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GESTION THERMIQUE DES APPAREILS ÉLECTRONIQUES.

EN DE Étiquettes: La conduction thermique

La plupart des composants électroniques présentent un faible facteur de puissance et produisent une chaleur négligeable en fonctionnement. Certains appareils néanmoins, tels que les transistors de puissance, les UC et les diodes de puissance, produisent beaucoup de chaleur et des mesures peuvent s’avérer nécessaire pour tenir compte de ce phénomène afin de prolonger leur durée de vie et d’améliorer leur fiabilité. Envisagé isolément, un composant électronique produisant de la chaleur subit une augmentation de sa température jusqu'à ce que la chaleur produite à l'intérieur devienne égale à la chaleur perdue dans l'environnement et que l'appareil ait atteint un équilibre. Le taux de perte calorifique d’un objet chaud est gouverné par la loi du refroidissement de Newton, selon laquelle le taux de perte thermique est proportionnel à la différence de température entre le corps et l'environnement. La perte calorifique augmente en même temps que la température du composant. Lorsque la perte calorifique par seconde est égale à la chaleur produite par seconde à l'intérieur du composant, l'appareil a atteint sa température d'équilibre. Cette température peut être suffisamment élevée pour diminuer significativement la durée de vie du composant et même entraîner une panne de l’appareil. Dans ce cas, des mesures de gestion thermique doivent être prises. Ces considérations peuvent être appliquées à l’ensemble d’un circuit ou dispositif incorporant différents composants produisant de la chaleur.

 Le taux de perte calorifique est supérieur dans un courant d’air forcé que dans une atmosphère immobile. Ainsi, une manière de contrôler la température d’un appareil ou circuit consiste à intégrer au moins un ventilateur afin d'augmenter la circulation de l'air. Une ventilation générale adéquate permettra d’abaisser la température de service par rapport à un espace confiné sans aérations. La densité atmosphérique à haute altitude entraîne un transfert thermique moins efficace dans l’environnement et donc des températures de service plus élevées des appareils.

 La déperdition de chaleur d’un composant dans son environnement intervient au niveau de la surface du composant. Le taux de perte thermique augmente proportionnellement à la surface du composant. Un petit appareil produisant 10 watts atteint une température supérieure à celle d'un appareil d’une puissance similaire mais d’une surface supérieure. Une manière de restreindre la température de service consiste donc à augmenter artificiellement la surface. Pour cela, on fixe un dissipateur thermique en métal sur l’appareil. Les dissipateurs thermiques peuvent être fabriqués par estampage, extrusion ou moulage. Ils sont généralement fabriqués en cuivre, en aluminium ou dans un alliage de ces derniers. Ils doivent être de bons conducteurs thermiques. Souvent, les dissipateurs thermiques présentent une structure en forme d’ailettes qui optimise la surface disponible pour la dissipation thermique dans l’environnement. Les dissipateurs thermiques seront plus efficaces si l’ensemble de l’appareil est bien ventilé ou, mieux encore, on force la circulation d'air à l'aide d'au moins un ventilateur. S'il est impossible d'installer des dissipateurs thermiques ou des composants aux surfaces parfaitement planes, les points saillants des deux surfaces entreront en contact l'une de l'autre en formant un petit vide d'air sur une grande partie de la surface. L’air étant un mauvais conducteur thermique, cette interface constituera une barrière thermique limitant l’efficacité la dissipation de la chaleur émise par l’appareil. On utilise donc des composés de transfert thermique pour contrecarrer cet effet.

 Les composés de transfert thermique ont pour fonction de combler l’interstice entre l’appareil et le dissipateur thermique, et d’ainsi réduire la résistance thermique à la frontière entre ces deux dispositifs. Ceci accélère la perte thermique vers le dissipateur et diminue la température de service de l'appareil. Il existe différents types de composés de transfert thermique. Electrolube produit une gamme de pâtes de conduction thermique pouvant être appliquées afin de chasser l'air de l'interface composant / dissipateur thermique. Elles sont constituées de charges minérales à conduction thermique dans un liquide porteur, qui peut être ou non à base de silicone. Les pâtes à base de silicone, telles que HTS et HTSP d’Electrolube, présentent généralement des températures de service supérieures à celles de leurs alternatives sans silicone : HTC et HTCP. Les silicones peuvent provoquer des problèmes dans certains circuits puisqu’elles migrent très facilement et peuvent provoquer une contamination, par exemple sur les contacts de relais. On peut modifier la conductivité thermique des pâtes en augmentant la teneur de la charge minérale ou en remplaçant les types de charge utilisés. Les versions « P » des pâtes citées ci-dessus présentent une charge supérieure et contiennent un mélange spécial de charges différentes pour optimiser leur conductivité thermique. De manière générale, les pâtes à conduction thermique élevée présentent une viscosité supérieure qui peut rendre leur distribution malaisée.

HTSPX

 Les pâtes à conduction thermique conservent leur forme de pâte, ce qui facilite le démontage des composants à des fins de récupération ou de réparation. Dans certaines circonstances, il peut s’avérer souhaitable d’utiliser un matériau de transfert thermique durcissant jusqu’à l’état solide. La pâte TCOR d’Electrolube est un silicone à vulcanisation par température ambiante contenant un mélange de charges minérales : lorsqu’elle est appliquée entre le dissipateur thermique et l’appareil, elle durcit jusqu’à devenir du caoutchouc sous l'influence de l’humidité thermique. TBS d’Electrolube est une résine époxy bi-composant qui durcit jusqu’à devenir un solide résistant qui lie le dissipateur thermique au composant. Ceci peut présenter un avantage pour certains types d’appareils mais pose des problèmes au démontage. Comme pour tous les matériaux à conduction thermique, il est très important de remplir l'interface entre l'appareil et le dissipateur thermique pour chasser tout l'air. En général, on applique le composant au centre de la surface de contact de l'appareil ou du dissipateur thermique et on met les deux en contact en les maintenant de manière à ce que les surfaces de contact soient parallèles. Il est conseillé de contrôler la quantité de matériau appliqué. Veillez à ce qu’elle soit suffisante pour chasser tout l’air, mais un excès peut s'avérer disgracieux sur les rebords de l'interface. Cet objectif est plus rapidement atteint avec l'aide d'un équipement de distribution et de montage automatique. Si l’interface est exempte d’air, la résistance thermique sera inférieure, ce qui diminue la température de service de l’appareil. Plus la conductivité thermique de la pâte ou résine est élevée, plus la résistance thermique et la température de service sont faibles. Le composé de transfert thermique à conduction thermique possède une conductivité thermique inférieure à celle du dissipateur thermique. En maintenant une épaisseur de film aussi fine que possible à l'interface, la résistance thermique et la température de service diminuent. Cependant, il est important qu’une épaisseur moindre n’entraîne aucun vide d’air dans le film. On peut contrôler soigneusement l’épaisseur du film en incluant de très petites sphères en verre solide (ballotini) d’un diamètre contrôlé dans la pâte ou résine. L’épaisseur du vide sera ensuite déterminée par le diamètre de ces sphères. Il est conseillé de maintenir un bon contact entre l’appareil et le dissipateur thermique à l’aide de boulons ou d'étriers.

 Si la conductivité thermique du composé de transfert thermique, l’épaisseur du film du composé du dissipateur thermique et la surface de contact de ce dernier sont connues, on peut calculer la résistance thermique à l’interface, et donc la température de service d’équilibre de l’appareil. Il convient de déterminer la puissance de l’appareil et d’émettre des hypothèses sur la température atteinte par le dissipateur thermique.

 Dans le cas d’un circuit générant de la chaleur, il peut s’avérer utile de garantir le contrôle thermique par insertion dans un boîtier en métal, avec ou sans ailettes de refroidissement intégrées ou rajoutées, à l'aide d'un composé d'enrobement à conduction thermique. Electrolube produit plusieurs matériaux de ce type, les plus populaires étant les résines époxy bi-composant ER 2074 et ER 2183. Une fois encore, il est important de veiller à l’absence de bulles d’air pendant l’opération de remplissage, qui gêneraient le transfert thermique vers le boîtier en métal. Si la très haute conductivité thermique des résines susmentionnées n’est pas nécessaire, il peut être utile d’employer un composé de remplissage à usage général tel qu’ER 2188. Les charges minérales présentent une conductivité thermique supérieure à celle de la base en résine et les résines chargées sont donc supérieures aux résines non chargées en termes de contrôle thermique. La conductivité thermique augmente en même temps que le niveau de charge. Des niveaux de charge supérieurs entraînent une viscosité supérieure et une plus grande probabilité d’inclusion de bulles d'air dans le remplissage.

 Pour le contrôle thermique, on peut également utiliser d’autres méthodes très spécialisées : le refroidissement par circulation de liquide et les dispositifs à effet de Peltier. Le refroidissement par circulation de liquide implique la circulation d’un liquide de refroidissement à très grande proximité de l’appareil : les liquides assurent un transfert thermique supérieur à celui de l'air. Une méthode sophistiquée consiste à utiliser des caloducs. Dans le cas de caloducs, on vaporise un liquide de refroidissement sur le composant chaud et la vapeur s’écoule ensuite vers une zone froide dans laquelle elle se condense. La chaleur latente due à l’évaporation du liquide donne lieu à un refroidissement très efficace du composant. Ce principe est utilisée de manière très efficace dans les réfrigérateurs. L’effet de Peltier se manifeste lorsqu’un courant direct passe à travers la jonction de deux métaux hétérogènes. Si le courant passe dans une direction, la jonction chauffe, mais s’il passe dans la direction inverse, elle se refroidit. Aujourd’hui, on a découvert des semi-conducteurs présentant cet effet. Bon nombre d'entre eux peuvent être utilisés pour le refroidissement. Tous ces dispositifs de refroidissement nécessitent l’utilisation de matériaux à conduction thermique à l’interface du composant refroidi de manière à chasser l’air thermiquement isolant et à augmenter le rendement du transfert thermique vers le système de refroidissement. De plus, l’extrémité chaude du dispositif de refroidissement peut nécessiter l’utilisation de dissipateurs thermiques.

 La miniaturisation croissance des composants électroniques signifie que les problèmes de dissipation prennent de plus en plus d'importance. Une gestion thermique plus efficace aboutit souvent à une plus grande fiabilité et une augmentation de la durée de vie des appareils.

Dr. John Humphries
Electrolube

HTSP


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