Air Systems Division. Cas pratiques de calcul thermique

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1 Cas pratiques de calcul thermique

2 Thermal transfer in via holes On Printed Circuit Boards, thermal path is usually made through via holes. 1

3 Component cooling example One component dissipates 2 W The footprint is the following: FR4 board component Thermal heatsink 2

4 Questions What is the temperature elevation in PCB for different configurations without any via with thermal through vias (optimisation) with multilayered board (10 internal layers) with / without interface Technical data: Copper conductivity= 400 W/mK Internal copper layers (10 layers) = 17 µm thickness FR4 conductivity = 0.4 W/mK FR4 thickness = 1.6 mm Thermal grease = 0.1 mm thickness, conduction = 2W/mK Copper via diameter: 1 mm Option 1 = Copper thickness in via : 25 µm Option 2 = filled via hole 3

5 Calcul d un via thermique Calcul de la résistance thermique d un via 4

6 Rth trous métallisés Rth = e / lambda. S Rth = 52 C/W pour 1 trou Rth = 2.5 C/W pour 21 trous dt trous métal = 5 C 5

7 Rth substrat FR4 et Cu Rth = e / lambda. S FR4: Rth = 40 C/W dt substrat = 80 C Cu: Rth = C/W dt 1 plan de cuivre = C/W 6

8 Résistance du board Rth board = somme de résistance en parallèle et en série T semelle composant R trou R trou ½R FR4 R plan Cu ½R FR4 Direction flux thermique T puits thermique 1/ Rth globale = 1/ Rtrou + 1/Rtrou + 1/ (R FR4 + R plan Cu) Rth globale Rtrou / nb trous dt global = 5 environ 7

9 Résistance interface Rth = e/lambda S Rth = 0.5 C/W Si on brase le composant sur le circuit: Lambda = 50 W/mK (Sn Pb par ex) Rth devient négligeable = 0.02 C/W 8

10 Trous métallisés pleins Rth trou cuivre est largement amélioré (facteur 10!). Process plus difficile à mettre en œuvre au niveau des cartes Rth trou = 5.2 C/W Rth 21 trous = 0.25 C/W dt trous métal = 0.5 C 9

11 Configuration de refroidissement par le bord de carte Refroidissement par «guide carte» La carte n est plus refroidie par le dessous Les calories doivent traverser toute la carte pour atteindre le «puits thermique» 70 mm component FR4 board Thermal heatsink 10

12 Rth de la carte Simplification possible par symétrie Calcul fait sur une seule direction T semelle composant Direction flux thermique R plan Cu R plan Cu R FR4 T puits thermique 11

13 Rth plans Plan de cuivre: Rth ½ plan = 440 C/W Rth pour 10 plans = 22 C/W Plan de FR4: Rth ½ plan = C/W Rth plan FR4 = C/W! dt total dans le plan du board = 44 12

14 Example d un bilan thermique Séchage d une carte électronique T entourage = 30 Air convection Tair = 20, 2 < h < 200 W/m²K Lampe infrarouge Flux = 2000 W/m² Carte à sécher Alpha = 0.8 (coefficient absorption) e = 0.5 (émissivité) Isolation thermique 13

15 Question 1. Quelle est la température de séchage si h = 15 W/mK 2. Quelle est l influence du coefficient h? Quelle est la valeur de h pour obtenir une valeur de 50? 14

16 Bilan Hypothèse: État stationnaire Pas d échange par le dessous de la carte Puissance reçue = puissance émise Puissance émise par la lampe = puissance dissipée par rayonnement + puissance dissipée par convection 15

17 Equation bilan Alpha. Flux lampe = flux convectif sur la carte + flux radiatif émis par la carte Alpha. G = h (T Tinf) + epsilon. Sigma (T 4 -T 4 env ) 0.8 x 2000 W/m²K = 15 W/mK. (T 293)K x 5.67e-8 W/m²K 4 (T )K 4 T = 377 K = 104 C 16

18 Evolution de T équilibre en fonction de la convection Plus le coefficient convectif est important, plus la température de la carte diminue. Pour 50 W/m²K, on a environ T ( C) h (W/m²K) 17

19 Calcul du refroidissement d un ordinateur Dimensions de l ordinateur 300 x 300 mm² Puissance dissipée = 10W Absence de ventilateur Convection naturelle: H = 2 W/m²K Utilisation de l écran comme dissipateur Quelle serait la température de l écran? 18

20 Equation bilan Pdissipé = P transmis par convection naturelle P = h. S. dt (air écran) dt = P / h. S dt = 50 Par conséquent, il faut utiliser un ventilateur pour ne pas se brûler sur l écran 19

21 Dimension d ailettes Quelle serait la surface d ailettes pour que l écran ne soit pas plus de 10 plus chaud que la pièce? 20

22 Dimensionnement de la surface d ailettes P = h. S. dt S = P / h. dt S = 0.5 m² Conclusion : les PC qui fonctionnent sans ventilateur n ont pas cette surface. Ils doivent fonctionner avec une puissance dissipée plus faible. 21

23 Puissance perdue par rayonnement Hypothèse : écran noir, émissivité de 0.9 Toute la puissance est répartie de manière homogène sur l écran au moyen d un caloduc 22

24 Ex de dissipateur avec caloduc HEATSINK Material : AL1070 & heatpipe embedded Technology: Precision-Forging Dimension: 112(L) 74(W) 27(H) mm Base Thickness: 5 mm Total Weight: 363 g. Socket : 940 Finish: Nickel plating 23

25 Heatpipe principle (wikipedia) 24

26 Puissance dissipée par rayonnement P = epsilon. Sigma. (T 4 Ts 4 ). S P = 0.9 x 5.67e-8 W/m²K 4 x ( )K 4 x 0.1 m² P = 5 W Conclusion: Le transfert radiatif n est plus négligeable. Malheureusement, le transfert par rayonnement ne peut pas être beaucoup utilisé car on ne peut pas «peindre» les écrans pour avoir une émissivité de

27 Thank you for your attention

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