REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME

REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME SOMMAIRE 1. Contexte 2. Limites du refroidissement sans ventilateur 3. Refroidissement par conduction optimisé pour l électronique à petit facteur de forme 4. Évaluation des performances 5. Analyse théorique 6. Conclusion RÉDIGÉ PAR M. Adam Pawlowski Principal Engineer, Gestion thermique Michael Joist Principal Engineer, Conception Amy Escobio Global Product Manager, EMCA Pentair Electronics Protection www.pentairprotect.com Septembre 2015 1. CONTEXTE Les systèmes sont de plus en plus petits et les processeurs de plus en plus puissants. Généralement, lorsque les capacités de traitement d un système augmentent, la puissance consommée augmente et par conséquent également la quantité de chaleur produite. Ainsi, les composants électroniques sensibles nécessitent un refroidissement adéquat pour assurer un fonctionnement fiable. Le refroidissement sans ventilateur peut être souhaité pour un certain nombre de raisons telles que des exigences IP élevées, la possibilité de protéger les composants électroniques sensibles des polluants atmosphériques, un niveau de bruit de fonctionnement réduit et une plus grande fiabilité. Malheureusement, les performances du refroidissement par conduction sont limitées. Les ingénieurs qui souhaitaient un refroidissement sans ventilateur avaient deux solutions : limiter les performances de leurs cartes ou opter pour des solutions coûteuses de refroidissement par liquide ou caloduc. Ce livre blanc a pour but d expliquer les facteurs limitant les performances du refroidissement par conduction, de présenter les produits innovants Schroff en matière de refroidissement par conduction, et enfin d examiner les performances des différentes solutions présentées. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 1 / 12

2. LIMITES DU REFROIDISSEMENT SANS VENTILATEUR Le refroidissement par conduction sans ventilateur s effectue en créant un chemin thermique direct du processeur (figure 1.A) vers un environnement extérieur via un dissipateur thermique (figure 1.C), ou via des matériaux conducteurs tels qu un bloc d aluminium (figure 1.B), un caloduc ou un liquide. Figure 1.A Figure 1.B Figure 1.C Minimiser la résistance thermique est vital pour optimiser la dissipation thermique. Dans les applications de refroidissement par conduction, la résistance thermique résulte de la combinaison de surfaces irrégulières, même au niveau microscopique, du fait de la qualité, de la dureté ou de la planéité de la surface (figure 2). Pour assurer un contact de surface correct, il convient d accorder une attention particulière à chacune des jonctions de composants le long du chemin thermique, et les tolérances dimensionnelles doivent être prises en compte. Malheureusement, au sein d un système, les tolérances des processeurs, des connecteurs, de l épaisseur des circuits imprimés, des longueurs des entretoises et des coffrets peuvent atteindre ± 1,5 mm. Ces écarts peuvent accroître la résistance thermique et empêcher la chaleur de circuler efficacement du processeur vers le dissipateur thermique. Figure 2 Pour compenser ces tolérances, un tampon d interface thermique (figure 3) doit être incorporé au chemin thermique, généralement entre l échangeur thermique et le dissipateur thermique. Pour compenser un cumul de tolérances de ±1,5 mm, un tampon d interface thermique d une épaisseur minimale de 5 mm serait nécessaire. Figure 3 ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 2 / 12

L utilisation d un tampon d interface thermique présente deux conséquences négatives : Performances de refroidissement par conduction non optimisées Bien que le tampon d interface thermique améliore le contact en surface sur le chemin thermique en compensant les tolérances, le tampon d interface n étant pas aussi conducteur de chaleur que l aluminium, la résistance thermique n est toujours pas minimisée. Risque de performances de refroidissement irrégulières tout au long du cycle de vie du produit Les tampons d interface thermique présentent souvent une déformation permanente, due à la compression, et ce même après une courte période d utilisation, et doivent être remplacés à chaque ouverture du coffret. Lors du remplacement du tampon d interface thermique, il convient de prêter une attention particulière à l épaisseur, à la dureté et à la résistance thermique afin d assurer des performances de refroidissement par conductivité régulières. Si le tampon d interface thermique n est pas remplacé, ou s il est remplacé par un tampon présentant une résistance thermique supérieure, des performances thermiques régulières ne peuvent être garanties. De plus, si le tampon, d interface utilisé est trop épais ou trop dur, il existe un risque de formation d une force de compression excessive, pouvant endommager le processeur. 3. REFROIDISSEMENT PAR CONDUCTION OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME Afin de répondre aux exigences de refroidissement des processeurs de plus en plus puissants et de relever les défis liés aux solutions actuelles de refroidissement par conduction, Pentair a le plaisir de présenter deux nouveaux produits Schroff : le conducteur thermique modulable (FHC, Flexible Heat Conductor) et les coffrets Interscale C. Associés, le conducteur thermique modulable et l Interscale C peuvent fournir les meilleures performances de refroidissement par conduction et une fiabilité optimale tout au long du cycle de vie du système. Conducteur thermique modulable (FHC) Pentair a développé un conducteur thermique modulable, qui exploite l excellente conductivité d un bloc d aluminium mais est doté d un ressort innovant. Caractéristiques techniques Les conducteurs thermiques modulables sont disponibles en deux dimensions standard, que l on peut désigner par «20 mm» et «70 mm», sur la base de leurs hauteurs respectives. Le FHC de 20 mm (figure 4) est compatible avec différents processeurs Intel, AMD, Via, Freescale, Nvidia et Texas Instruments utilisant un réceptacle BGA. Figure 4 Le FHC de 20 mm peut se dilater/se contracter de ±1,5 mm et nécessite une force maximale de 60 N en vue de l installation. Compte-tenu de sa taille réduite et de l absence de points de fixation normalisés, le FHC de 20 mm ne nécessite aucune équerre de fixation. Il est possible de l installer directement sur le processeur avec du ruban adhésif conducteur de chaleur (figure 5). Figure 5 Le FHC de 70 mm (figure 6) est parfaitement adapté pour les systèmes ATX/ITX/MiniITX et COM utilisant des processeurs Intel Core-i et AMD avec les réceptacles suivants : Intel : LGA775, LGA1150, LGA1155, LGA1156, LGA1366, LGA2011 AMD : AM2, AM2(+), AM3, AM3(+), FM1, FM2, FM2(+) Le FHC de 70 mm peut se dilater/se contracter de ±2,5 mm et nécessite une force maximale de 120N en vue de l installation. La force de montage est comprise dans l intervalle indiqué pour différents processeurs, ainsi il n existe aucun risque que le FHC provoque des dommages s il est installé correctement. Figure 6 ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 3 / 12

Le FHC de 70 mm est apposé à l aide d une équerre de fixation et d un cadre. Pentair propose actuellement des équerres Schroff pour les systèmes ATX/ITX/MiniITX et COM (puces Intel et AMD) ; les équerres Intel et AMD utilisent des points de fixation standard afin de ne pas interférer avec d autres composants du circuit imprimé (figure 7.A). L habillage du FHC de 70 mm est un cadre en aluminium (figure 7.B). Ce cadre permet une manipulation simple du FHC lors du montage, fixe le FHC à l équerre de fixation et offre une protection contre les substances polluantes aux composants internes du FHC. L équerre combinée au cadre permet de positionner le FHC directement au-dessus du processeur et de fixer de manière sécurisée le FHC au circuit imprimé (figure 7.C). Figure 7.A Figure 7.B Figure 7.C Les caractéristiques relatives aux conducteurs thermiques modulables de 20 mm et 70 mm sont résumées ci-après (figure 8). Principaux avantages FHC de 20 mm Les meilleures performances de refroidissement par conduction du marché : Les ressorts intégrés au FHC permettent au bloc d aluminium de se dilater et de se contracter verticalement, éliminant ainsi la nécessité d un tampon d interface thermique (figure 9). Les ressorts intégrés créent également une force verticale tout le long du chemin thermique ; la force positive implique un meilleur contact en surface entre les surfaces d appui et une résistance thermique réduite. Si les composants, tels que le processeur et le dissipateur thermique ne sont pas parfaitement parallèles entre eux, les performances thermiques Figure 9 seront affectées de manière négative. Grâce à une conception innovante, le FHC peut se déformer autant que nécessaire afin d assurer un contact optimal entre les surfaces. Des performances constantes tout au long du cycle de vie du système FHC de 70 mm Dimension (L x l x h) 22 mm x 22 mm x 19,75 mm 50 mm x 50 mm x 68,5 mm Plage de tolérance couverte ±1,5 mm ±2,5 mm Compatibilité du processeur Méthode de montage recommandée Force de serrage maximale du couvercle, incluant le dissipateur thermique Processeurs Intel, AMD, Via, Freescale, Nvidia et Texas Instruments utilisant un réceptacle BGA Ruban adhésif conducteur de chaleur 60 N 120 N Figure 8 ATX/ITX/MiniITX et COM utilisant des processeurs Intel Core-i et des processeurs AMD avec les réceptacles suivants : Intel : LGA775, LGA1150, LGA1155, LGA1156, LGA1366, LGA2011 AMD : AM2, AM2(+), AM3, AM3(+), FM1, FM2, FM2(+) Cadre et équerre Le FHC conduit la chaleur par des moyens purement mécaniques et n est par conséquent doté d aucune pièce, telle qu un tampon d interface thermique, nécessitant un remplacement. Compte-tenu du fait qu un tampon d interface thermique ne s impose pas, il n est pas nécessaire de rappeler les caractéristiques initiales ni la méthode de montage en vue de l obtention de performances constantes ; d autre part, le risque d endommagement du processeur par l utilisation d un tampon d interface inapproprié est éliminé. Les FHC de 20 mm et de 70 mm sont conçus pour fonctionner en combinaison avec la gamme Pentair de coffrets Schroff Interscale C refroidis par conduction. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 4 / 12

Coffret Interscale C Pentair a développé une ligne de coffrets Schroff Interscale C refroidis par conduction et spécialement conçus pour l électronique à petit facteur de forme. Caractéristiques techniques Les coffrets Schroff Interscale C sont basés sur le même principe de construction éprouvé que les coffrets Interscale M. Tandis que les coffrets Interscale M sont disponibles avec des perforations et des kits de ventilateurs en option, les coffrets Interscale C sont dotés de dissipateurs thermiques intégrés et sont compatibles avec les conducteurs thermiques modulables pour le refroidissement par conduction (figure 10). Les coffrets Interscale C sont pourvus d une construction robuste offrant une protection CEM intégrée de 20 db à 2 GHz. Le principe de construction en trois parties (embase, face avant et capot supérieur) permet une fixation aisée par deux vis et offre une protection contre les contacts accidentels jusqu à IP 30. Les coffrets standard sont disponibles pour les modules informatiques embarqués, tels que MiniITX, ATX, embeddednuc et autres. Grâce à la modularité de la plate-forme Interscale, il est possible de réaliser des dimensions de coffret personnalisées pour le logement de différents modules, des cartes riser ou des alimentations électriques internes. Chaque coffret est disponible avec des ailettes du dissipateur thermique de différentes hauteurs ; les clients peuvent choisir la hauteur du dissipateur thermique qui répondra au mieux à leurs exigences en matière de performances et de coût. Figure 10 Principaux avantages Principe de construction axé sur les performances Tous les coffrets Interscale offrent une protection CEM Choix de la hauteur des ailettes du dissipateur thermique afin de répondre aux exigences de performances et de coût de l application Coffrets standard fonctionnant avec les FHC afin d obtenir les meilleures performances du marché en matière de refroidissement par conduction Facilité d utilisation Principe de construction innovant, nécessitant seulement deux vis pour le montage Dissipateur thermique intégré dans le capot du coffret ; livré monté Avec entretoises de montage de carte prémontées Plate-forme flexible Coffrets standard proposés en tant que solutions disponibles en stock pour cartes informatiques embarquées courantes Dimensions personnalisées disponibles pour le logement de cartes riser et d alimentations électriques internes Options pour différentes tailles de découpe et logements, poudrage et sérigraphies Variété d accessoires, tels que des pieds adhésifs, des pieds-béquilles et des patins d empilage Design esthétique avec l option d ajout d enjoliveurs pour l image de marque ou un design unique ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 5 / 12

4. ÉVALUATION DES PERFORMANCES De nombreux facteurs ont une incidence sur la quantité de chaleur dissipée par le refroidissement par conduction, notamment : La dimension et la forme des ailettes du dissipateur thermique Augmenter la hauteur des ailettes de l échangeur thermique, le dernier maillon de la chaîne de transfert de chaleur, diminue la résistance thermique (figure 11). Figure 11 Conditions environnementales La température ambiante, ainsi que la quantité et la direction du flux d air autour du dissipateur thermique ont une grande influence sur le comportement thermique de l échangeur thermique. La température du dissipateur est linéairement proportionnelle à la température ambiante (figure 12). Figure 12 Pour évaluer les performances de refroidissement sans ventilateur du conducteur thermique modulaire et de l Interscale C par rapport aux solutions actuellement sur le marché, les ingénieurs thermiques de Pentair ont développé un banc de test thermique spécifique. Le banc de test inclut un échangeur thermique conducteur (bloc d aluminium ou FHC), un châssis Interscale C avec ailettes thermiques en aluminium intégrées, une source de chaleur (un processeur Intel i7) et des thermocouples pour l acquisition des données. Afin de comparer au mieux les performances, la température du processeur et la température ambiante sont maintenues constantes dans tous les tests. Chaque test a été répété quatre fois, pendant 1,5 heure pour garantir un état stable. Dans les applications en situation concrète, la dissipation thermique réelle dépendra de facteurs spécifiques à l application, et par conséquent les résultats de ces tests se veulent relatifs et non absolus. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 6 / 12

Méthode classique de refroidissement par conduction PERFORMANCES DU FHC DE 20 MM Le FHC de 20 mm a été testé avec une température du processeur de 70 C, une température ambiante de 20 C et dans un coffret Interscale C avec ailettes thermiques de 5 mm. Le test a été répété selon trois scénarios : Dissipateur thermique à ailettes de 5 mm Tampon d interface thermique (épaisseur 3,0 mm, 3,0 W/mK) FHC de 20 mm théorique Pâte thermique (Amasan T12, 4,185 W/mK) Source de chaleur (processeur) Scénario 1 : Méthode classique de refroidissement par conduction avec tampon d interface thermique de 3 mm, recommandé pour Bloc prendre en compte le cumul de d aluminium tolérances solide Dissipateur thermique à ailettes de 5 mm Pâte thermique (Amasan T12, 4,185 W/mK) FHC de 20 mm recommandé FHC de 20 mm Scénario 2 : Performances théoriques du FHC de 20 mm (FHC non fixé au processeur) Source de chaleur (processeur) Dissipateur thermique à ailettes de 5 mm Pâte thermique (Amasan T12, 4,185 W/mK) Ruban adhésif conducteur de chaleur (épaisseur 0,1 mm, 1,5 W/mK) Source de chaleur (processeur) FHC de 20 mm Scénario 3 : Utilisation recommandée du FHC de 20 mm (FHC fixé au processeur) Dans les situations données, la méthode classique de refroidissement par conduction était en mesure de dissiper 10 watts, tandis que le FHC pourrait théoriquement dissiper 12 watts. Le fait de fixer le FHC de 20 mm au processeur avec un ruban thermo conducteur a permis d obtenir une dissipation thermique de 11 watts, soit une amélioration de 10 % par rapport à la méthode classique de refroidissement par conduction. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 7 / 12

Méthode PERFORMANCES classique de DU FHC DE 70 MM refroidissement Le FHC de 70 par mm conduction a été testé avec une température du processeur de 75 C, une température ambiante de 20 C et dans un coffret Interscale C avec ailettes thermiques de 25 mm. Une fois encore, le test a été répété selon trois scénarios : Dissipateur thermique à ailettes de 25 mm Tampon d interface thermique (épaisseur 5,0 mm, 1,5 W/mK) Bloc d aluminium solide Scénario 1 : Méthode classique de refroidissement par conduction avec tampon d interface thermique de 5 mm recommandé pour prendre en compte le cumul de tolérances Pâte thermique Méthode (Amasan classique T12, 4,185 de W/mK) refroidissement par Source conduction de chaleur (processeur) Dissipateur thermique à ailettes de 25 mm Tampon d interface thermique (épaisseur 3,0 mm, 1,5 W/mK) Bloc d aluminium solide Scénario 2 : Méthode classique de refroidissement par conduction avec tampon d interface thermique de 3 mm pour prendre en compte le cumul de tolérances Pâte thermique (Amasan T12, 4,185 W/mK) FHC de 70 mm Source de chaleur (processeur) Dissipateur thermique à ailettes de 25 mm Pâte thermique (Amasan T12, 4,185 W/mK) FHC de 70 mm Scénario 3 : FHC de 70 mm Source de chaleur (processeur) Dans les conditions données, la méthode classique de refroidissement par conduction avec un tampon d interface de 5 mm a permis d obtenir une dissipation de 32 watts avec une résistance thermique totale de 2,45 K/W. Avec un tampon d interface plus fin (3 mm), la méthode classique de refroidissement par conduction se limitait à 34 watts. Le FHC de 70 mm a dissipé 55 watts avec une résistance thermique totale de 1 444 K/W, soit une amélioration de 72 % des performances de refroidissement par conduction. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 8 / 12

5. ANALYSE THÉORIQUE Dans les applications de refroidissement par conduction, les performances dépendent de la manière dont la chaleur circule efficacement le long du chemin thermique. Tout ce qui entrave la circulation de la chaleur se résume sous l appellation «résistance thermique». Pour comparer la résistance thermique individuelle et totale, la résistance thermique a été définie comme le rapport entre la différence de température et la dissipation thermique: [1] La chaleur circule de la même façon qu un courant électrique ; les résistances thermiques individuelles s additionnent comme dans un circuit série et conformément à la règle des inverses en parallèle. On obtient ainsi la résistance thermique totale. La connaissance de la résistance thermique totale dans une chaîne thermique nous permet d obtenir une valeur approximative de la température finale pour une dissipation de puissance donnée. À partir de l équation [2], qui décrit le transfert thermique Q par un solide et avec une différence de température dt : [2] où L Longueur du solide en [m], A Section transversale / surface d appui du solide en [m²], λ Coefficient de conductivité thermique du solide en [W/(mK)] La résistance thermique peut être calculée conformément à [1] comme suit : [3] Par conséquent, le transfert thermique est [4] La pour certains matériaux peut uniquement être déterminée de manière empirique. Cela inclut la résistance thermique entre deux surfaces métalliques brillantes et lisses de 0,05 K/W à 0,2 K/W, en fonction de la pression de contact et de la rugosité de ces surfaces mais également de la résistance thermique de la pâte thermique. La résistance thermique s applique à la fois aux solides et aux liquides, tels que l eau. Sur la base de l équation bien connue qui décrit le transfert de chaleur au moyen d un milieu liquide et à une différence de température dt : [5] où Densité spécifique du fluide en [kg/m³], Chaleur spécifique du fluide en [kj/(kgk)], Volume de circulation du liquide en [m³/s] La résistance thermique similaire pour les solides conformément à [1] est calculée comme suit : [6] Donc l équation [4] reste aussi valide ici. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 9 / 12

La figure 13 montre le flux de chaleur et la série typique de résistances thermiques dans une solution refroidie par conduction. Dans cet exemple, la chaleur provient de l unité centrale CPU (pos. 1). Pour garantir un contact de surface correct, de la pâte thermique peut être utilisée entre le processeur et le bloc solide (pos. 2). La chaleur continue à se propager via deux blocs d aluminium (pos. 3 et pos. 5), avec un tampon chauffant intermédiaire (pos. 4), un second tampon chauffant (pos. 6) sur le dissipateur thermique en aluminium (pos. 7) où une dissipation a lieu vers l air extérieur. R th Dissipateur thermique (DT) R th Pâte R th Processeur Figure 13 Dans les calculs suivants, l ensemble désigné sous l appellation de résistance thermique «totale» est la somme des résistances thermiques individuelles : [7] où les résistances thermiques individuelles peuvent être déterminées de façon empirique ou calculées par : [8] Elles doivent être spécifiées par le fabricant, comme pour la pâte thermique R Paste th ou pour l unité centrale CPU R CPU th Dans le cas de flux thermiques parallèles Q1 et Q2, la (figure 14) s applique à l intégralité du flux thermique : [9] = Q Q Q total 1 + 2 ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 10 / 12

Le conducteur thermique modulable FHC dans Interscale C dispose de deux chemins thermiques du processeur au dissipateur thermique. En considérant les deux chemins thermiques (figure 14) de l unité centrale CPU au dissipateur thermique, Q1 et Q2, la résistance thermique totale est calculée par : [10] Les deux résistances thermiques séparées pour Q1 et pour Q2 sont calculées conformément à l équation [7]. La résistance thermique totale, incluant l unité centrale CPU et le dissipateur thermique, est alors : [11] 6. CONCLUSION Figure 14 Avec des composants électroniques toujours plus petits et plus puissants et une tendance vers des solutions décentralisées qui se poursuit, la demande de solutions de refroidissement fiables et performantes sans ventilateur ne fera qu augmenter. Le développement de nouveaux produits Schroff dédiés au refroidissement par conduction pour l électronique à petit facteur de forme, le conducteur thermique modulable FCH et le coffret Interscale C, permet désormais d obtenir les avantages du refroidissement par conduction pour des processeurs ultra performants. Par rapport aux méthodes actuelles de refroidissement par conduction, le FHC de 20 mm permet une amélioration de 10 à 20 % de la dissipation thermique selon la méthode de montage utilisée et le FHC de 70 mm offre une amélioration de plus de 70 % de la dissipation thermique. En plus d assurer les meilleures performances du marché, la technologie FHC Schroff offre également une dissipation thermique régulière tout au long du cycle de vie du système. Les conducteurs thermiques modulables ont été conçus afin d être compatibles avec les coffrets Interscale C et de proposer aux clients des solutions de refroidissement par conduction pour l électronique à petit facteur de forme hautes performances, faciles à monter et entièrement personnalisables. ELECTRONICS PROTECTION REFROIDISSEMENT OPTIMISÉ POUR L ÉLECTRONIQUE À PETIT FACTEUR DE FORME 11 / 12

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