Comment sélectionner un dissipateur thermique

GESTION THERMIQUE
GESTION THERMIQUE
DISSIPATEURS THERMIQUES
Comment sélectionner un
dissipateur thermique ?
Les performances, la fiabilité et la durée de vie des équipements
électroniques sont inversement proportionnelles à la température de leurs
composants. Il est possible de prolonger la durée de vie utile et la fiabilité des
performances d’un composant en contrôlant efficacement sa température
d’utilisation.
Les dissipateurs thermiques augmentent la dissipation de chaleur d’une
surface chaude, généralement le boîtier d’un composant générateur de
chaleur, vers la température ambiante moins élevée. C’est au niveau de
l’interface séparant la surface solide et l’air environnant que le transfert
thermique et donc la dissipation de chaleur rencontre le plus de difficulté. Un
dissipateur thermique réduit cet obstacle en augmentant la zone de surface
en contact avec l’air de refroidissement, ce qui permet la dissipation de
plus de chaleur et le maintien de la température de l’appareil en deçà des
spécifications maximales du fabricant.
Lorsque vous choisissez un dissipateur thermique, vous devez prendre en
considération des paramètres qui n’affectent pas seulement l’appareil, mais
aussi les performances du système dans son ensemble. Le choix d’un
dissipateur thermique dépend largement du budget thermique autorisé et de
ses conditions environnantes.
Rappelez-vous qu’il n’existe pas de valeur unique de résistance thermique
pour un dissipateur donné, puisqu’elle dépend des conditions de
refroidissement externes. Le système de refroidissement repose-t-il sur une
convection naturelle de l’air entourant le dissipateur, sur une convection forcée
à l’aide d’un ventilateur, d’une turbine ou la combinaison des deux ?
L’étape suivante consiste à déterminer le volume requis du dissipateur.
Le tableau 1 indique les plages approximatives de résistance thermique
volumétrique d’un dissipateur classique sous diverses conditions de flux.
Condition de flux m/s
Résistance thermique
volumétrique, cm³ ° C/W
Convection naturelle
500-800
1.0
150-250
2.5
80-150
5.0
50-80
Tableau 1 : Plage de résistances thermiques volumétriques
Le volume du dissipateur pour une condition de flux donnée s’obtient en
divisant la résistance thermique volumétrique par la résistance thermique
requise. Le tableau 1 vous donnera une idée approximative qui vous guidera
dans votre sélection. Les valeurs de résistance réelles peuvent différer des
plages indiquées, en fonction de paramètres supplémentaires comme le type,
la finition de surface et les dimensions du dissipateur, la configuration du flux,
l’orientation, etc. Les valeurs inférieures de la plage de résistances thermiques
volumétriques ci-dessus correspondent à un volume de dissipateur de
100 - 200 cm³ et les valeurs supérieures à un volume d’environ 1 000 cm³.
Le déploiement des ailettes est l’un des facteurs les plus déterminants à
prendre en considération lors de l’optimisation d’un dissipateur thermique.
Si le dissipateur intègre des ailettes plates, l’espacement optimal de celles-ci
dépend de la vitesse du flux et de leur longueur dans le sens du flux.
Le tableau 2 indique l’espacement optimal des ailettes d’un dissipateur
à ailettes plates.
DISSIPATEURS THERMIQUES
Condition de flux m/s
Guide de performance des
dissipateurs thermiques
Longueur des ailettes, mm
75
150
225
300
Convection naturelle
6.5
7.5
10
13
1.0
4.0
5.0
6.0
7.0
2.5
2.5
3.3
4.0
5.0
5.0
2.0
2.5
3.0
3.5
Tableau 2 : Espacement des ailettes (mm) par rapport au flux et
à la longueur des ailettes
Les performances caractéristiques d’un dissipateur sont linéairement
proportionnelles à sa largeur dans la direction perpendiculaire au flux et plus
ou moins proportionnelles à la racine carrée de la longueur des ailettes dans
la direction parallèle au flux. Par exemple, doubler la largeur d’un dissipateur
doublerait ses capacités de dissipation thermique, tandis que doubler sa
longueur n’augmenterait la dissipation thermique que d’un facteur de 1,4. Par
conséquent, si vous avez le choix, choisissez toujours d’augmenter la largeur
d’un dissipateur thermique plutôt que sa longueur.
En cas de convection naturelle, le transfert de chaleur par rayonnement est
très important, puisqu’il représente jusqu’à 25 % de la dissipation thermique
totale. A moins que le composant ne soit placé à proximité d’une surface
plus chaude, assurez-vous que les surfaces du dissipateur soient peintes ou
anodisées pour accroître le rayonnement.
Types de dissipateur thermique
Les dissipateurs thermiques sont classés en fonction de leurs méthodes
de fabrication et de leur forme finale. Les types les plus courants sont les
suivants :
1.Emboutissages : des tôles de cuivre ou d’aluminium sont découpées
aux formes désirées. C’est une solution économique aux problèmes
thermiques de faible densité, adaptée à la production de volumes
importants ; on les trouve en matériaux d’interface, attaches ou raccords,
pour réduire les frais d’assemblage.
2. Extrusions : formes bidimensionnelles complexes pour dissiper d’importantes
quantités de chaleur. Une découpe transversale permet d’obtenir des
dissipateurs à ailettes à pointes rectangulaires et omnidirectionnels ; les
ailettes en dents de scie améliorent les performances de 10 à 20 %.
3.Ailettes mécano-soudées/collées : les dissipateurs thermiques
hautes performances utilisent de la résine époxy chargée en aluminium
thermoconducteur pour fixer des ailettes plates sur un socle extrudé
rainuré.
4.Moulages : pièces moulées en aluminium ou cuivre/bronze dans des
moules en sable, à noyau fusible et sous pression. Utilisées dans des
dissipateurs à ailettes en pointes de haute densité pour des performances
maximales dans les refroidissements par injection d‘air.
Indications générales de
performances thermiques pour le
choix d’un dissipateur thermique.
Définition des performances nécessaires.
Exemple
Un appareil à semi-conducteur doit fonctionner avec une
température de jonction ne dépassant pas 90 °C tout en dissipant
14,50 watts vers l’air ambiant à une température de 45 °C. La
résistance thermique, jonction vers boîtier, est spécifiée par le
fabricant à 2,25 °C/W et la résistance thermique, boîtier vers
dissipateur (avec rondelle isolante et pâte thermoconductrice)
adoptée est de 0,50 °C/W
θsa =
90 – 45
Pour calculer la résistance thermique maximale admissible d’un
dissipateur thermique pour éviter un échauffement excessif de
l’appareil refroidi, il est, en premier lieu, nécessaire de définir les
paramètres thermiques de son fonctionnement.
L’équation de base pour l’équilibre thermique est la suivante :
Le dissipateur thermique doit par conséquent avoir une résistance
thermique maximale de 3,46 °C/W.
14.50
– (2.25 + 0.50)
= 3.46 °C/W
Différence de température à travers le système
Puissance dissipée =
Somme de toutes les résistances thermiques sur le
parcours du flux de chaleur
Tj – Ta
Ainsi, PD =
θjc + θcs + θsa
Un dissipateur thermique approprié serait le modèle 3,4 °C/W,
code commande 489-6158.
(equ 1)
Où
PD
Dissipation de puissance (W)
Tj
Température de jonction max. admissible (°C)
(spécifiée par le fabricant de l’appareil)
Ta
Température ambiante (°C)
θjc
Résistance thermique, jonction vers boîtier (°C/W)
(spécifiée par le fabricant)
θcs
Résistance thermique, boîtier vers dissipateur thermique (°C/W)
θsa
Résistance thermique, dissipateur thermique vers air ambiant (°C/W)
La valeur maximale de résistance thermique, dissipateur thermique
vers air (sa), est en général déterminée en modifiant l’équation 1
comme suit :
θsa =
Tj – Ta
PD
– (θjc + θcs)
(equ 2)
Le résultat de l’équation ci-dessus fournit une valeur de résistance
thermique qui doit être égalée ou dépassée par le dissipateur
thermique sélectionné.
5.Ailettes pliées : tôles de cuivre ou d’aluminium ondulées. Non adaptées
aux dissipateurs à profil élevé, elles conviennent bien aux applications
où il est impossible voire peu pratique d’utiliser des extrusions ou des
ailettes collées.
Pour plus d’informations sur la sélection de dissipateurs thermiques, consultez les
autres documents ainsi que la calculatrice de dissipation thermique en ligne dans la
section Gestion thermique de notre site Web www.radiospares.fr/electronique
12 mai 2008
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mai 2008 13