Introduction aux principes de base pour la conception de dissipateurs thermiques

Dissipateur thermique sur carte mère
 

 

À la fac, je jouais d'un instrument de musique et mon prof me disait toujours « Ne néglige pas tes bases » ! Cela voulait dire de faire mes gammes pendant des heures jusqu'à pouvoir jouer les gammes et leurs variantes sans même y réfléchir. Pour les ingénieurs électroniciens, il est important de ne pas oublier les bases. Je travaille beaucoup sur des systèmes de haut niveau et on oublie facilement les principes qui sont au cœur d'applications plus complexes. Lorsqu'il s'agit de gestion thermique et de dissipateurs , les trois éléments à retenir sont : la convection, la conduction et la radiation. Ces trois éléments fondamentaux vont influencer le placement et l'orientation des ailettes, les matériaux d'interface thermique (TIM) ainsi que le revêtement du dissipateur thermique. Une fois que vous comprenez comment toutes ces notions s'imbriquent, vous pourrez concevoir facilement votre dissipateur thermique.

La convection

Une autre astuce de mon prof était que la « musique ne doit pas paraître forcée ». Bon, cela ne s'applique pas obligatoirement à la convection. Vous pouvez avoir deux types de convection pour vos cartes : naturelle et forcée. La convection naturelle n'utilise pas de ventilateur ou de force extérieure pour déplacer les masses d'air. Elle s'appuie plutôt sur les courants de convection qui ont lieu naturellement dans un fluide chauffé de manière différentielle. Ce processus passif n'utilise aucune énergie, mais le refroidissement peut s'avérer plus lent. La convection forcée, quant à elle, emploie une force extérieure pour déplacer les masses d'air. Cette force consiste habituellement en un ventilateur. Cette méthode dépend d'une source d'énergie externe pour faire fonctionner la force extérieure, mais le refroidissement est plus rapide. Bien évidemment, la méthode que vous choisirez aura un effet sur la conception du dissipateur thermique.

En ce qui concerne la convection naturelle, vous devez vous assurer que le dissipateur thermique et les ailettes sont placés de manière à ne pas inhiber la circulation de l'air. Dans un système à convection naturelle, le flux est assez faible et une quelconque obstruction pourrait freiner le refroidissement. Vous devez également vous assurer d'orienter le dissipateur thermique de façon à ce que l'air puisse s'élever parallèlement aux ailettes. Si vos ailettes sont perpendiculaires au flux d'air, ce serait comme si vous tentiez de jouer d'un instrument tête en bas : c'est impossible. En ce qui concerne les ailettes, vous devez utiliser un écartement assez large. Si les ailettes sont trop rapprochées, la convection en sera freinée.

La convection forcée est, quant à elle, plus simple et complexe à la fois. Le flux d'air est garanti, mais il faut savoir l'optimiser. Tout comme avant, il faut orienter le dissipateur thermique de manière à ce que l'air sorte parallèlement aux ailettes. Les choses se corsent à la conception des ailettes. Les principales difficultés d'une convection forcée sont la chute et la perte de pression. Si vos ailettes sont trop longues ou trop denses, elles provoqueront une chute de pression excessive dans tout le dissipateur thermique, entraînant un système à pertes. Pour trouver la taille idéale et le placement optimal des ailettes, vous allez devoir faire quelques calculs savants.

 

 

chef d'orchestre

N'essayez pas de diriger la chaleur comme le ferait un chef d'orchestre avec ses musiciens !
 

 

La conduction

Dans un orchestre, le chef transmet ses instructions musicales en dirigeant sa baguette dans l'air. On pourrait l'apparenter à une antenne de radio. La conduction dans les circuits est tout à fait à l'opposé. Elle transmet la chaleur entre les objets par contact direct. En matière de conduction, il faut penser à l'emplacement de votre dissipateur thermique, avec quels matériaux il sera fabriqué et quel TIM vous allez utiliser pour l'assembler à votre carte.

Le placement de votre dissipateur thermique est important. Il faut un refroidissement maximal dans un minimum d'espace. En fait, ce qui vous arrangerait serait de ne pas utiliser de dissipateur thermique du tout. Toutefois, si vous devez en utiliser un, mieux vaut que ce soit parfait. L'idéal est de le placer à un endroit très chaud, tel que prêt d'un circuit intégré (CI) puissant ou un épandeur thermique qui récupère la chaleur de différentes sources.

Lorsque vous choisissez votre matériau, il y a deux facteurs principaux : le poids et la conductivité thermique. L'aluminium a des caractéristiques de poids excellentes et une conductivité thermique correcte. Le cuivre a une excellente conductivité thermique mais il peut peser lourd sur votre carte. Un dissipateur thermique trop lourd mettra trop de pression sur votre circuit imprimé, pouvant entraîner une défaillance précoce.

Enfin, dernier élément de la conduction mais pas des moindres, les TIM. À moins de disposer d'un bon matériau TIM, votre dissipateur thermique risquerait d'être inutilisable, tout comme un flûtiste qui n'aurait pas de lèvres. Il existe une large gamme de TIM, et il est judicieux de faire quelques recherches pour voir lequel serait le mieux adapté dans votre cas.

 

ampli de guitare

Ceux-ci montent à 11 !

 

 

La radiation

Tous les membres de notre groupe savaient qu'il fallait que le son se répande jusqu'au moindre recoin de nos salles de concert. Tous, sauf le saxophoniste, dont le volume par défaut était de 11. De même, vous voulez que votre dissipateur thermique disperse autant de chaleur que possible. Afin d'optimiser la radiation, il vous faudra optimiser la surface et le pouvoir émissif de votre dissipateur thermique.

Plus vous avez de surface, plus votre dissipateur thermique va disperser la chaleur. En revanche, n'oubliez pas qu'une surface plus importante entraînera plus de pertes de convection. Il s'agit donc d'équilibrer la quantité de surface et l'efficacité du système pour trouver la solution optimale.

Le pouvoir émissif est un indicateur mesurant l'efficacité avec laquelle une surface va transmettre la chaleur dans l'air. Heureusement, vous pouvez optimiser l'émissivité sans compromettre la convection ou la conduction. Vous pouvez revêtir la surface extérieure de votre dissipateur thermique afin d'augmenter son émissivité. Un revêtement spécifique aura un effet très positif sur les caractéristiques de transfert thermique de votre dissipateur thermique, je vous le conseille donc vivement.

Lorsque vous jouez en concert et que vous oubliez vos bases, vous allez peut-être faire une ou deux fausses notes. Votre chef d'orchestre s'énervera un peu contre vous, mais ce sera tout. En revanche, si vous négligez les bases dans le choix d'un dissipateur thermique, vous pourriez vous retrouver avec un circuit imprimé si chaud qu'il prendrait feu. C'est pourquoi il est essentiel d'utiliser la convection, la conduction et la radiation de manière efficace pour que la température de votre carte ne grimpe pas en flèche.

Une fois que vous avez choisi votre dissipateur thermique, vous voudrez peut-être un peu d'aide pour le routage du circuit qu'il va refroidir. CircuitStudio est un excellent outil de conception, doté d'une tonne de fonctionnalités avancées qui vont vous aider dans la conception. Vous pourriez travailler si vite, que vous aurez peut-être même le temps de choisir votre instrument.

Vous avez d'autres questions concernant les dissipateurs thermiques ? Contactez un expert Altium.

 
 
 
 
 
 
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