds. Cela permet de simuler les réseaux thermiques par SPICE : modélisez chaque matériau en tant que résistance, les sources de chaleur en tant que sources de courant et la température ambiante en tant que source de tension.

Quels sont les facteurs qui influent sur la résistance thermique ?

Conductivité du matériau (k) : cuivre = 385 W/m·K, aluminium = 205, silicium = 150, soudure = 50, graisse thermique = 1-5, FR4 = 0,3, air = 0,026. Géométrie : R_th, L/A (plus épais = pire, plus grande surface = mieux). Interfaces : la rugosité de surface et la pression de contact influent sur la résistance de contact thermique (0,1-1 °C/W typique). Diffusion : la propagation de la chaleur d'une petite source vers un grand évier ajoute de la résistance.

Quand dois-je utiliser des modèles thermiques parallèles par rapport à des modèles en série ?

Série : la chaleur circule de manière séquentielle à travers des couches empilées (matrice → attache → boîtier → TIM → dissipateur thermique). Parallèle : la chaleur a plusieurs trajets simultanés (vias thermiques en parallèle avec FR4, convection en parallèle avec conduction). Les systèmes réels combinent les deux : calculez la résistance en série par trajet, puis combinez des chemins parallèles. Pour les géométries complexes, utilisez la simulation FEA (ANSYS, COMSOL).

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