Ce chemin thermique amélioré réduit l'élévation de température à la jonction du composant électronique. La présente publication vise à fournir une introduction générale au choix d'un dissipateur thermique en fonction des données thermiques de votre application et des spécifications du fournisseur.

Un dissipateur thermique est-il nécessaire ?
Dans la suite de cet article, supposons que vous développiez une application utilisant un transistor en boîtier TO-220, que les pertes par commutation et conduction de ce transistor entraînent une dissipation de puissance de 2,78 W et que la température ambiante de fonctionnement de cette application ne dépasse pas 50 °C. Un dissipateur thermique est-il alors nécessaire pour ce transistor ?

Schémas des vues de face et de côté d'un boîtier TO-220 typique avec dissipateur thermique

La première étape consiste à identifier et à comprendre toutes les impédances thermiques qui empêchent la dissipation des 2,78 W dans l'air ambiant. Si cette puissance ne peut être dissipée efficacement, la température de jonction à l'intérieur du boîtier TO-220 dépassera les conditions de fonctionnement recommandées (généralement 125 °C pour le silicium).
La plupart des fabricants de transistors indiquent l'impédance thermique jonction-ambiante, notée Rθ_JA, exprimée en °C/W. Cette valeur représente l'élévation de température de la jonction par rapport à la température ambiante autour du boîtier TO-220 pour chaque watt de puissance dissipée dans le composant.
Par exemple, si le fabricant indique une impédance thermique jonction-ambiante de 62 °C/W, cela signifie que les 2,78 W dissipés dans le boîtier TO-220 entraîneront une élévation de température de la jonction de 172 °C au-dessus de la température ambiante (calculée comme suit : 2,78 W × 62 °C/W). En supposant que la température ambiante la plus défavorable pour cette application soit de 50 °C, la température de jonction atteindra 222 °C (calculée comme suit : 50 °C + 172 °C). Cette valeur dépasse largement la température de fonctionnement nominale du silicium, qui est de 125 °C, et endommagera irrémédiablement le transistor. Par conséquent, un dissipateur thermique est indispensable. L'installation d'un dissipateur thermique réduira significativement l'impédance thermique entre la jonction et l'environnement ambiant. L'étape suivante consiste à déterminer le seuil minimal d'impédance thermique requis pour un fonctionnement sûr et fiable.

Détermination des chemins d'impédance thermique :
Commencez par l'élévation de température maximale admissible. Si la température ambiante maximale de fonctionnement de l'application est de 50 °C et que la jonction silicium doit rester à 125 °C ou moins, l'élévation de température maximale admissible est de 75 °C (calculée comme suit : 125 °C - 50 °C).
Calculez ensuite l'impédance thermique maximale admissible entre la jonction et l'air ambiant. Si l'élévation de température maximale admissible est de 75 °C et que la puissance dissipée dans le boîtier TO-220 est de 2,78 W, l'impédance thermique maximale admissible est de 27 °C/W (calculée comme suit : 75 °C ÷ 2,78 W).
Enfin, additionnez toutes les impédances thermiques des chemins entre la jonction silicium et l'air ambiant et assurez-vous que la somme est inférieure à l'impédance thermique maximale admissible, qui est de 27 °C/W dans cet exemple.

Illustration graphique des impédances thermiques à calculer et à additionner entre la jonction et l'air ambiant dans une application TO-220 typique

Sur la figure ci-dessus, la première impédance thermique à prendre en compte est l'impédance jonction-boîtier, notée Rθ_JC. Elle mesure la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée de la jonction, où elle est générée, à la surface (boîtier) du composant (TO-220 dans cet exemple). La plupart des fabricants indiquent cette impédance dans leurs fiches techniques, ainsi que l'impédance jonction-ambiante. Dans cet exemple, l'impédance thermique entre la jonction et le boîtier est supposée être de 0,5 °C/W.

La seconde impédance thermique nécessaire est l'impédance « boîtier-dissipateur », notée Rθ_CS. Elle mesure la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée de la surface du composant (boîtier) à la surface du dissipateur. En raison des irrégularités des surfaces du boîtier TO-220 et de la base du dissipateur, il est généralement recommandé d'utiliser un matériau d'interface thermique (TIM ou « composé thermique ») entre les deux surfaces afin d'assurer un couplage thermique optimal. Ceci améliore considérablement le transfert de chaleur du boîtier TO-220 vers le dissipateur, mais induit une impédance thermique supplémentaire dont il faut tenir compte.

Dessin agrandi de la surface montrant la nécessité d'un matériau d'interface thermique (TIM).

Considérations relatives aux matériaux d'interface thermique :
Les matériaux d'interface thermique (MIT) sont généralement caractérisés par leur conductivité thermique, exprimée en watts par mètre-Celsius (W/(m °C)) ou en watts par mètre-Kelvin (W/(m K)). Dans cet exemple, les unités Celsius et Kelvin sont interchangeables car elles utilisent le même incrément de mesure de température ; le calcul porte sur l'augmentation ou la diminution de température (par exemple, une augmentation de 45 °C équivaut à une augmentation de 45 K). L'unité mètre est utilisée car l'impédance du MIT dépend du rapport entre son épaisseur (en mètres) et sa surface (en mètres carrés), soit 1/m (calculé comme m/m² = 1/m). Nous abordons les MIT plus en détail dans notre article de blog intitulé « L'importance des matériaux d'interface thermique ».

Dans cet exemple, une fine couche de matériau d'interface thermique (TIM) est appliquée sur la languette métallique d'un boîtier TO-220. Les propriétés spécifiques du TIM et les détails d'application sont les suivants :
conductivité thermique du TIM : 0,79 W/(m °C) ;
surface d'application : 112 mm² ;^épaisseur
: 0,04 mm.

L'impédance thermique du matériau d'interface thermique (TIM) peut être calculée à partir des propriétés indiquées ci-dessus à l'aide de l'équation suivante (notez l'utilisation du mètre pour assurer la cohérence des unités) :
Rθ_CS = (Épaisseur / Surface) × (1 / Conductivité)
Rθ_CS = (0,00004 / 0,000112) × (1 / 0,79)
Rθ_CS = 0,45 °C/W ou 0,45 K/W

Sélection du dissipateur thermique :
L’impédance thermique finale requise est l’impédance « dissipateur-ambiant », notée Rθ_SA. Elle mesure la facilité avec laquelle la chaleur est transférée de la base du dissipateur vers l’air ambiant. Les fournisseurs de dissipateurs, comme Same Sky, proposent souvent des graphiques (par exemple, celui ci-dessous) ou des données illustrant ce transfert thermique sous différentes conditions de flux d’air et de charge.

Graphique illustrant l'augmentation typique de la température de la surface de montage du dissipateur thermique au-dessus de la température ambiante

Dans cet exemple, on suppose que l'application fonctionne en convection naturelle, sans flux d'air. Le graphique ci-dessus permet de calculer l'impédance thermique finale (du dissipateur thermique à l'environnement) pour ce dissipateur. L'impédance thermique dans ces conditions de fonctionnement spécifiques est obtenue en divisant l'élévation de température de surface par rapport à la température ambiante par la chaleur dissipée. Ici, la chaleur dissipée est de 2,78 W, ce qui entraîne une élévation de température de surface de 53 °C par rapport à la température ambiante. En divisant 53 °C par 2,78 W, on obtient une impédance thermique du dissipateur thermique à l'environnement de 19,1 °C/W (calculée comme suit : 53 °C ÷ 2,78 W).

Dans les calculs précédents, l'impédance maximale admissible entre la jonction et l'air ambiant était de 27 °C/W. Après soustraction de l'impédance jonction-boîtier (0,5 °C/W) et de l'impédance boîtier-dissipateur (0,45 °C/W), la marge maximale restante pour le dissipateur est de 26,05 °C/W (calculée comme suit : 27 °C/W - 0,5 °C/W - 0,45 °C/W). L'impédance thermique de 19,1 °C/W pour ce dissipateur, dans les conditions supposées, est nettement inférieure à la marge de 26,05 °C/W calculée précédemment. Il en résulte une température de jonction silicium plus basse à l'intérieur du boîtier TO-220 et une marge thermique plus importante. La température de jonction maximale peut être estimée en additionnant toutes les impédances thermiques, en les multipliant par la puissance dissipée à la jonction (en watts), puis en ajoutant le résultat à la température ambiante maximale :
Température de jonction estimée = Température ambiante + Puissance (en watts) × (RθJ-C + RθCS + RθSA)
Température de jonction estimée = 50 + 2,78 × (0,5 + 0,45 + 19,1)
Température de jonction estimée = 105,7 °C

Importance des dissipateurs thermiques :
Les dissipateurs thermiques jouent un rôle essentiel dans la gestion thermique, comme le démontre cet exemple. Sans dissipateur, la jonction silicium à l’intérieur du boîtier TO-220 aurait largement dépassé la limite nominale de 125 °C. La méthode décrite ici peut être facilement adaptée et reproduite afin d’aider les concepteurs à choisir des dissipateurs thermiques de dimensions appropriées pour une grande variété d’applications.

Conclusions :
Les dissipateurs thermiques sont un élément essentiel de la conception des circuits, car ils permettent une dissipation efficace de la chaleur vers l’air ambiant et loin des composants électroniques.
La définition de la température ambiante maximale et de la puissance dissipée par l’application permet d’optimiser le choix du dissipateur thermique, qui ne doit être ni trop petit pour éviter la surchauffe, ni trop grand pour éviter un gaspillage d’argent.
Les matériaux d’interface thermique (TIM) jouent un rôle important dans le transfert de chaleur, pour une efficacité et une homogénéité accrues entre deux surfaces.
Une fois les paramètres de l’application définis (température ambiante, dissipation de puissance, impédance thermique, etc.), les filtres de recherche de produits de Same Sky permettent de trouver le dissipateur thermique adapté à chaque application, qu’il s’agisse d’une carte ou d’un boîtier BGA.

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Auteur : Ryan Smoot, Same Sky