Couverture ElectroniqueS n°127

Les modules thermoélectriques sont un autre outil à la disposition des concepteurs soucieux de lutter contre la chaleur excessive générée par des circuits intégrés de plus en plus complexes, et autres composants électroniques confinés dans des espaces toujours plus restreints. Ils pallient les inconvénients du refroidissement par air forcé, si tant est que ce dernier soit envisageable. F aire face à la chaleur générée par les composants électroniques est un problème sans fin. L'ère du transistor discret, promettant des conceptions à faible consommation, a laissé la place à celle des circuits microélectroniques, qui intègrent non plus des milliers, mais des millions de transistors. Alors que la perte énergétique liée à l'inefficacité d'un transistor est généralement minime, la somme totale de ces pertes au sein d'un circuit intégré complexe tel qu'un microcontrôleur peut être non négligeable. À partir du moment où vous avez conçu un équipement électronique comportant plusieurs circuits intégrés et divers autres composants, vous serez confronté au problème de la gestion de la chaleur dissipée. Surtout lorsque le client exigera davantage de fonctionnalités pour son équipement. Ce qui se traduira par un nombre croissant de dispositifs confinés dans un espace donné, voire parfois dans un espace encore plus restreint. Une telle augmentation de la densité du système sera contre-productive si, par exemple, la fréquence d'horloge d'un processeur doit être abaissée pour maintenir la dissipation énergétique dans les limites thermiques. Figure 1.-Structure d'un module Peltier La structure d'un module thermoélectrique à effet Peltier repose sur un réseau de pastilles semi-conductrices dopées Les méthodes bien établies et éprouvées d'extraction de la chaleur excessive produite par les équipements électroniques reposent principalement sur les principes de la conduction et de la convection. La conduction fournit le moyen de déplacer la chaleur des points où elle est générée vers un autre endroit du système et, finalement, dans l'environnement ambiant. Ainsi, la chaleur émanant d'un circuit intégré sera acheminée vers l'enceinte de l'équipement, via le circuit imprimé ou au travers d'un dissipateur de chaleur, afin d'être évacuée dans l'air ambiant par convection. Si, dans certains systèmes, la convection naturelle s'avère suffisante, dans d'autres il sera souvent nécessaire d'ajouter un ventilateur pour assurer un refroidissement par air forcé. Cependant, le refroidissement par air forcé n'est pas toujours une option pour la gestion thermique. En effet, certains systèmes sont fermés et n'ont aucun moyen de ventiler l'air de refroidissement. Dans d'autres cas, le bruit associé aux ventilateurs de refroidissement ne sera pas acceptable. Les modules thermoélectriques fournissent alors une alternative de choix. Ils constituent des pompes à chaleur à semiconducteurs qui, de surcroît, sont utilisables à la fois pour le refroidissement et le chauffage. L'effet Peltier entre en jeu L'effet thermoélectrique est connu de la plupart des ingénieurs pour son applica-tion dans les thermocouples, où il est mis à profit pour mesurer la température. Cet effet, découvert par Thomas Seebeck au début du XIX e siècle, génère un courant lorsqu'il y a une différence de température entre les jonctions de deux conducteurs dissemblables. L'effet Peltier, découvert par Jean Peltier une décennie plus tard, démontre le principe inverse. La chaleur est alors émise ou absorbée en faisant passer un courant à travers deux conducteurs dissemblables. Cependant, l'application pratique de l'effet Peltier n'est devenue possible que grâce aux progrès réalisés dans la technologie des semi-conducteurs, à partir du milieu du 20 ème siècle. Plus récemment, les techniques modernes ont permis d'obtenir des modules thermoélectriques efficaces. JEFF SMOOT (CUI) Diplômé (Bachelor of Science en génie mécanique) de l'Université d'État du Montana, Jeff Smoot a rejoint CUI en 2004. Au sein de cette entreprise, il est actuellement vice-président de l'Ingénierie des Applications. Figure 2.-Principe de l'effet Peltier utilisant des matériaux semiconducteurs de tellurure de bismuth L'application d'une tension continue fait que les porteurs de charge positive et négative absorbent la chaleur d'une surface de substrat, la transfèrent et la libèrent sur le substrat du côté opposé Un module thermoélectrique à effet Peltier utilise des matériaux semi-conducteurs de tellurure de type N et de type B, connectés à une source d'énergie et pris en sandwich entre des substrats thermo-conducteurs en céramique métallisée. Les paires de pastilles semi-conductrices P/N sont connectées électriquement en série, mais thermiquement disposées en parallèle pour maximiser le transfert thermique entre les surfaces céramique chaudes et froides du module ( voir figure 1 ). L'application d'une tension continue fait que les porteurs de charge positive et négative absorbent la chaleur d'une surface de substrat, la transfèrent et la libèrent sur le substrat du côté opposé ( voir figure 2 ). Par conséquent, la surface où l'énergie est absorbée devient froide et la face opposée, où l'énergie est libérée, devient chaude. Inverser la polarité fait permuter les côtés chaud et froid. Les modules à effet Peltier: de nombreux avantages Comme nous l'avons indiqué précédemment, la motivation principale pour préférer des modules à effet Peltier est qu'ils constituent une solution idéale lorsque le refroidissement par air forcé n'est pas une option, par exemple dans les équipements scellés ou les environnements fermés. Parmi les autres avantages clés, citons: - un contrôle précis de la température et une réponse thermique rapide Pour tout module fonctionnant avec une différence de température connue entre ses surfaces chaude et froide, il existe des relations bien établies qui déterminent le courant d'alimentation qui doit être appliqué afin d'obtenir l'absorption de chaleur requise. Des circuits de retour rapides permettent de contrôler les températures à moins d'une fraction de degré. Figure 4.-La structure arcTEC La structure arcTEC de CUI remplace la céramique froide par une liaison de cuivre avec de la résine. Pour les liaisons de cuivre à semi-conducteur, une soudure SbSn (antimoine-étain) remplace la soudure BiSn traditionnelle. - un facteur de forme compact et léger Les modules à effet Peltier sont souvent très compacts, avec des hauteurs aussi faibles que 3mm. Cette caractéristique est particulièrement intéressante lorsque les contraintes de poids et de taille se posent avec acuité. - la possibilité de refroidissement en dessous de la température ambiante Comme les modules à effet Peltier assurent un refroidissement actif pour évacuer la chaleur, ils sont capables d'atteindre des températures inférieures à la température ambiante. Pour cette raison, les fabricants fournissent généralement des caractéristiques de performance pour une température de surface chaude, aussi bien de 27°C que de 50°C. - une haute fiabilité liée à une construction à l'état solide sans pièces mobiles Contrairement aux systèmes de refroidissement à air forcé, qui utilisent des ventilateurs dont les roulements ont une durée de vie limitée, les modules à effet Peltier ne comportent aucune pièce mobile sus-ceptible de s'user. En fonctionnement, avec une différence de température constante, le MTBF ( Mean Time Between Failures , temps moyen entre défaillances) typique est de 100000 heures. - une dimension écologique Puisque les modules à effet Peltier n'uti-lisent pas de réfrigérants, ils ne présentent aucun risque pour l'environnement, que ce soit par des émissions pendant le fonc-tionnement ou lorsque l'équipement est éliminé à la fin de sa vie. - une utilisation possible pour le refroidissement ou le chauffage En inversant le flux de courant, les modules Peltier seront utilisés pour pomper de la chaleur dans un système plutôt que d'en extraire. Ils fonctionneront ainsi comme des générateurs thermoélectriques, pour récolter de l'énergie à partir de la chaleur perdue. Figure 3.-Structure du module à effet Peltier avec des connexions soudées et frittées conventionnelles Dans un module traditionnel, le phénomène de fatigue thermique affecte l'intégrité des soudures entre l'interconnexion électrique (cuivre) et les éléments semi-conducteurs P/N, ainsi que les liaisons soudées ou frittées entre l'interconnexion et le substrat céramique. Combattre la fatigue thermique Un inconvénient bien connu des refroidisseurs thermoélectriques fabriqués selon des méthodes classiques est l'usure thermique. Celle-ci peut affecter l'intégrité des soudures entre l'interconnexion électrique (cuivre) et les éléments semiconducteurs P/N, ainsi que les liaisons soudées ou frittées entre l'interconnexion et le substrat céramique ( voir figure 3 ). Bien que ces techniques assurent norma-lement de fortes liaisons mécaniques, thermiques et électriques, elles n'ont aucune souplesse. De ce fait, lorsqu'elles sont soumises à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, liés au fonctionnement normal du module Peltier, elles se dégradent. La structure arcTEC est une technique de construction avancée pour les modules à effet Peltier, conçue et implantée par CUI pour lutter contre les effets de la fatigue thermique. Dans la structure arcTEC, la liaison de soudure classique entre l'interconnexion électrique en cuivre et le substrat en céramique sur le côté froid du module est remplacée par une résine thermo-conductrice. Cette résine fournit une liaison élastique au sein du module. Ce qui autorise les effets de dilatation et de contraction qui se produisent pendant le cyclage thermique répété subi par le module Peltier. L'élasticité de cette résine réduit les contraintes au sein du module, tout en assurant une meilleure connexion thermique et une liaison mécanique supérieure. Aucune baisse notable des performances dans le temps n'est constatée. En sus de la liaison en résine, les modules élaborés selon la structure arcTEC utilisent une soudure SbSn. Cette dernière remplace la classique soudure BiSn entre les éléments semi-conducteurs P/N et l'interconnexion cuivre ( voir figure 4 ). Avec un point de fusion beaucoup plus élevé, soit 235 °C au lieu de 138 °C, la soudure SbSn offre une résistance supérieure à l'usure thermique et une meilleure résistance au cisaillement. Figure 5.-Test de fiabilité: arcTEC opposé à une construction standard Avec une structure arcTEC, la variation de la résistance avec le nombre de cycles thermiques évolue peu, en comparaison avec un module standard. Une structure originale pour améliorer la fiabilité La rupture d'une liaison dans les modules à effet Peltier se manifeste par une augmentation de la résistance, et une aggravation du phénomène par des cycles thermiques répétés. Comme l'espérance de vie d'un module dépend de la qualité de telles liaisons, la variation de la résistance avec le nombre de cycles thermiques est un bon moyen d'anticiper la panne. Il démontre en outre la différence frappante entre les modules construits avec et sans la structure arcTEC, comme le montrent les résultats présentés à la figure 5. Figure 6.-Comparaison de la distribution de température IR entre un module à effet Peltier conventionnel et arcTEC L'autre avancée offerte par la structure arcTEC est l'utilisation d'éléments P/N fabriqués à partir d'un silicium de qualité premium, qui sont jusqu'à 2,7 fois plus grands que ceux utilisés par d'autres modules. Cela garantit une performance de refroidissement plus uniforme, en évitant les températures inégales qui contri-buent au risque d'une durée de vie plus courte. Parallèlement, vis-à-vis des modules concurrents, le temps de refroidissement est amélioré de 50 %. Il est à noter que cet écart croît en fonction du nombre de cycles thermiques ( voir figure 6 ). La structure arcTEC est aujourd'hui implantée dans la gamme de modules à effet Peltier à haute performance de CUI. Offrant une fiabilité accrue, la possibilité de subir plus de 30000 cycles thermiques et un court temps de refroidissement, ces modules répondent aux besoins de gestion thermique, là où le refroidissement par air forcé n'est pas envisageable. n

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