Dissipation thermique dans les systèmes électroniques

L’évolution de l’électronique conduit à une intégration de plus en plus poussée. Si en 1958 il n’y avait qu’un transistor par circuit, il y en a maintenant au moins un demi-million par pastille de silicium (puce) des circuits intégrés. La technologie utilisée dans la réalisation des transistors des puces a évolué en diminuant la consommation par transistor, on observe néanmoins une augmentation de la puissance dissipée par unité de surface de puce. L’augmentation très rapide du nombre de transistors n’a pu être compensée par la diminution de la dissipation thermique. En réalité, les problèmes thermiques que l’on rencontre dans les équipements ne sont pas liés à la puissance mais à la température ; or, celle-ci est une fonction directe de la densité de puissance. Dans certains ordinateurs, la puissance dissipée par unité de surface de puce est de l’ordre de 500 kW/m², c’est-à-dire tout à fait comparable aux densités de flux rencontrées au nez d’une navette spatiale lorsqu’elle rentre dans l’atmosphère.

Dans la vie d’un matériel quelconque, les défaillances ont deux causes principales :

• celles dues à sa conception et/ou aux éléments qui le composent ;

• celles dues à l’environnement dans lequel il est placé.

Les contraintes climatiques résultent principalement des effets dus :

• à la température ;

• à l’action de l’humidité : elle favorise la corrosion, entraîne des modifications de résistances d’isolement et intervient au cours des échanges thermiques au niveau des conductivités thermiques qui varient avec la teneur en eau ;

• à la pression atmosphérique : intervenant dans la ventilation destinée à évacuer la puissance dissipée ainsi que dans le renouvellement d’air ;

• au rayonnement solaire qui peut provoquer un échauffement supplémentaire non négligeable.

D’autres contraintes climatiques peuvent intervenir telles la pluie, le vent, la neige, le verglas, la rosée, le brouillard... suivant le lieu et la période d’utilisation.

Tous les composants électroniques sont sensibles à la température : ils ont des performances médiocres en dehors de certaines limites de température et peuvent être détruits si la température est largement en dehors de ce domaine de fonctionnement. Les domaines de fonctionnement sont spécifiés par les fabricants et sont couramment les suivants :

• industrie : 0 à 70 ˚C ;

• civil : − 20 à + 85 ˚C ;

• militaire : − 55 à 125 ˚C.

La température maximale de fonctionnement garanti est toujours mentionnée par le fabricant. L’influence de la température se manifeste sur :

• les performances électriques : la température peut être une valeur limite au-delà de laquelle le fonctionnement n’est plus garanti, des dérives des paramètres provoquent une diminution des performances pouvant aller plus ou moins brutalement jusqu’à la défaillance ;

• le packaging qui est soumis à des gradients de température très importants. Il existe des températures critiques pour lesquelles se produisent des changements d’état, de structure physique... Le fluage et le relâchement des contraintes dans les matériaux sont accélérés par la température et peuvent conduire à des ruptures d’éléments ;

• les cycles thermiques auxquels sont soumis des matériaux reliés entre eux et de coefficient de dilatation différent induisent des forces très importantes qui peuvent conduire à une rupture instantanée ou créer une fatigue qui provoque une rupture à plus ou moins long terme ;

• le taux de défauts des composants suit une loi d’Arrhenius en fonction de la température.

L’évacuation de la chaleur est donc un problème crucial. L’objectif du refroidissement des équipements électroniques est donc de maintenir la température de chaque élément à sa température nominale de fonctionnement.