Un autre facteur important est la haute fréquence du signal dans de nombreux dispositifs, qui, combinée aux courants qui les traversent, accroît la dissipation de puissance. De plus, l'intégration accrue des dispositifs semi-conducteurs génère une densité de chaleur plus élevée par unité de surface, et l'évacuation de cette chaleur devient essentielle à la durée de vie du dispositif.
Le facteur clé pour évacuer la chaleur générée par le semi-conducteur hors du dispositif est la minimisation de la résistance thermique entre la jonction du dispositif et l'air ambiant. À l'instar d'un circuit, un réseau de résistances thermiques est présent en série entre la jonction du semi-conducteur et l'air. Comme illustré dans le schéma suivant, le circuit qui transporte la température de l'intérieur du dispositif (Tj) vers l'extérieur (Ta) est composé de :
- Résistance thermique entre la jonction semi-conductrice Tj et le boîtier Tc (RthG), exprimée en K/W (Kelvin/Watt). Cette résistance est déterminée par le fabricant du semi-conducteur et est caractéristique du processus de fabrication. Elle ne peut être réduite qu'en choisissant un autre composant semi-conducteur.
- Résistance thermique entre le boîtier du semi-conducteur Tc et le dissipateur thermique Ts (RthG/K), exprimée en K/W. Celle-ci peut être minimisée à l'aide de graisses, de composés et d'autres agents de transfert thermique, que nous aborderons plus loin.
- Résistance thermique entre le dissipateur thermique Ts et l'air ambiant Ta (RthK), exprimée en K/W. Cette valeur est utilisée dans la fiche technique du fabricant pour sélectionner le dissipateur thermique approprié. Il est important de choisir un dissipateur thermique dont la valeur RthK est inférieure à celle obtenue par les calculs de conception. La valeur RthK est inversement proportionnelle au produit du coefficient de transfert thermique par convection (hc) (capacité de dissipation du dissipateur thermique) et de sa section (A). 
En outre, hc diffère selon qu'il s'agit de convection naturelle ou de convection forcée (favorisée par des ventilateurs ou des souffleurs). Cet article ne considère que les calculs relatifs à la convection naturelle.
Ainsi, la résistance thermique totale rencontrée par la chaleur lors de sa dissipation est :
RthTot = RthG + RthG/K + RthK
totale (RthTot) peut être réduite en diminuant la somme de ses composantes.
L'importance de l'utilisation de dispositifs de dissipation thermique réside dans le fait que l'air est un très mauvais conducteur de chaleur. L'utilisation de ces dispositifs permet de réduire considérablement la résistance thermique, et donc de dissiper davantage de puissance.
La méthodologie de conception
repose sur :
1) Déterminer la température ambiante Ta (K) et la température de jonction du semi-conducteur Tj (K) (à partir de la fiche technique du fabricant). Soustraire 25 K à Tj par sécurité, car Tj ne doit jamais être dépassée.
2) Déterminer la résistance de jonction (RthG) à partir de la fiche technique du fabricant du semi-conducteur.
3) Déterminer la puissance dissipée par le semi-conducteur (Ptot) (W). Pour les transistors, Ptot = Vce · Ic + Vbe · Ib, et pour les diodes, Ptot = If · Vf.
4) Connaître les critères de conception, tels que l'espace disponible sur le boîtier, la carte, les possibilités d'assemblage, etc.
La formule suivante établit une relation, dans un semi-conducteur couplé à un dissipateur thermique, entre la puissance dissipée par un dispositif et la différence de température entre la jonction Tj et l'environnement Ta.
Comme indiqué précédemment, la diminution de la somme des résistances thermiques augmente la puissance totale que le dispositif peut dissiper pour une augmentation de température donnée.
En réécrivant cette fonction, on peut déterminer la résistance thermique maximale que peut présenter un dissipateur thermique et la substance ou le fluide en contact avec l'encapsulation du semi-conducteur.
Il nous reste donc deux inconnues dont la somme ne doit pas dépasser le membre de droite de l'équation.
L'air, à l'interface entre l'encapsulation et le dissipateur thermique, présente une résistivité thermique RthG/K très élevée, car il est un mauvais conducteur de chaleur ; cependant, un composé faisant office d'interface thermique peut réduire cette résistance thermique de plusieurs ordres de grandeur et ainsi optimiser le transfert de chaleur.
Schlegel Electronic Materials propose plusieurs modèles de la gamme OpTIM Thermal Management Solutions, caractérisés par un coefficient de transfert thermique (RthG/K) très faible et offrant diverses configurations.
Pour plus d'informations sur les différents composés et leurs conductivités thermiques, veuillez consulter le site web de Schlegel.
http://www.schlegelemi.com/thermal
Vous pouvez également consulter différents catalogues PDF disponibles sur le site web www.rcmicro.es
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_TIM_shortform.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_Thermal Materials.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_OP-400.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_OpTIM_2012.pdf
L'exemple suivant illustre la sélection d'un dissipateur thermique pour le transistor 2N3055 en boîtier TO-3, en se basant sur les données mentionnées ci-dessus :
En supposant :
Tj = 200 °C moins 25 °C de marge de sécurité = 175 °C.
Ta = 45 °C.
RthG = 1,5 K/W.
RthG/K = 0,2 K/W (en raison du choix du composé d'interface thermique).
Ptot = 30 W.
Longueur maximale du dissipateur thermique = 50 mm.
REMARQUE : Il est important de se rappeler que le kelvin et le degré Celsius sont équivalents lorsqu'on parle d'augmentation de température, puisque 1 K = 1 °C
Pour choisir le dissipateur thermique adapté, consultez le catalogue ASSMANN, qui propose une large gamme de modèles. Privilégiez ceux dont la résistance thermique est inférieure ou égale à 2,6 K/W, garantissant ainsi une température de jonction (Tj) inférieure à 175 °C. Tenez également compte de la longueur maximale de 50 mm, imposée par les spécifications de l'application. Le profil Assmann V 4493 F constitue une option envisageable.
Les liens suivants vous présenteront les différentes familles de radiateurs et d'accessoires Assmann :
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