Le taux de défaillance de nombreux composants électroniques augmente avec la température. C'est un problème qui pose un défi aux concepteurs, car l'augmentation de la densité des transistors signifie que les appareils génèrent plus de watts par cm² que jamais. Les techniques de modélisation CFD permettent de prédire l'efficacité des méthodes de dissipation thermique telles que la dispersion des composants et l'ajout de dissipateurs thermiques et de ventilateurs, mais les tests restent une étape essentielle.
Si les tests sur banc peuvent suffire pour certains composants et cartes, une meilleure approche consiste à les placer dans une soufflerie [des normes telles que NEBS (Network Equipment Building System) exigent des tests en soufflerie]. Les tests en soufflerie sont généralement associés à l'aérodynamique, mais ils constituent également une méthode de test électronique importante. Seule une soufflerie permet de contrôler le flux d'air afin d'évaluer les effets du refroidissement par ventilateur, par exemple.
Ce livre blanc d'OMEGA Engineering explore les utilisations des souffleries de laboratoire. Une attention particulière est accordée aux tests électroniques, mais son rôle dans l'étalonnage est également abordé. Les différentes sections traitent des points suivants :
- Nécessité de la gestion thermique
- NEBS
- Utilisation d'une soufflerie pour la vérification et les tests de modèles
- Les souffleries de laboratoire
Nécessité de la gestion thermique
À mesure que la densité des transistors augmente, les microprocesseurs consomment plus d'énergie et dégagent plus de chaleur. Le refroidissement est essentiel pour un fonctionnement fiable. C'est pourquoi les dissipateurs thermiques sont devenus plus grands, les ventilateurs de refroidissement plus puissants et les caloducs plus courants. Mais les processeurs ne sont pas la seule source de chaleur. Tous les composants électroniques actifs génèrent de la chaleur, et la conception des circuits modernes les regroupe en densités plus élevées.
La fiabilité des composants électroniques est inversement proportionnelle à la température de fonctionnement, donc plus de chaleur nécessite plus de refroidissement. Pour une fiabilité à long terme, les températures de jonction des composants doivent être maintenues en dessous de 75 °C (167 °F). Historiquement, les principales méthodes utilisées à cette fin étaient la convection et la ventilation forcée. Dans les appareils où la fiabilité n'est pas une préoccupation majeure, ces méthodes ont été suffisantes, mais l'augmentation de la production de chaleur est en train de changer la donne.
Certaines applications, en particulier celles où les garanties et les cycles de vie sont longs, exigent des niveaux de fiabilité très élevés. Il s'agit de situations où l'accès est difficile et coûteux, ou où les temps d'arrêt entraînent des coûts élevés ou des pertes de revenus. Le réseau téléphonique public commuté (RTPC) est l'un de ces secteurs industriels. Des organisations telles que Bell, et aujourd'hui Telcordia, accordent une grande importance à la fiabilité des composants électroniques pendant une période de 20 ans ou plus.
NEBS
Afin de garantir la fiabilité des commutateurs réseau sur de longues périodes, Bell Labs a développé dans les années 1970 un ensemble de normes connues sous le nom de critères NEBS. Bien qu'elles soient aujourd'hui plus communément appelées « exigences génériques » (GR), elles restent les principales normes régissant les performances des équipements de télécommunications. La FCC exige des niveaux de disponibilité très élevés pour le PSTN, ce qui a motivé le développement des normes NEBS. Même lorsque leur utilisation n'est pas obligatoire, comme dans les réseaux sans fil, les opérateurs de systèmes préfèrent les utiliser en raison de leur très grande fiabilité démontrée.
Au fil des ans, d'autres pays ont adopté des normes similaires. Au sein de l'UE, par exemple, l'équivalent des normes NEBS est constitué par les normes de l'Institut européen des normes de télécommunication (ETSI).
Utilisation d'une soufflerie pour la vérification et les essais des modèles
Dans tout processus de développement, il est important d'identifier les problèmes dès le début, de préférence avant d'investir dans l'outillage et la fabrication. Cela réduit le risque d'échecs lors des essais, qui obligent souvent à procéder à une refonte coûteuse et précipitée et entraînent des retards de lancement. La chaleur étant un facteur très important dans la conception électronique, il est devenu courant de construire des modèles CFD avant de fabriquer les composants physiques et les cartes. Ceux-ci permettent d'étudier les flux thermiques dans les conceptions concurrentes et contribuent ainsi à améliorer la fiabilité.
Cependant, quel que soit le niveau de modélisation atteint, la vérification reste une étape essentielle. C'est là que la soufflerie devient un équipement indispensable.
Dans une soufflerie de laboratoire, les composants et les cartes peuvent être montés dans un flux d'air et équipés de thermocouples. La carte ou le composant peut être mis sous tension et soumis à des tests générateurs de chaleur, les températures obtenues étant enregistrées pour être comparées aux prévisions du modèle. Il est également possible de placer côte à côte des prototypes concurrents (tels que des dissipateurs thermiques) afin de comparer directement leurs performances. Dans certaines souffleries, l'air peut être chauffé à une température spécifique afin de tester les performances dans des conditions environnementales variables (ceci est important pour les NEBS, où des performances fiables sur batterie sans système de refroidissement sont hautement souhaitables).
Utilisation d'une soufflerie pour l'étalonnage
Mini-soufflerie de laboratoire Les souffleries de laboratoire ont d'autres utilisations que la vérification des modèles CFD. Elles peuvent servir à calibrer les capteurs d'air et de température, ainsi que les anémomètres. Il peut s'agir d'anémomètres à ailettes, à fil chaud ou à tube de Pitot.
Les souffleries de laboratoire peuvent également être utilisées pour générer des courbes P-Q pour les ventilateurs. Les courbes P-Q caractérisent les performances des ventilateurs et constituent donc un critère de sélection important.
Les souffleries utilisées pour l'étalonnage des anémomètres sont de grands tubes dans lesquels circule de l'air. Elles sont équipées d'un ventilateur qui fait circuler l'air. Le ventilateur doit être équipé d'ailettes de redressement afin de lisser le flux d'air. L'instrument testé est placé au milieu de la soufflerie et fixé de manière à ne pas bouger.
Plusieurs exigences doivent être prises en compte pour l'étalonnage des anémomètres :
- Tous les transducteurs et équipements de mesure doivent avoir des étalonnages traçables. Les certificats et rapports d'étalonnage doivent contenir toutes les informations pertinentes en matière de traçabilité.
- Avant chaque étalonnage, la configuration doit être vérifiée au moyen d'un étalonnage comparatif d'un anémomètre de référence.
- La répétabilité de l'étalonnage doit être vérifiée.
- Une évaluation de l'incertitude de mesure doit être effectuée conformément aux lignes directrices.
Il est important de s'assurer que l'anémomètre n'est pas influencé par la présence d'un équipement de mesure de la vitesse du vent de référence.
Souffleries de laboratoire actuellement disponibles sur le marché
Une gamme complète de souffleries de laboratoire est actuellement disponible sur le marché. Elles vont des modèles compacts et peu coûteux à ceux de qualité recherche. Toutes intègrent des caractéristiques visant à minimiser les turbulences de l'air, telles que des structures en nid d'abeille, et sont conçues pour offrir une précision élevée et une répétabilité élevée.
Il existe une soufflerie pour l'évaluation thermique des cartes de circuits imprimés, des dissipateurs thermiques, des composants et les étalonnages des capteurs de vitesse de l'air. Elle est équipée d'une chambre d'essai en polycarbonate transparent de 43 x 8,25 cm de section transversale et est alimentée par quatre ventilateurs délivrant jusqu'à 5 m/s (1000 ft/min). Un logiciel est disponible pour contrôler précisément le débit d'air à partir d'un PC, à l'aide du câble USB fourni.
Idéales pour les tests NEBS, les souffleries à boucle fermée de qualité laboratoire recyclent l'air plutôt que de l'expulser dans la pièce. Cette conception est avantageuse lors du test de cartes et de composants dans de l'air chaud, car elle permet d'atteindre rapidement la température souhaitée et offre une bonne stabilité thermique. La section d'essai en polycarbonate mesure 41,8 x 22,5 x 8,9 cm. Des vitesses d'air allant jusqu'à 7 m/s (1200 pi/min) peuvent être programmées via le contrôleur et l'air peut être chauffé à 85 °C avec une précision de ±1 °C.
La plus grande soufflerie à boucle ouverte dispose d'une section d'essai en plexiglas mesurant 60,9 x 40,6 x 8,2 cm, ce qui la rend suffisamment grande pour accueillir deux dissipateurs thermiques côte à côte. Les ventilateurs sont montés sur des plateaux afin de pouvoir être remplacés pour fournir des débits d'air pouvant atteindre 10 m/s (2000 pi/min). La conception en boucle ouverte peut également être utilisée pour générer des courbes P-Q ainsi que pour tester des cartes de circuit imprimé et des composants.
Une unité légèrement plus grande est une soufflerie entièrement contrôlable pour les tests thermiques et de débit d'air de plusieurs cartes de circuit imprimé. Elle peut accueillir jusqu'à six cartes de circuit imprimé à la fois, ce qui permet de tester leur distribution thermique et de caractériser les pertes de charge. La section d'essai en plexiglas mesure 60,9 x 46,9 x 7,6 cm. Des débits d'air pouvant atteindre 10 m/s (2 000 pi/min) sont possibles. Les ventilateurs sont montés sur des plateaux afin de pouvoir être remplacés pour fournir le débit d'air obligatoire.
A slightly larger unit is a fully controllable wind tunnel for thermal and air flow testing of multiple PCBs. It can accommodate up to six PCBs at once, allowing testing of their thermal flow distribution and for pressure drop characterization. The Plexiglas test section measures 60.9 x 46.9 x 7.6 cm. Air flows up to 10 m/s (2,000 ft. / min) are possible. Fans are tray-mounted so they can be changed to provide the air flow required.
Essais en soufflerie pour la fiabilité
La soufflerie du laboratoire est principalement utilisée pour caractériser et vérifier la modélisation des performances thermiques des composants électroniques et des cartes de circuit imprimé. Cela est très important pour garantir les basses températures nécessaires à un fonctionnement fiable, et particulièrement important pour le matériel soumis aux normes NEBS ou similaires.
