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1 - MODES DE TRANSFERT

2 - CARACTÉRISTIQUES THERMIQUES DES COMPOSANTS

3 - DISPOSITIFS DE TRANSFERT

4 - SIMULATION

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : E3952 v2

Simulation
Dissipation thermique dans les systèmes électroniques

Auteur(s) : Jean-Pierre PETIT

Relu et validé le 17 mai 2019

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INTRODUCTION

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.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e3952


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4. Simulation

Sur le plan thermique, la disposition des systèmes électroniques est très complexe. On a de plus en plus recours à des logiciels de simulation numérique qui sont validés par des expériences. Ces logiciels sont des outils particulièrement intéressants car ils tentent, au stade de la conception, de parvenir à la température de la puce et d’optimiser le système de refroidissement. Leur utilisation est loin de régler les problèmes thermiques dans leur grande généralité compte tenu du nombre de composants par carte, du nombre de cartes par rack, du nombre de racks par baie et du nombre de baies par pièce : l’ordinateur le plus puissant ne permet pas de traiter un tel problème.

Ainsi, le problème doit être scindé en plusieurs parties. Chaque partie est étudiée en détail, les autres étant schématisées : le problème est de trouver une représentation simple proche de la réalité et qui conduise à une précision acceptable.

L’étude fine des composants est faite avec des logiciels 3D de conduction et est surtout utile au fabricant de composants pour l’optimisation de son produit. Le problème majeur de ce type d’étude est la connaissance des caractéristiques thermiques des matériaux. Pour l’utilisateur du composant, celui-ci doit être représenté sous une forme simple ; ainsi, en régime permanent, il est possible de le schématiser par un réseau résistif en étoile.

La carte est l’élément sensible des problèmes thermiques. Elle porte les circuits intégrés où apparaît la puissance et c’est à travers elle que la majeure partie de cette puissance est évacuée vers le fluide de refroidissement. Leur étude est malaisée pour plusieurs raisons :

  • elles sont en matériau isolant (époxy), mauvais conducteur de la chaleur ;

  • elles reçoivent la chaleur par l’intermédiaire des pattes des composants, donc de façon très localisée, ce qui implique de forts gradients thermiques ;

  • elles comportent des pistes en cuivre en surface et en épaisseur (carte multicouche) ce qui rend le problème tridimensionnel ;

  • l’écoulement d’air est complexe du fait de la présence des composants, d’où une incertitude sur la valeur du coefficient d’échange ; les données existant actuellement sont basées sur des plaques planes à température...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BAR-COHEN (A.) -   Thermal management of electronic components with dielectric liquids  -  . JSME International Journal, série B, 36, 1, 1993, 1-25.

  • (2) - ELBERG (S.), MATHONNET (P.) -   Évacuation de la chaleur dissipée dans les composants électroniques  -  . 1978 Eyrolles.

  • (3) - ELLISON (G.N.) -   Thermal computations for electronic equipment  -  . 1984 Van Nostrand Reinhold Company.

  • (4) - FROMONT (J.) -   La simulation thermique des cartes électroniques  -  . TLE, 531, févr. 1988, 26-31.

  • (5) - GAGNEUX (Ph.), MARTINET (J.) -   Caloducs à sodium. Fabrication et performances  -  . RGT, 230, févr. 1981.

  • (6) - IDEL’CIK (I.E.) -   Mémento des pertes de charges  -  . 1979 Eyrolles.

  • ...

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