Avec la réduction de l’encombrement des équipements et appareils électroniques, l’augmentation des fonctions et des fréquences, les températures des composants augmentent et la gestion de la dissipation thermique devient un paramètre essentiel à la bonne tenue dans le temps de ces équipements.

Une température non maîtrisée entraîne une instabilité des performances et une forte diminution de la durée de vie des composants électroniques.

Madep se positionne en tant que conseil et expert dans les domaines du refroidissement des composants et de la dissipation thermique.

Depuis l’analyse du système à refroidir jusqu’aux solutions complètes, nous pouvons réaliser des études et simulations afin d’optimiser le mode de dissipation, la taille et le positionnement des composants (composants de puissance, ventilateurs, dissipateurs, modules de refroidissement, interfaces thermiques, etc.) grâce à l’utilisation de logiciels tels que Flotherm et Flotherm XT.

Nous sélectionnons des partenaires leaders sur leurs marchés tels que Delta Electronics et Fergas pour la partie ventilateurs et turbines, Meccal et Delta Electronics pour les dissipateurs et modules de refroidissement, Boyd Balkhausen pour la conductivité thermique de leurs interfaces et matelas thermiques (TIM).

Qu’est ce qu’un dissipateur thermique ?

Les dissipateurs thermiques empruntent parfois différents noms (refroidisseur, FAN, ventilateur, radiateur, heatsinks…) mais quel que soit leur nom d’emprunt, ils ont tous la même fonction ; faciliter le refroidissement ou éviter la surchauffe d’un semi-conducteur (Diode, Thyristor, Triac, IGBT, Mofset…) en augmentant les échanges thermiques entre les semi-conducteurs et l’air ambiant. Ces éléments de refroidissement sont prépondérants dans le bon fonctionnement d’un boîtier de composant électronique ou électrique. En effet, par effet Joule, le courant électrique échauffe les composants. Si la chaleur produite par la puce s’avère trop importante, le silicium des composants et/ou des semi-conducteurs peut être amené à fondre et donc à détruire le composant en question. L’objectif du dissipateur thermique est donc d’évacuer l’énergie calorifique produite par convection naturelle ou forcée en augmentant la surface de contact du boîtier avec l’air ambiant. L’évacuation de la chaleur étant favorisée, les échanges thermiques sont, de fait, simplifiés.

Madep, expert dans le domaine de la dissipation thermique vous propose des dissipateurs (ou radiateurs). La gamme de dissipateurs est composée de dissipateurs extrudés (environ 400 profils standards), de dissipateurs haute performance à ailettes rapprochées (conçus pour la convection forcée) composés d’éléments assemblés ou usinés dans la masse.

Comment choisir son dissipateur thermique ?

Deux critères principaux interviennent dans le choix du bon dissipateur thermique :

  • Ses dimensions, qui doivent être compatibles avec le boîtier au sein duquel il sera inséré.
  • Sa résistance thermique, exprimée en degrés Kelvin par Watt (K/W), et qui définit les performances du refroidisseur.

D’autres critères secondaires peuvent également guider vos choix :

  • Le type de montage du dissipateur,
  • Utilisation en convection naturelle ou forcée (avec ventilateur),
  • La matière et le revêtement,
  • Son prix, bien évidemment,
  • Mais aussi son encombrement dans le boîtier.

Avant d’effectuer votre choix, sachez qu’un dissipateur thermique doit obligatoirement être en contact mécaniquement ET thermiquement avec le boîtier du composant. Madep propose également toute une gamme d’interfaces thermiques afin d’assurer une parfaite conduction.

Le refroidissement des composants électroniques

Comme expliqué plus haut, certains composants électroniques sont amenés à produire une puissance importante (diodes, thyristors, transistors de puissance (IGBT), MOSFET, régulateurs, CPU ou processeur, …). Le problème est que cette puissance dégagée entraîne également un dégagement de chaleur. Chaleur qui peut être fatale au niveau de la jonction des semi-conducteurs. Tous les constructeurs de composants délivrent la chaleur maximale qui peut être supportée par les jonctions. En fonction, il convient donc de dissiper cette chaleur afin d’éviter une surchauffe. Voilà pourquoi les composants de puissances sont montés sur des dissipateurs thermiques.

Mathématiquement, il est admis que la puissance calorifique passant d’une région chaude à une région froide est proportionnelle à la différence entre la chaleur de ces deux régions. Ce qui donne la formule suivante :

TC – Tf = Rth x PC

Où Tc est la température de la région chaude en degrés Celsius (C°),

Tf, celle de la région froide,

Rth, la résistance thermique

Et PC la puissance calorifique qui est échangée (en Watts).

Comment dimensionner un dissipateur thermique ?

Tout dépend de la puissance de chaleur des différents composants. Notons que chacun d’entre eux possède sa propre puissance de chaleur en fonction de ses caractéristiques et/ou de son fonctionnement. La résistance thermique, de son côté, intervient à la jonction entre deux composants. Lorsque vous montez un composant de puissance dans un boîtier sur un dissipateur thermique, vous allez donc avoir 3 zones de jonction :

  • celle entre le composant de puissance et son boîtier,
  • celle entre le boîtier et le dissipateur,
  • celle entre le dissipateur (ou radiateur) et l’air ambiant.

De fait, plus la résistance thermique entre les régions est faible et mieux la chaleur se dissipe.

Pour chaque processeur monté sur une carte mère par exemple, le constructeur précise deux point importants :

  • la résistance thermique entre la puce et son boîtier,
  • ainsi que la température maximale supportable par la puce d’un côté, et par le boîtier de l’autre côté.

Notons que le type de boîtier monté est également précisé. Ces indications permettent de déduire simplement la résistance thermique entre le boîtier et l’air ambiant. Cette valeur est notée Rthb-a (en K/Watt). Rth est la résistance thermique, ‘b’ définit le boîtier, ‘a’ l’air ambiant. Or, notre radiateur s’installe entre le boîtier et l’air ambiant. Il reste donc à définir deux valeurs :

  • Rthb-r (‘b’ est toujours le boîtier et ‘r’ le radiateur),
  • et Rthr-a (‘r’ est le radiateur et ‘a’ l’air ambiant).

La première valeur dépend exclusivement du choix de montage du boîtier du composant sur le dissipateur. Plus vous augmenterez le contact entre les deux, plus la chaleur se diffusera du boîtier au radiateur. Ceci explique pourquoi l’on trouve parfois des graisses, ou des interfaces thermiques entre les deux, afin d’augmenter la surface de contact et, donc, de diminuer la résistance.

La seconde valeur, quant à elle, est déterminée par la taille du radiateur. Plus ce dernier dispose d’une surface de contact importante avec l’air ambiant et plus il permet d’évacuer la chaleur. Cette valeur dépend donc directement des dimensions de votre refroidisseur.

En conclusion, en fonction des éléments délivrés par les différents constructeurs, ce sont bien les dimensions du dissipateur de chaleur qui sont la variable d’ajustement du système de refroidissement. Attention toutefois à ne pas surdimensionner le dissipateur de chaleur, pour des raisons évidentes d’encombrement… Voire pour des raisons de coût.

Différents types de dissipation de chaleur

Dissipation naturelle ou forcée ? Ventilateur de refroidissement ou radiateur classique ? Il arrive couramment que les deux modèles cohabitent au sein d’un même montage. Pour des questions de bruit ou de durée de vie, la convection naturelle est privilégiée. Mais il arrive que pour des raisons d’encombrement et de performance, l’utilisation d’un ventilateur pour brasser l’air et ainsi augmenter l’échange thermique soit recommandée. Le ventilateur permet l’utilisation de dissipateurs avec des ailettes très rapprochées et par conséquent l’augmentation de la surface d’échange dans un encombrement moindre.

Quel que soit votre montage électronique, vous devez donc prendre en compte divers paramètres comme la puissance à dissiper, les températures de jonction des composants, les résistances thermiques à chaque jonction de ces composants, la présence ou non de silicone dans ces jonctions, la conductivité thermique des différents composants et boîtiers… Sans oublier la température ambiante. N’oubliez pas que plus la pièce où évolue votre appareil électronique est froide et mieux l’échange calorifique se réalise…

Les équipes de Madep sont à votre disposition pour vous guider dans votre choix.