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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

Modes de transfert
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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1. Modes de transfert

La température du composant électronique ou électrique est déterminée par :

Tcomposant = ΔTconduction + ΔTtransfert + Texterne

avec ΔTconductiondifférence de température nécessaire pour conduire la chaleur du composant aux surfaces de refroidissement,

ΔTtransfertdifférence de température nécessaire entre les surfaces d’échanges et l’environnement pour évacuer le flux thermique venant par conduction du composant.

D’après cette relation, on voit que les problèmes de refroidissement en électricité et en électronique se réduisent à de la conduction de la chaleur du composant aux surfaces d’échange et à un transfert thermique (convectif et radiatif) des surfaces d’échange vers l’environnement.

On distingue trois modes de transfert de chaleur : conduction, rayonnement, convection naturelle ou forcée avec ou sans changement de phase. Ces trois modes coexistent généralement dans un problème donné.

1.1 Conduction

La conduction est un transfert qui se produit à l’échelle des atomes ou des molécules (transfert par contact direct entre molécules). C’est le transfert thermique fondamental qui se produit dans tout système matériel et aux interfaces de systèmes matériels dès qu’existe un gradient de température.

Le flux conductif Φ (W) entre deux sections de surface S (m2) et distantes de L (m) est donné par la loi de Fourier :

avec ΔT l’écart de température entres les deux surfaces.

ΔTconduction = RconductionΦ

résistance thermique conductive (K · W−1).

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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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