Introduction aux principes de base de la conception de dissipateurs thermiques

Il est important que les ingénieurs électriciens se souviennent des principes de base et de la manière dont ceux-ci affectent nos conceptions. En matière de gestion thermique, de résistance thermique et de dissipateurs thermiques, les trois principaux phénomènes qui régissent le transfert de chaleur sont la convection, la conduction et le rayonnement. Les stratégies de conception thermique pour les PCB modernes reposent sur une combinaison de ces trois effets. Vous devez donc envisager une approche holistique de la gestion de la chaleur dans votre PCB.

Ces trois phénomènes fondamentaux peuvent être influencés par des éléments tels que le placement et l'orientation des ailettes, la sélection des matériaux d'interface thermique (TIM) et le traitement de surface du dissipateur thermique. Si vous êtes concepteur de systèmes et que vous avez besoin d'une stratégie complète de gestion de la chaleur, vous devez connaître les bases de la conception des dissipateurs thermiques, ainsi que la manière de sélectionner un dissipateur thermique et les autres stratégies de refroidissement pour votre PCB.

Principes de base de la conception d'un dissipateur thermique pour votre PCB

Les bases de la conception d'un dissipateur thermique consistent à choisir la bonne géométrie pour un dissipateur thermique à fixer sur des composants de forte puissance, qui doit ensuite être associé à d'autres stratégies de refroidissement. Il existe de nombreuses options de dissipateurs thermiques disponibles sur le marché, toutes avec des facteurs de forme, des masses et des matériaux légèrement différents. Les fabricants fournissent ou recommandent également des dissipateurs thermiques pour leurs composants (par exemple, les fabricants de GPU et de CPU). Vous pouvez choisir l'une de ces options pour refroidir vos composants haute puissance ou concevoir un modèle CAO pour un dissipateur thermique personnalisé. Si vous optez pour cette dernière solution, vous devez utiliser les recommandations du fabricant en matière de dissipateur thermique comme point de départ pour la conception du dissipateur thermique.

Tout d'abord, il est important de comprendre que tous les composants n'ont pas besoin d'un dissipateur thermique fixé directement sur le composant. Dans certains cas, les dissipateurs thermiques sont beaucoup plus grands que les composants qu'ils doivent refroidir, et tous les composants ne génèrent pas suffisamment de chaleur pour justifier l'utilisation d'un dissipateur thermique. Certains boîtiers de circuits intégrés (par exemple, QFN) sont équipés d'un dissipateur thermique fixé à la puce et destiné à dissiper la chaleur directement dans le substrat.

Si vous devez choisir un dissipateur thermique standard ou concevoir votre propre dissipateur thermique, vous devez réfléchir à la manière de tirer parti des trois mécanismes fondamentaux qui régissent le transfert de chaleur.

Convection

La convection naturelle et la convection forcée peuvent faire circuler l'air dans un dissipateur thermique. La convection naturelle n'utilise pas de ventilateur ou de force extérieure pour déplacer l'air. Elle s'appuie plutôt sur les courants de convection qui se produisent naturellement dans un fluide chauffé de façon différentielle. Ce processus passif ne consomme pas d'énergie, mais peut aussi être un peu lent à refroidir les choses. Le flux est assez faible dans un schéma de convection naturelle, donc s'il est obstrué de quelque façon que ce soit, votre refroidissement sera sévèrement inhibé. Lorsque vous placez le dissipateur thermique, assurez-vous de l'orienter de façon à ce que l'air puisse s'élever parallèlement à travers les ailettes, et placez une entrée/sortie pour que l'air circule naturellement dans votre boîtier. Les ailettes doivent être disposées de manière éparse ; si elles sont regroupées de manière dense, elles empêcheront la convection.

La convection forcée est tout le contraire, elle utilise une force extérieure pour déplacer l'air. En général, cette force est constituée d'un ventilateur de refroidissement électronique. Avec cette méthode, vous devez alimenter le ventilateur de refroidissement, mais vous obtenez en échange un refroidissement plus rapide. Il est intéressant de noter que la forme que vous choisissez détermine le dissipateur thermique que vous devez choisir pour votre circuit imprimé afin de maximiser la dissipation de la chaleur. Pour tirer le meilleur parti du transfert thermique par convection forcée, suivez ces recommandations lors de la conception d'un dissipateur thermique ou de la sélection d'un dissipateur thermique standard :

• Écoulement turbulent : Lorsque l'écoulement est restreint par une ouverture étroite, il reste dans le régime laminaire et le flux de chaleur du dissipateur thermique vers l'air environnant est limité en raison du manque de mélange. Vous souhaitez que l'écoulement du fluide passe au régime turbulent, car le mélange naturel facilitera le transfert de chaleur du dissipateur thermique. Assurez-vous que votre dissipateur thermique a suffisamment d'espace entre les ailettes pour que le flux d'air sorte du régime turbulent.
• Faites attention à la direction du flux : Cela peut sembler élémentaire, mais vous devez faire passer l'air à travers le dissipateur thermique et l'éloigner du reste de la carte, plutôt que de le faire passer sur les composants voisins. C'est l'une des raisons pour lesquelles les dissipateurs thermiques peuvent être montés sur le dessus d'un composant et dirigés vers une sortie par un petit caloduc.

Lorsqu'il s'agit de convection forcée, les choses sont à la fois plus simples et plus complexes. Le flux d'air est garanti, il s'agit juste de l'optimiser. Comme précédemment, vous devrez orienter votre dissipateur thermique de manière à ce que l'air passe parallèlement aux ailettes. C'est en concevant les ailettes que les choses se compliquent un peu. Les principaux problèmes de la convection forcée sont la chute de pression et les pertes. Si vos ailettes sont trop hautes ou trop denses, elles provoqueront une chute de pression excessive dans le dissipateur thermique, ce qui entraînera un mauvais système. Pour trouver la taille et l'emplacement parfaits des ailettes, vous devez faire des calculs.

Conduction

La conduction entraîne la chaleur entre les régions chaudes et froides d'un système grâce à un contact physique direct. C'est probablement la méthode la plus simple pour évacuer la chaleur d'un composant chaud. Lorsque vous utilisez la conduction, vous devez penser à l'endroit où la chaleur est transférée. Les ailettes d'un dissipateur thermique sont chargées d'éloigner la chaleur d'un composant et de la mettre en contact avec l'air. L'emplacement optimal d'un dissipateur thermique se situe sur un point chaud, comme un circuit intégré (CI) puissant ou un répartiteur thermique qui collecte la chaleur de plusieurs sources.

La vitesse à laquelle la chaleur est évacuée dépend de la diffusivité thermique du matériau du dissipateur thermique, qui dépend de la conductivité thermique du matériau. Parmi les métaux courants, l'argent, l'or, le cuivre et l'aluminium présentent les diffusivités thermiques les plus élevées, dans cet ordre. Les alliages sont souvent utilisés car ils peuvent avoir une densité plus faible que les matériaux purs, ce qui augmente la diffusivité thermique.

Pour augmenter le transfert de chaleur dans la conception d'un dissipateur thermique, il faut une connexion entre le composant et le dissipateur thermique qui présente une conductivité thermique élevée. C'est là qu'une pâte thermique ou un autre matériau d'interface thermique fournit une adhésion avec une conductivité thermique élevée. Il existe une grande variété de produits, et vous devez faire des recherches pour savoir lequel vous convient le mieux.

L'emplacement de votre dissipateur thermique est également important. Vous voulez maximiser le refroidissement et minimiser l'utilisation de l'espace en même temps, donc vous seriez probablement plus heureux si vous n'aviez pas à utiliser un dissipateur thermique du tout. Une alternative à l'utilisation d'un dissipateur thermique encombrant sur certains circuits intégrés consiste à utiliser un composant avec une pastille fixée à la puce. Cette pastille peut être connectée à travers le substrat à des vias qui sont connectés à un plan de masse. Cela permet de répartir la chaleur sur toute la carte et de produire une température de jonction plus uniforme sur le PCB. Vous pouvez toujours utiliser un dissipateur thermique pour transférer la chaleur dans l'air si nécessaire.

Rayonnement

Le rayonnement désigne simplement la conversion de la chaleur en rayonnement, qui se produit simplement parce qu'un objet a une température. Lorsque l'objet émet de la chaleur, sa température diminue. Le choix d'un matériau et d'une finition de surface appropriés pour votre dissipateur thermique lui permettra d'obtenir ce transfert de chaleur supplémentaire nécessaire pour réduire la température. En outre, la forme et la masse du matériau détermineront la quantité de chaleur qui peut être rayonnée à partir de votre dissipateur thermique.

Il ne suffit pas de peindre le dissipateur thermique en noir. Ici, nous nous préoccupons de l'émissivité à des longueurs d'onde spécifiques. Pour être plus précis, l'émissivité dans les longueurs d'onde de l'infrarouge profond doit être maximisée. L'aluminium anodisé est un matériau souvent utilisé dans les dissipateurs thermiques car il présente une émissivité élevée ainsi qu'une conductivité thermique élevée. L'aluminium peut également être extrudé et anodisé à très bas prix.

En outre, un dissipateur thermique présentant un rapport surface/volume plus important dissipera davantage de chaleur par rayonnement. Plus la surface est grande, plus le radiateur rayonnera. Cependant, l'augmentation de la surface réduit parfois la convection. Vous devrez donc trouver un équilibre entre convection, conduction et rayonnement dans la conception du dissipateur thermique.

Utilisez les outils de CAO mécanique de votre logiciel de conception pour placer votre dissipateur thermique

Lorsque vous souhaitez intégrer un dissipateur thermique à votre carte et examiner comment il s'intègre à un système plus vaste, vous pouvez utiliser les outils de CAO mécanique de votre logiciel de conception de circuits imprimés pour placer votre dissipateur thermique sur vos composants. Il suffit d'exporter votre conception de dissipateur thermique à partir d'un outil de CAO mécanique sous forme de fichier STEP et de l'importer dans votre logiciel de conception de circuits imprimés pour obtenir une vue 3D de votre dissipateur thermique sur votre circuit imprimé. Cela vous permet de vérifier les collisions et l'adaptation à votre boîtier.

Lorsque vous concevez votre propre dissipateur thermique ou que vous recherchez un dissipateur thermique standard, tenez compte de ces autres directives de conception, en particulier si vous envisagez de combiner votre dissipateur thermique avec un ventilateur de refroidissement.

• Une comparaison des techniques de refroidissement actif pour les équipements électroniques

Une fois que vous avez suivi ces principes de base de la conception de dissipateur thermique, vous pouvez utiliser les outils de conception de circuits imprimés et les fonctions de CAO mécanique d'Altium Designer pour créer votre circuit imprimé et placer votre conception de dissipateur thermique en 3D. Les fonctions de conception standard d'Altium Designer vous offrent tout ce dont vous avez besoin pour placer votre conception de dissipateur thermique et vérifier les dégagements mécaniques. Altium Designer sur Altium 365 offre un niveau d'intégration unique à l'industrie électronique jusqu'à présent reléguée au monde du développement logiciel, permettant aux concepteurs de travailler depuis leur domicile et d'atteindre des niveaux d'efficacité sans précédent.

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