Température de jonction : résistances thermiques et refroidissement
Calculez et interprétez la température de jonction avec RθJA, RθJC, RθCS et RθSA, en air calme, sous ventilation ou avec dissipateur.
Rédaction et revue techniqueElectroDesignForge Engineering Team
Voir le processus éditorialÀ retenir : la température de jonction TJ est la température de la zone active d’un semi-conducteur. En régime permanent, on l’estime à partir de la température ambiante locale, de la puissance réellement transformée en chaleur et de la résistance thermique du chemin utilisé. Cette estimation sert à dimensionner une solution thermique ; elle ne remplace ni les courbes constructeur, ni la simulation, ni la mesure sur le produit final.
Référence rapide
| Grandeur | Symbole | Unité | Signification dans l’outil |
|---|---|---|---|
| Température ambiante locale | TA | °C ou °F | Air au voisinage du composant, ou à l’entrée du dissipateur |
| Température de jonction | TJ | °C ou °F | Température estimée de la puce active |
| Limite de jonction | TJ,max | °C ou °F | Limite publiée dans la fiche technique, pas une cible de fonctionnement |
| Puissance dissipée | P | W ou mW | Pertes converties en chaleur dans le composant |
| Résistance jonction-ambiante | RθJA | °C/W | Chemin complet de la jonction vers l’air dans les conditions d’essai |
| Résistance jonction-boîtier | RθJC | °C/W | Chemin de la jonction vers la surface de référence du boîtier |
| Résistance boîtier-dissipateur | RθCS | °C/W | Interface, graisse, pad, isolant et qualité du contact |
| Résistance dissipateur-ambiante | RθSA | °C/W | Évacuation du dissipateur vers l’air |
| Impédance thermique transitoire | Zθ(t) | °C/W | Réponse thermique dépendante du temps, non calculée par l’outil |
Pour un seul chemin thermique en régime permanent :
ΔT = P × Rθeffective
TJ = TA + ΔT
Marge = TJ,max − TJ
Un degré Celsius par watt et un kelvin par watt ont la même valeur pour une différence de température. En revanche, une température absolue en °F doit être convertie correctement ; l’outil s’en charge.
1. Que représente réellement la température de jonction ?
La jonction est la zone du silicium où les transistors et diodes dissipent de la puissance. Elle est inaccessible à une sonde ordinaire et peut être nettement plus chaude que le boîtier visible. Pour un circuit intégré, TJ n’est donc ni la température ambiante, ni la température du dessus du boîtier.
La chaleur traverse plusieurs matériaux avant d’atteindre l’air : silicium, attaches de puce, leadframe ou substrat, boîtier, cuivre du PCB, interface thermique et éventuellement dissipateur. Chaque étape oppose une résistance au flux thermique, comme une résistance électrique s’oppose au courant.
L’analogie est utile :
| Domaine électrique | Domaine thermique |
|---|---|
| Tension V | Écart de température ΔT |
| Courant I | Flux de chaleur / puissance dissipée P |
| Résistance R | Résistance thermique Rθ |
| V = I × R | ΔT = P × Rθ |
Cette analogie décrit un bilan moyen. Une puce peut contenir plusieurs points chauds, des sources de chaleur voisines et des chemins parallèles qui ne sont pas visibles dans un modèle à une seule résistance.
2. Puissance dissipée : entrer les pertes, pas la puissance utile
Le calcul thermique utilise la puissance qui devient de la chaleur dans le composant étudié. Elle peut être très différente de la puissance qui traverse le circuit.
| Composant | Estimation de départ de la dissipation |
|---|---|
| Régulateur linéaire | P ≈ (Vin − Vout) × Iout + Vin × Iq |
| MOSFET passant | Pcond ≈ IRMS² × RDS(on), puis ajouter les pertes de commutation |
| Diode | P ≈ VF × Imoyen, avec les pertes dynamiques si elles comptent |
| Convertisseur à découpage | PIC n’est qu’une partie de Pin − Pout ; self, diode et MOSFET externes dissipent séparément |
| Résistance de puissance | P = IRMS²R = VRMS²/R |
Utilisez le pire point de fonctionnement crédible : tension, courant, fréquence de commutation, tolérances et température. Pour une charge pulsée, la puissance moyenne peut convenir si le régime thermique a le temps de se stabiliser ; une impulsion courte exige les courbes Zθ(t) ou un modèle transitoire.
3. Les températures à ne pas confondre
TA : ambiante locale
TA est la température de l’air qui reçoit la chaleur. Dans un boîtier fermé, elle peut dépasser largement la température de la pièce. Avec un dissipateur ventilé, prenez l’air à son entrée, avant son réchauffement.
TC : boîtier
TC est mesurée à un point défini par le fabricant, souvent sur une face métallique ou au centre du boîtier. Un autre point de mesure peut produire une valeur différente.
TS : dissipateur
TS correspond à la base du dissipateur, près de l’interface. Les ailettes sont généralement plus froides ; une mesure éloignée de la semelle sous-estime donc la température du chemin principal.
TJ,max : limite, pas consigne
La valeur maximale absolue indique une frontière à ne pas dépasser. Elle ne garantit pas les performances électriques, la précision ou la durée de vie à proximité de cette limite. La conception doit conserver une marge pour les tolérances, les transitoires, l’encrassement, la perte de ventilation et le vieillissement de l’interface.
4. Comprendre RθJA, RθJC, RθCS et RθSA
RθJA n’est pas une constante universelle du boîtier
RθJA regroupe tous les chemins entre la jonction et l’ambiante lors d’un essai normalisé ou défini par le fabricant. Pour un boîtier à pad exposé, une grande partie de la chaleur peut passer dans le cuivre du PCB plutôt que directement dans l’air.
Sa valeur dépend notamment de :
- la surface et l’épaisseur de cuivre ;
- la présence, le diamètre et le remplissage des vias thermiques ;
- le nombre de couches et les plans internes ;
- l’orientation de la carte et du boîtier ;
- la vitesse et la direction de l’air ;
- les composants voisins et la température à l’intérieur du produit.
Une valeur mesurée sur une carte JEDEC ne décrit donc pas automatiquement votre PCB. Utilisez-la pour une première estimation et recherchez les courbes selon la surface de cuivre ou le layout de démonstration du fabricant.
RθJC décrit un chemin contrôlé vers le boîtier
RθJC suppose que la chaleur est extraite par la surface de boîtier désignée. Elle convient à une chaîne avec dissipateur lorsque le montage reproduit ce chemin. N’ajoutez jamais RθJA à RθJC : RθJA représente déjà un chemin complet vers l’ambiante.
RθCS représente l’interface
Cette résistance couvre le contact entre boîtier et dissipateur : planéité, pression, surface, graisse, pad, isolant électrique et épaisseur. Une valeur typique de matériau n’est valable qu’avec l’épaisseur et la pression prévues. La résistance de contact peut dominer si la surface est petite ou mal serrée.
RθSA dépend de l’installation
La performance du dissipateur varie avec l’orientation, le débit d’air, les obstacles, la recirculation et l’espacement. Utilisez la courbe du fabricant à la vitesse d’air réelle, pas uniquement la valeur nominale annoncée dans des conditions idéales.
5. Les trois modes du calculateur
Air calme : chemin RθJA
Le mode Air calme applique :
TJ = TA + P × RθJA
Choisissez-le lorsqu’aucun dissipateur dédié n’est monté et que vous disposez d’une valeur RθJA représentative du PCB. Il fournit un ordre de grandeur stationnaire.
Débit d’air : modèle de présélection
Lorsqu’aucune courbe constructeur n’est disponible, l’outil sépare de façon empirique une part limitée par la conduction et une part améliorée par convection. Avec la vitesse v convertie en pieds linéaires par minute (LFM) :
Rθeffective = RθJA × [0,35 + 0,65 / (1 + 0,55 × √(vLFM / 100))]
1 m/s = 196,85 LFM
Le plancher de 35 % évite de supposer qu’un débit d’air infini annulerait la conduction interne. Cette loi est volontairement un outil de comparaison, pas une propriété physique universelle du boîtier. Une courbe fabricant RθJA-débit d’air, une simulation CFD ou une mesure prévaut toujours.
Dissipateur : chaîne série détaillée
Le mode Dissipateur additionne les résistances du chemin choisi :
Rθeffective = RθJC + RθCS + RθSA
TS = TA + P × RθSA
TC = TS + P × RθCS
TJ = TC + P × RθJC
Ce modèle suppose que la majorité de la chaleur suit cette chaîne. Dans la réalité, une partie peut aussi partir par les broches et le PCB ; ignorer ce chemin parallèle est généralement conservateur, mais la géométrie exacte doit être vérifiée.
6. Lire chaque résultat de l’outil
| Résultat | Calcul | Interprétation |
|---|---|---|
| Élévation ΔT | P × Rθeffective | Écart stationnaire entre jonction et ambiante |
| TJ estimée | TA + ΔT | Température interne prévue au point saisi |
| Marge | TJ,max − TJ | Réserve avant la limite absolue |
| Puissance maximale à TA | (TJ,max − TA)/Rθ | Seuil mathématique, sans marge de conception |
| TA maximale | TJ,max − P × Rθ | Ambiante théorique à la limite pour cette puissance |
| Rθ maximale requise | (TJ,max − TA)/P | Résistance totale à ne pas dépasser |
| Budget thermique utilisé | ΔT/(TJ,max − TA) | Part de l’élévation disponible consommée |
L’indicateur Marge confortable signifie que la température reste à plus de 10 °C de TJ,max et que moins de 90 % du budget est utilisé. Marge faible apparaît à 10 °C ou moins de la limite, ou à partir de 90 % du budget. Limite dépassée signifie que la marge est négative. Ces seuils sont des repères d’interface, pas des règles universelles de qualification.
En mode ventilé, l’outil affiche aussi la TJ équivalente sans ventilation et la réduction estimée de Rθ. En mode dissipateur, il détaille TS et TC, ce qui facilite la comparaison avec des mesures.
7. Dimensions du boîtier et densité surfacique
L’option de dimensions calcule l’empreinte projetée :
A = longueur × largeur
Densité = P / A
L’outil l’exprime en W/cm² et en mW/mm². Cette valeur aide à comparer des composants ou à repérer une forte concentration de puissance, mais elle ne remplace pas la densité réelle dans le silicium : la puce active est souvent bien plus petite que le boîtier.
N’utilisez pas cette densité pour déduire directement une température. Deux boîtiers de même surface peuvent avoir des leadframes, pads exposés et chemins vers le PCB très différents.
8. Exemple complet : choisir un dissipateur
Un régulateur dissipe 4 W dans une armoire où l’air peut atteindre 50 °C. Sa limite est TJ,max = 150 °C et la fiche technique donne RθJC = 2 °C/W. L’interface choisie vaut environ RθCS = 0,5 °C/W. On souhaite conserver 20 °C de marge, donc viser TJ,cible = 130 °C.
La résistance totale admissible avec cette marge est :
Rθtotal,cible = (130 − 50) / 4 = 20 °C/W
RθSA,max = 20 − 2 − 0,5 = 17,5 °C/W
Un dissipateur annoncé à 12 °C/W dans l’orientation prévue donne :
Rθeffective = 2 + 0,5 + 12 = 14,5 °C/W
ΔT = 4 × 14,5 = 58 °C
TJ = 50 + 58 = 108 °C
Marge sous TJ,max = 42 °C
TS = 50 + 4 × 12 = 98 °C
TC = 98 + 4 × 0,5 = 100 °C
Le calcul paraît confortable vis-à-vis de TJ,max, mais le dissipateur approche 98 °C : les risques de contact, la température des composants voisins et le matériau du boîtier doivent aussi être examinés.
9. Résistance thermique Rθ et paramètres Ψ : ne pas les interchanger
Les fiches techniques publient parfois ΨJT ou ΨJB. Ce sont des paramètres de caractérisation thermique reliant la puissance à l’écart entre jonction et point mesuré dans une configuration donnée. Ils servent notamment à estimer TJ à partir d’une température mesurée sur le dessus du boîtier ou sur la carte :
TJ ≈ Ttop + ΨJT × P
ΨJT n’est pas RθJC. Les conditions aux limites et la répartition du flux sont différentes. Utiliser ΨJT dans la chaîne RθJC + RθCS + RθSA peut produire une erreur importante.
10. Régime permanent et transitoires
Le calculateur suppose que les températures sont stabilisées. Un composant soumis à une impulsion n’atteint pas immédiatement la température prédite par Rθ : sa masse thermique retarde l’échauffement. La fiche technique peut fournir Zθ(t), parfois normalisée par Rθ, pour calculer la réponse à une impulsion unique ou répétée.
Inversement, la température finale peut être sous-estimée si le test est arrêté trop tôt. Attendez l’équilibre thermique ou utilisez un modèle RC thermique à plusieurs constantes de temps.
Le modèle stationnaire ne capture pas :
- les points chauds internes et le partage non uniforme du courant ;
- les cycles de puissance et l’impédance Zθ(t) ;
- la variation des pertes avec TJ ;
- le rayonnement détaillé, la recirculation ou les conductions mécaniques ;
- l’échauffement mutuel entre composants ;
- l’arrêt thermique, le foldback ou la limitation de courant.
11. Concevoir au pire cas
- Calculez la dissipation maximale crédible avec les tolérances électriques.
- Utilisez la température ambiante locale maximale, y compris l’auto-échauffement de l’enceinte.
- Prenez les résistances thermiques maximales ou une marge sur les valeurs typiques.
- Vérifiez l’effet d’une ventilation réduite, d’un filtre encrassé ou d’un mauvais contact d’interface.
- Fixez une TJ,cible inférieure à la limite absolue selon la fiabilité recherchée.
- Analysez les transitoires séparément si la puissance varie rapidement.
- Validez aux coins de fonctionnement sur le produit assemblé.
Une résistance RDS(on), un courant de fuite ou une tension directe peut varier avec la température. Si les pertes augmentent avec TJ, recalculez itérativement jusqu’à convergence et vérifiez tout risque d’emballement thermique.
12. Mesurer et valider sur prototype
- Placez un thermocouple très fin au point recommandé, avec le minimum d’adhésif possible.
- Pour une caméra infrarouge, corrigez l’émissivité ; le métal brillant donne souvent une lecture fausse.
- Mesurez TA sans chauffer la sonde par rayonnement ou par conduction depuis la carte.
- Utilisez ΨJT si le fabricant autorise l’estimation par la température supérieure du boîtier.
- Lorsque le composant le permet, une diode interne ou un capteur intégré donne une meilleure estimation de la jonction.
- Testez dans l’enceinte finale, avec les câbles, capots, filtres, orientation et ventilateurs réels.
- Attendez la stabilisation et répétez à la tension, charge et température ambiante extrêmes.
Pièges fréquents
| Erreur | Conséquence | Bonne pratique |
|---|---|---|
| Entrer la puissance délivrée à la charge | Surestime ou sous-estime la chaleur du composant | Calculer ses pertes propres |
| Utiliser la température de la pièce comme TA | Ignore l’échauffement de l’enceinte | Mesurer l’air local ou l’entrée du dissipateur |
| Additionner RθJA et RθJC | Compte deux chemins incompatibles | Choisir RθJA seul ou la chaîne JC + CS + SA |
| Confondre ΨJT et RθJC | Conditions aux limites incorrectes | Utiliser chaque paramètre selon sa définition |
| Viser exactement TJ,max | Aucune réserve pour tolérances et transitoires | Définir une température cible plus basse |
| Croire qu’un débit d’air garantit la même Rθ partout | Ignore géométrie et recirculation | Utiliser courbe, CFD ou mesure |
| Appliquer Rθ au temps zéro | Ignore l’inertie thermique | Employer Zθ(t) pour les impulsions |
Outil associé
Ouvrir le Calculateur de température de jonction pour comparer l’air calme, un débit d’air et une chaîne avec dissipateur, puis lire la marge, la puissance admissible et la résistance thermique requise.
Guides associés
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- Rendement, pertes et autonomie — calculer la puissance qui devient de la chaleur.
- Cuivre PCB : épaisseur et poids — comprendre un paramètre important du chemin thermique dans la carte.
- MTBF et durée de vie utile — replacer la marge thermique dans une démarche de fiabilité.
Sources
- JEDEC JESD51 — famille de normes de mesure et de caractérisation thermique des boîtiers de composants électroniques.
- JEDEC JESD51-2A — mesure de la résistance thermique jonction-ambiante en convection naturelle.
- JEDEC JESD51-7 — carte d’essai pour la mesure thermique des boîtiers montés en surface.
- JEDEC JESD51-12 — recommandations d’utilisation et de communication des informations thermiques de boîtiers.
- Fiches techniques et notes d’application du composant, du matériau d’interface et du dissipateur retenus.