Qu'est-ce que la gestion thermique des systèmes électroniques ?

La gestion thermique des systèmes électroniques est une discipline d'ingénierie axée sur la gestion efficace de la chaleur dans les dispositifs et systèmes électroniques. Elle s'appuie sur les principes de conduction thermique, de convection, de radiation et de thermodynamique pour garder les températures des composants dans leur plage de fonctionnement acceptable. Si elles ne sont pas contrôlées, les températures augmenteront, les performances des composants diminueront et certaines pièces risquent de tomber en panne. En outre, les connexions entre les composants et les boîtiers peuvent s'affaiblir et se rompre. Chaque fois que vous entendez le bruit du ventilateur de votre ordinateur portable, ressentez la chaleur à l'arrière de votre téléphone portable, vous expérimentez la gestion thermique. 

Les appareils électroniques fonctionnent en faisant circuler le courant électrique à travers les circuits et les composants électroniques. Les câbles, les pistes de PCB, les connexions, les boîtiers de puces et les composants génèrent tous de la chaleur lorsque le courant traverse le circuit. Lorsque la gestion de la chaleur est inefficace, la température dans chaque zone d'un appareil électronique augmente, modifiant les propriétés des matériaux. Ces changements peuvent entraîner divers problèmes, tels qu'une résistance accrue, une diminution de la résistance mécanique, des distorsions de signal, et finalement une baisse des performances du produit et une mauvaise expérience utilisateur. Les matériaux se dilatent également lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis, ce qui exerce des contraintes sur les composants, pouvant entraîner une défaillance mécanique, une fatigue et un vieillissement prématuré du composant ou du système. 

Des téléphones portables aux véhicules électriques en passant par le refroidissement des caméras CMOS installées sur des satellites, la gestion thermique joue un rôle important dans les performances globales et la robustesse des applications électroniques d'aujourd'hui. C'est pourquoi une compréhension globale des options disponibles est essentielle. La gestion thermique est désormais un aspect essentiel du développement des produits et doit être prise en compte à chaque phase du processus de conception. 

Avant d'aborder les particularités de la gestion de la chaleur excédentaire, il est important de souligner que la taille d'un système électronique a un impact majeur sur les outils dont les ingénieurs disposent pour gérer la chaleur. Les boîtiers de puces semi-conductrices présentent des défis différents en termes de génération et de dissipation de chaleur que les circuits imprimés (PCB). De même, les boîtiers comportant plusieurs circuits imprimés et autres sources de chaleur, telles que les alimentations, exigent des solutions différentes de celles utilisées pour des assemblages comme les racks ou les centres de données entiers. Les solutions de gestion thermique sont classées selon quatre niveaux : puce, composant, circuit et système. 

Une autre distinction essentielle concerne la gestion thermique passive par rapport à la gestion active. Les méthodes de refroidissement des systèmes électroniques qui ne consomment pas d'énergie sont appelées solutions de refroidissement passif. Les solutions de refroidissement actif utilisent de l'énergie, généralement de l'électricité, pour augmenter la vitesse des fluides de convection ou pour alimenter un dispositif thermodynamique ou thermoélectrique. Le refroidissement passif est généralement privilégié, car il ne nécessite aucune énergie, n'a pas de pièces mobiles et est plus rentable. Néanmoins, des systèmes actifs sont utilisés, car la gestion thermique passive ne permet pas de refroidir un appareil en dessous de la température ambiante, ou lorsque les performances thermiques des systèmes passifs sont insuffisantes. 

Voici une liste des méthodes de gestion thermique les plus courantes et efficaces utilisées aujourd'hui, divisées en solutions passives et actives.

Méthodes de gestion thermique passive

Matériaux d'interface thermique (TIM) : matériaux situés entre et autour des composants, employés pour isoler ces composants des températures élevées ou pour dissiper la chaleur des sources de chaleur. Lors de l'enrobage et de l'encapsulation, diverses résines acryliques, époxy, silicone et uréthane recouvrent ou enveloppent complètement un composant, un assemblage ou l'ensemble du dispositif. D'autres types de matériaux entre les composants, y compris les adhésifs, les gels et les graisses, assurent une conductivité thermique élevée entre les éléments.

Dissipateurs thermiques : objets qui transfèrent la chaleur d'un point chaud vers un endroit plus frais ou vers une autre solution de gestion thermique. La géométrie et le matériau d'un boîtier de semi-conducteur, d'un PCB ou d'un boîtier électronique éloignent l'énergie thermique des points chauds. Au niveau du boîtier et du circuit, des boîtiers matriciels à billes, des câbles, des vias d'interconnexion et des plans de masse sont utilisés. Dans les boîtiers, la chaleur provenant des circuits et de l'électronique de puissance est transférée directement au boîtier ou à d'autres dispositifs de gestion thermique par le biais de fixations et de verrouillages par coin.

Convection naturelle : le mécanisme de refroidissement le plus courant et le plus rentable est la convection naturelle de l'air autour d'un objet à haute température. Puisque l'air chaud s'élève en raison de la flottabilité, l'énergie thermique d'un objet chaud se déplace dans l'air, puis vers le haut et s'éloigne de la pièce, attirant l'air plus froid pour remplacer l'air chaud. Bien que l'air soit le fluide le plus couramment utilisé dans la convection naturelle, des applications plus exigeantes utilisent d'autres gaz et liquides. 

Puits thermiques : objets attachés à une source de chaleur et permettant de transférer la chaleur loin de la source et de la dissiper par transfert thermique convectif vers un fluide. La conception des puits thermiques maximise la quantité de surface à partir de laquelle le fluide en convection peut extraire la chaleur. Les puits thermiques se trouvent le plus souvent sur des sources de chaleur telles que les processeurs, les composants électroniques de puissance et les lasers. 

Caloducs : Dispositifs utilisant un changement de phase dans un matériau volatile pour absorber l'énergie thermique d'une source de chaleur. L'énergie convertit le liquide en vapeur, et la vapeur se déplace le long du caloduc vers l'autre extrémité, où elle se condense avant de revenir à l'extrémité chaude pour recommencer le cycle. 

Chauffage infrarouge : grande plaque métallique plate utilisant le rayonnement infrarouge pour dissiper l'énergie thermique de la plaque. Les conceptions incluent des chauffages pour des applications dans lesquelles il n'y a aucun moyen de convection ou de conduction de la chaleur hors des systèmes, généralement dans l'espace. 

Méthodes de gestion thermique active 

Convection forcée et refroidissement par air forcé : appareils alimentés utilisant des ventilateurs ou des soufflantes pour générer un flux d'air sur les composants ou les puits thermiques. La vitesse plus élevée de l'air accroît le transfert thermique par convection et, ainsi, extrait davantage de chaleur de l'objet. 

Refroidissement liquide : méthode de gestion thermique au cours de laquelle un liquide s'écoule sur une source de chaleur pour absorber la chaleur et éloigner cette chaleur de la source afin de l'évacuer. Le refroidissement liquide utilise souvent la convection forcée ou des échangeurs thermiques (par exemple, des chauffages) pour refroidir le liquide avant qu'il ne retourne à la source de chaleur. Les ordinateurs haute performance, ainsi que les systèmes de batteries, les moteurs électriques et les véhicules électriques, sont des exemples courants d'utilisation du refroidissement liquide. 

Refroidissement par impact de jets : solution de refroidissement très efficace qui projette un fluide sur la source de chaleur à travers une buse. Les vitesses beaucoup plus élevées, la turbulence et parfois la vaporisation à la surface d'impact augmentent considérablement le transfert d'énergie thermique de l'objet vers le fluide. 

Refroidissement par pulvérisation : une approche similaire au refroidissement par impact de jets, mais au lieu d'un jet de fluide, le liquide de refroidissement est atomisé en petites gouttes qui se vaporisent au contact de la source de chaleur. Cette transformation de phase absorbe beaucoup plus d'énergie que la convection. 

Réfrigération : Un cycle thermodynamique à compression de vapeur utilise la compression, la condensation, l'expansion et le changement de phase pour extraire la chaleur d'une source. Cette approche est particulièrement utile lorsque la température ambiante est bien supérieure à la température de fonctionnement requise pour les composants électroniques. Les centres de données sont un exemple courant de l'utilisation de la réfrigération pour refroidir les fluides de travail des systèmes de convection naturelle, convection forcée et refroidissement liquide.

Chauffage par résistance : La plupart des méthodes de gestion thermique sont conçues pour éliminer la chaleur d'un système ou d'un composant électronique. Cependant, dans certaines applications, les appareils fonctionnent dans des conditions de froid extrême, et les ingénieurs doivent inclure des chauffages par résistance dans leurs conceptions pour augmenter la température jusqu'à une plage de fonctionnement acceptable. Les chauffages par résistance sont fréquemment utilisés dans les systèmes électroniques spatiaux, certains dispositifs électroniques automobiles et diverses applications de l'Internet des objets (IoT) dans des environnements extrêmes. 

Refroidissement thermoélectrique : dispositif à semi-conducteurs qui utilise l'effet Peltier pour convertir l'énergie électrique en énergie thermique. Le courant passe à travers deux matériaux semi-conducteurs différents, provoquant une augmentation de la température d'un côté et une diminution de la température de l'autre. Le côté à température inférieure peut être directement fixé à un composant électronique nécessitant un refroidissement. 

Les ingénieurs qui conçoivent des systèmes électroniques, d'un minuscule microprocesseur à un immense centre de données, doivent explorer le comportement thermique du système, puis choisir des solutions de gestion thermique qui répondent aux critères de performance thermique du système, sont rentables et ne créent pas de problèmes liés aux exigences électriques ou mécaniques du système. 

La conception pour la gestion thermique doit être intégrée au processus de conception global du produit en général et au processus de conception piloté par simulation en particulier. Les techniques suivantes permettent à l'équipe de développement de comprendre l'application, d'évaluer rapidement les compromis et d'optimiser une solution.

Caractérisation des composants

Une solution de gestion thermique efficace commence par la connaissance des propriétés thermiques des composants entrant dans le système. L'équipe de conception doit commencer par collecter des informations techniques telles que la géométrie, les propriétés des matériaux, la génération de chaleur, la capacité thermique, les conditions de fonctionnement standard et les températures de fonctionnement acceptables pour chaque composant électronique et mécanique du système. 

Ces valeurs peuvent être obtenues auprès du fournisseur, ou il peut être nécessaire de réaliser des tests de caractérisation thermique. Pour estimer la dissipation thermique, les ingénieurs électriciens exécutent généralement des modèles de circuit basés sur le comportement électrique indiqué dans les fiches techniques des composants. La simulation peut également être utilisée pour déterminer les contraintes thermiques admissibles dans les composants et les interconnexions, ou pour caractériser le comportement thermique d'un assemblage de composants. 

Évaluation de l'environnement

Une fois que l'équipe sait ce qui se passe à l'intérieur du système électronique, elle doit comprendre l'environnement dans lequel fonctionnera le système. 

Les options de refroidissement thermique dans l'électronique grand public sont fondamentalement différentes de celles disponibles en avionique. 

La gestion de la surchauffe d'un smartphone est contrainte par la taille du boîtier, et la chaleur ne peut être évacuée que dans l'air ambiant. Un système avionique dans un avion de chasse dispose d'air refroidi sous haute pression, qu'il peut souffler dans un boîtier. Les appareils IoT industriels peuvent ne pas avoir accès à des températures ambiantes froides, à de l'air frais ou à de l'eau. La meilleure solution pour cette application peut être un refroidisseur thermoélectrique embarqué. De même, les normes et règlements d'une industrie donnée peuvent déterminer quelles méthodes de gestion thermique peuvent être utilisées. 

Simulation thermique

La diversité des options et les compromis entre les différentes exigences font de la simulation un outil parfait pour concevoir une solution de gestion thermique. 

Au niveau de l'emballage des puces semi-conductrices, les concepteurs peuvent tester différentes approches d'encapsulation, ajuster la position des soudures thermiques et des vias thermiques, et déterminer l'épaisseur des plans de masse. 

À l'autre extrémité du spectre des tailles, le flux d'air dans un centre de données, autour des racks et sur l'ensemble d'un étage peut être modélisé et optimisé à l'aide de la mécanique des fluides numérique (CFD). 

Le logiciel Ansys Icepak® est un excellent exemple de solution CFD conçue spécifiquement pour le refroidissement électronique au niveau du composant, du boîtier et du circuit. Il permet aux ingénieurs d'importer directement des conceptions et de modéliser rapidement des solutions de gestion thermique. Au niveau des puces, les ingénieurs utilisent le logiciel Ansys Redhawk-SC Electrothermal™ comme solution de validation pour les systèmes 2.5D et 3D-IC. Le logiciel Redhawk-SC Electrothermal se connecte au logiciel Icepak pour permettre une conception de puce adaptée au système.

Les ingénieurs doivent également gérer la chaleur générée par l'utilisation de l'électromagnétique dans les applications électroniques. Les applications à haute fréquence, comme les antennes haute puissance, produisent de la chaleur en raison des pertes dans les matériaux à travers lesquels les ondes électromagnétiques se déplacent. Un outil comme le logiciel Ansys HFSS™ peut prédire la quantité de chaleur générée, qui est ensuite appliquée comme condition limite sur les simulations thermiques utilisées pour optimiser la gestion thermique dans l'ensemble de l'assemblage électronique. 

De même, les applications basse fréquence comme les moteurs électriques, les alimentations et la recharge sans fil dans des appareils électroniques grand public tels que les téléphones mobiles, les montres connectées et les casques de RV produisent aussi de la chaleur. Le logiciel Ansys Maxwell® peut modéliser ces pertes et fournit des valeurs précises pour les sources de chaleur lors de la simulation des solutions de gestion thermique. 

Une fois que la conception des composants et des ensembles est caractérisée par simulation ou par tests, ils peuvent être représentés sous forme de modèles d'ordre réduit (ROMs) au niveau système, et l'ensemble du système thermique peut être exploré et optimisé dans un outil tel que le logiciel Ansys ModelCenter®. Les ingénieurs peuvent ensuite réaliser des études de compromis pour déterminer les meilleures méthodes de gestion thermique pour plusieurs cas d'utilisation. 

Sélection de la méthode de refroidissement

Une fois la configuration interne et l'environnement externe compris et les composants et systèmes modélisés à l'aide de la simulation thermique, l'équipe peut commencer le processus itératif de sélection des méthodes de refroidissement appropriées, ce qui permet d'évaluer virtuellement de nombreuses options. 

Un bon exemple de la façon dont des avancées technologiques apparemment sans rapport auront un impact sur l'avenir de la gestion thermique est le récent boom de l'intelligence artificielle (IA). Les grands modèles de langage (LLM) utilisent de nombreux GPU, ce qui crée un véritable défi en matière de gestion thermique pour mettre en œuvre des techniques de refroidissement adaptées aux centres de données à grande échelle. 

Avec l'expansion du monde numérique, la demande en électronique haute puissance et grande vitesse continuera d'encourager l'innovation en gestion thermique. Face à cette tendance, on peut s'attendre à des solutions de réfrigération plus performantes, à une optimisation du refroidissement à impact par jets, à des dispositifs thermoélectriques plus efficaces, ainsi qu'à des stratégies de refroidissement avancées telles que le refroidissement par immersion.

Alors que les applications de calcul haute performance orienteront les solutions d'une certaine manière, la miniaturisation continue des composants et des systèmes pousse l'industrie dans d'autres directions. Les transistors thermiques constituent un nouveau domaine de recherche passionnant. Ces transistors peuvent contrôler le flux thermique selon les besoins, permettant de diriger le refroidissement vers les zones spécifiques plutôt que de refroidir toute la puce. 

L'amélioration la plus significative en matière de gestion thermique est la croissance continue des capacités et de l'efficacité des simulations. Cette classe de logiciels intégrera l'IA, améliorera leur intégration dans les systèmes de conception, accélérera la productivité des utilisateurs et renforcera l'intégration de la physique, tout en exploitant la puissance de calcul accrue rendue possible par leur utilisation. 

Ressources connexes