Calculateur de température de jonction et de résistance thermique

Saisissez la puissance dissipée, la température ambiante et les résistances thermiques de la fiche technique pour estimer la température de jonction Tj à l’intérieur de la puce. Deux cas sont comparés, sans dissipateur (θJA) et avec dissipateur (θJC + θCS + θSA), chacun avec sa marge par rapport à la température de jonction maximale et la puissance maximale qu’il autorise.

Paramètres

Résultats

Température de jonction TjMarge jusqu’à Tj(max)Puissance maximale
Sans dissipateur (θJA)–––
Avec dissipateur (–)–––

Valeurs en régime permanent d’après Tj = Ta + P × θ ; la puissance maximale vaut (Tj(max) − Ta) ÷ θ. L’échauffement transitoire dû à de courtes impulsions de puissance n’est pas pris en compte. θJA varie fortement selon la carte et le flux d’air : considérez-la comme un ordre de grandeur.

La résistance thermique fonctionne comme un circuit électrique

La puissance dissipée dans la puce se transforme en chaleur, qui s’écoule de la jonction à travers le boîtier et la carte ou le dissipateur jusqu’à l’air ambiant. La résistance thermique θ est l’écart de température produit par watt de flux thermique, en °C/W. En assimilant l’écart de température à une tension et le flux thermique à un courant, on obtient une loi d’Ohm, ΔT = P × θ, et des résistances en série s’additionnent simplement. La température de jonction vaut donc Tj = Ta + P × θJA. Avec les valeurs par défaut P = 1 W, Ta = 25 °C et θJA = 50 °C/W, Tj = 75 °C, ce qui laisse une marge de 50 °C par rapport à une Tj(max) de 125 °C.

Pourquoi θJA dépend de la carte, et ψJT

θJA n’est pas une propriété du seul boîtier. Elle varie fortement avec la taille de la carte, le nombre de couches de cuivre, la surface de cuivre et le flux d’air. La plupart des valeurs de fiche technique sont mesurées sur une carte de test standard JEDEC en air calme ; elles servent donc surtout à comparer des boîtiers. Dans un produit réel, la chaleur se répartit dans le cuivre de la carte, et θJA peut être supérieure ou inférieure à la valeur du tableau. Dans un système réel, Tj est souvent estimée à partir de la température mesurée sur le dessus du boîtier Tt, selon Tj = Tt + P × ψJT. Comme toute la chaleur ne s’échappe pas par le dessus, ψJT est appelé paramètre de caractérisation thermique plutôt que résistance thermique.

La chaîne du dissipateur et le matériau d’interface

Avec un dissipateur, la chaleur passe principalement de la jonction au boîtier, du boîtier au dissipateur et du dissipateur à l’air ambiant ; le total vaut donc θJC + θCS + θSA. θJC est interne au boîtier et figure dans la fiche technique. θCS correspond au contact entre boîtier et dissipateur : de minuscules lames d’air entre les surfaces rugueuses bloquent la chaleur, c’est pourquoi un matériau d’interface thermique (TIM), comme une pâte thermique ou un pad thermique, vient les combler. θSA dépend de la taille du dissipateur, de la forme des ailettes et du flux d’air. Les valeurs par défaut totalisent 4,5 °C/W, soit Tj = 29,5 °C à 1 W et une puissance maximale d’environ 22,2 W.

Déclassement et marge de conception

Pour les IC en silicium et les composants de puissance, Tj(max) vaut le plus souvent 125 °C ou 150 °C, et la puissance admissible est Pmax = (Tj(max) − Ta) ÷ θ. Comme la marge diminue quand la température ambiante augmente, les fiches techniques donnent une courbe de déclassement qui réduit linéairement la puissance admissible en fonction de la température ambiante. Avec θJA = 50 °C/W et Tj(max) = 125 °C, par exemple, la limite est de 2,0 W à 25 °C mais de seulement 0,8 W à 85 °C. Des températures de jonction plus élevées augmentent aussi le taux de défaillance et raccourcissent la durée de vie ; les conceptions réelles gardent donc normalement une marge supplémentaire au lieu de fonctionner pile à Tj(max).

S’entraîner sur les fiches techniques

Quelle précaution est correcte lorsque l'on utilise la valeur θJA (résistance thermique jonction-ambiante) indiquée dans la fiche technique pour la conception thermique d'un appareil réel ?

  1. AC'est une valeur qui ne dépend que de la structure du boîtier ; elle ne change donc pas, quelle que soit la carte sur laquelle le composant est monté
  2. BPlus on agrandit la surface de cuivre de la carte, plus la chaleur est confinée, et plus θJA augmente
  3. CC'est une valeur mesurée sur une carte d'essai ; elle varie donc fortement selon la surface de cuivre et le nombre de couches de la carte réelle, et selon la présence ou non de ventilation
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Réponse : C. C'est une valeur mesurée sur une carte d'essai ; elle varie donc fortement selon la surface de cuivre et le nombre de couches de la carte réelle, et selon la présence ou non de ventilation

θJA est mesurée en montant le circuit intégré sur une carte d'essai définie par une norme telle que JEDEC, dans une enceinte sans circulation d'air. Une grande partie de la chaleur passe du boîtier à la carte par les broches et le plot arrière, si bien que θJA dépend fortement de la carte. Pour un même boîtier, la valeur peut presque doubler entre une petite carte simple couche et une carte multicouche comportant de nombreux plans de cuivre. Agrandir la surface de cuivre ou ventiler réduit θJA (meilleure dissipation). La valeur de la fiche technique est à considérer comme une indication de comparaison, et sur l'appareil réel on vérifie en mesurant la température.

Pour un circuit intégré avec une température de jonction maximale Tj(max) = 125 °C et θJA = 50 °C/W, utilisé à une température ambiante Ta = 85 °C, quelle est la puissance dissipée maximale admissible ?

  1. A0,8 W
  2. B2,5 W
  3. C1,7 W
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Réponse : A. 0,8 W

La température de jonction s'obtient par Tj = Ta + P × θJA. En résolvant pour P, on obtient P = (Tj(max) − Ta)/θJA = (125 − 85)/50 = 0,8 W. Plus la température ambiante est élevée, plus l'échauffement admissible est faible, et plus la puissance admissible diminue. 2,5 W est l'erreur consistant à oublier de soustraire la température ambiante (125/50), et 1,7 W l'erreur 85/50. En pratique, compte tenu de la variation de θJA selon la carte et de la marge de déclassement, on conçoit en limitant la puissance en dessous de la valeur calculée.

Pour estimer la température de jonction d'un composant de puissance monté sur un dissipateur, quelle combinaison utilise-t-on comme résistance thermique entre la jonction et l'ambiante ?

  1. ALa θJA (jonction-ambiante) de la fiche technique, à laquelle on ajoute la résistance thermique dissipateur-ambiante
  2. BLa somme de θJC, de la résistance thermique de contact boîtier-dissipateur et de la résistance thermique dissipateur-ambiante
  3. CLa seule θJA (jonction-ambiante) de la fiche technique, dont la valeur ne change pas même avec un dissipateur
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Réponse : B. La somme de θJC, de la résistance thermique de contact boîtier-dissipateur et de la résistance thermique dissipateur-ambiante

θJC est la résistance thermique entre la jonction et la surface de dissipation du boîtier (le boîtier), mesurée en maintenant le boîtier à température constante. Avec un dissipateur, l'essentiel de la chaleur passe du boîtier au dissipateur ; on additionne donc en série θJC, la résistance thermique de contact θCS (graisse silicone, etc.) et la résistance thermique du dissipateur θSA. Par exemple, 1,0 + 0,5 + 3,0 = 4,5 °C/W, soit un échauffement de 45 °C pour 10 W de pertes. θJA est mesurée sans dissipateur, le composant étant monté sur une carte d'essai ; elle ne peut donc pas être utilisée dans ce cas.

Quelle valeur nominale de température de jonction maximale (Tj max) est la plus courante pour les composants de puissance en silicium ?

  1. AEnviron 500℃
  2. BEnviron 50℃
  3. CEnviron 150 à 175℃
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Réponse : C. Environ 150 à 175℃

Pour les composants de puissance en silicium, une température de jonction maximale fixée à 150 ℃ ou 175 ℃ est courante. Au-delà, le courant de fuite augmente brusquement, l'emballement thermique devient probable et la durée de vie se réduit fortement. La conception prévoit une marge par rapport au maximum (par exemple fonctionnement vers 125 ℃). Le SiC, en tant que matériau, supporte plus de 300 ℃, mais la tenue thermique des matériaux du boîtier (brasure, fils, résine, etc.) constitue la limite pratique.

Questions fréquentes

Quand utiliser θJA et quand utiliser θJC ?

θJA est la résistance jonction–ambiant lorsque le composant est refroidi par la carte et l’air environnant, sans dissipateur. θJC est la résistance jonction–boîtier, à additionner à θCS et θSA lorsqu’un dissipateur est monté. Ajouter θSA à θJA pour une conception avec dissipateur est une erreur.

Quelle puissance est admissible avec Tj(max) = 125 °C, θJA = 50 °C/W et Ta = 85 °C ?

Pmax = (125 − 85) ÷ 50 = 0,8 W. À une température ambiante de 25 °C, la limite serait de (125 − 25) ÷ 50 = 2,0 W : plus l’environnement est chaud, plus la puissance admissible est faible.

Pourquoi la θJA de la fiche technique ne correspond-elle pas à ma carte ?

θJA est mesurée dans des conditions fixes, par exemple sur une carte de test standard JEDEC, et varie fortement avec la taille de la carte, les couches de cuivre et le flux d’air. Dans les systèmes réels, la température de jonction est souvent estimée à partir de la température mesurée sur le dessus du boîtier, à l’aide de ψJT.

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