À quoi sert le modèle de composant à deux résistances dans SOLIDWORKS Flow Simulation ?

Le modèle de composant à deux résistances offre une méthode simplifiée et intuitive pour représenter le comportement thermique de petits boîtiers électroniques, tels que les circuits intégrés (CI), dans le cadre de systèmes électroniques plus vastes. Ce modèle s'appuie sur la norme JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), largement reconnue, qui offre une plus grande précision que le modèle classique à résistance unique et présente l'avantage supplémentaire de disposer d'une bibliothèque complète de données sur les composants, facilement accessible. Le composant à deux résistances est uniquement disponible avec le module Electronic Cooling.

Définition d'un composant à deux résistances

Modèle de composant à deux résistances

Le composant « Two-Resistor » simplifie le transfert thermique à l'intérieur de la puce en trois nœuds de température : jonction, carte et boîtier, reliés par deux résistances thermiques définies par l'utilisateur.

• Junction – considérée comme une plaque solide à haute conductivité dotée de parois latérales isolées thermiquement. La chaleur ne peut se propager que vers le boîtier ou la carte
• Carte – considérée comme étant en contact thermique direct avec le composant sur lequel la puce est fixée. Il s'agit généralement de la carte de circuit imprimé (PCB).
• Boîtier – considéré comme étant en contact thermique direct avec l'environnement situé immédiatement au-dessus du composant, l'air ou le dissipateur thermique.

Les trois nœuds sont reliés entre eux par deux résistances thermiques définies par l'utilisateur : la résistance jonction-circuit imprimé (_θJB) et la résistance jonction-boîtier (_θJC). Ces résistances thermiques servent à calculer la conduction thermique à travers la puce.

La définition complète du circuit à deux résistances est la suivante :

• Un solide aux dimensions spécifiques (éventuellement deux solides si l'on utilise un modèle hérité).
• Dissipation de puissance d'entrée
• Résistance thermique – jonction-boîtier (_θJC)
• Résistance thermique – jonction-circuit imprimé (_θJB)

Géométrie des composants à deux résistances

Il existe deux méthodes valables pour modéliser le composant à deux résistances dans SOLIDWORKS Flow Simulation.

La méthode 1 (méthode héritée) utilise deux solides cubiques rectangulaires identiques, superposés l'un sur l'autre, et montés sur un autre solide représentant le circuit imprimé. Il s'agit de la seule méthode prise en charge avant la version 2016. Cette méthode est toujours prise en charge dans les versions plus récentes de SOLIDWORKS Flow Simulation. 

Composant à deux résistances utilisant deux corps identiques (approche traditionnelle)

La méthode 2 utilise un seul solide cubique rectangulaire. 

Modèle à deux résistances à un seul corps

Quelle que soit la méthode utilisée, les dimensions du modèle solide doivent correspondre étroitement aux dimensions globales de la puce réelle qu'il représente. Les données dimensionnelles figurent sur la fiche technique du composant, souvent accompagnées des résistances jonction-carte (_θJB) et jonction-boîtier (_θJC). SOLIDWORKS Flow Simulation intègre également une vaste bibliothèque de composants.

Conditions requises pour un maillage à deux résistances

Les exigences en matière de maillage pour les composants à deux résistances dépendent fortement de la taille du composant et de la quantité de chaleur qu'il dissipe. Les développeurs recommandent d'utiliser la méthode de convergence de maillage pour déterminer si le maillage est suffisant. Commencez par un maillage grossier et lancez l'analyse. Vérifiez les températures du composant pour établir une référence. Augmentez ensuite le niveau de finition du maillage, relancez l'étude et vérifiez les températures du composant. Si les résultats de température s'écartent significativement de la référence, le niveau de finition accru devient alors la nouvelle référence et des étapes supplémentaires de finition du maillage sont nécessaires. Continuez à affiner le maillage, à relancer l'étude et à vérifier les températures du composant jusqu'à ce que les résultats de température ne varient plus de manière significative.

Conseils pour les composants à deux résistances

• La température à la jonction est la température la plus élevée du circuit intégré. La température maximale de jonction est généralement indiquée dans la fiche technique du circuit intégré et sert à calculer la résistance thermique entre le boîtier et l'environnement requise pour une dissipation de puissance donnée. Cette valeur permet ensuite de choisir un dissipateur thermique ou un ventilateur adapté, si nécessaire.
• Il n'est pas nécessaire d'appliquer un matériau au corps défini comme un composant à deux résistances. Ce corps sera automatiquement considéré comme un corps à haute conductivité. Tout matériau appliqué sera ignoré.
• Les parois du composant sont isolées (adiabatiques). La chaleur ne se propage que par les faces supérieure et inférieure.
  

  Circuit de chauffage à deux résistances

• La face inférieure (côté carte) doit être en contact avec le composant du circuit imprimé. Elle ne doit pas être exposée à des liquides. La face supérieure (côté boîtier) peut être exposée à des liquides ou être en contact avec un dissipateur thermique.
• Le corps utilisé pour le composant à deux résistances doit être un simple cube rectangulaire dont les dimensions correspondent étroitement à celles de la géométrie du modèle de boîtier (composants du boîtier et de la jonction). Les faces supérieure et inférieure doivent être parallèles l'une à l'autre.
• Les faces supérieure et inférieure doivent rester chacune d'un seul tenant. N'appliquez pas de lignes de division ni d'autres éléments pour modifier les faces supérieure ou inférieure du cube rectangulaire.
• Aucune autre condition aux limites ne doit être appliquée aux faces du composant à deux résistances. Si une résistance thermique doit être appliquée à l'interface en haut ou en bas, elle doit être appliquée au circuit imprimé si elle se trouve en bas, ou au dissipateur thermique si elle se trouve en haut.
• Calcul des températures individuelles des nœuds pour le composant à deux résistances :
  • Température du boîtier : Mesurez la température de surface de la face supérieure.
  • Température de la carte : Mesurez la température de surface de la face inférieure.
  • Température de jonction : Mesurer la température volumique du composant.
• Les problèmes les plus courants liés aux composants à deux résistances sont les suivants :
  • Les dimensions du composant ne correspondent pas à celles de la géométrie du modèle d'emballage
  • Comparaison de quantités de résultats incorrectes.
  • Maillage insuffisamment fin