L’effet Joule est l’un des principaux phénomènes qui se produisent dans les équipements électroniques lorsque l’énergie électrique est convertie en énergie thermique. En résumé, l’effet Joule correspond à la génération de chaleur qui apparaît lorsqu’un courant électrique traverse un élément de circuit entre deux points caractérisés par une certaine différence de potentiel.

Dans certains cas, l’effet Joule est intentionnel, comme dans les fusibles, les sèche-cheveux ou les fours électriques, mais dans la plupart des situations, il s’agit d’une conséquence inévitable du passage du courant, produisant une chaleur non désirée et potentiellement nocive. Pour les acteurs de la simulation thermique dans la conception d’appareils électroniques, c’est un sujet à comprendre en profondeur au sein d’un environnement de conception 3D.

L’effet Joule peut être analysé et maîtrisé efficacement à l’aide d’un outil tel que Simcenter FloTHERM XT, le logiciel de simulation thermique intégré à PADS Professional, la suite de conception PCB développée par Mentor et Siemens pour les petites et moyennes entreprises de conception électronique. Dans les dernières versions de FloTHERM XT, les conditions aux limites électriques sont appliquées sur la périphérie d’une représentation solide 3D du conducteur. Le processus de simulation électro-thermique 3D calcule ensuite le courant, le potentiel et la tension, et utilise la puissance de chauffage par effet Joule comme source, cellule par cellule, pour obtenir la distribution de température.

Les principaux domaines d’application de la simulation de la chaleur générée par l’effet Joule incluent les jeux de barres (busbars), les substrats de puissance et les plans de masse de BGA, ainsi que les leadframes et les fusibles. Ce sont des cas où la chaleur liée à la résistance électrique joue un rôle dominant dans la dissipation totale de puissance.

Ci-dessous, nous voyons un exemple simple d’un fusible monté sur un PCB. La cartouche du fusible a été omise pour plus de clarté. Une valeur de courant est définie sur la face de la piste menant au fusible, et une valeur de tension fixe est définie sur le bord du plan de masse situé sur la face inférieure du PCB. Un via relie la piste au retour vers la masse.

Ci-dessous, nous voyons un exemple simple d’un fusible monté sur un PCB. La cartouche du fusible a été omise pour plus de clarté. Une valeur de courant est définie sur la face de la piste menant au fusible, et une valeur de tension fixe est définie sur le bord du plan de masse situé sur la face inférieure du PCB. Un via relie la piste au retour vers la masse.

La vitesse des flèches est donnée par la densité de courant, qui est elle-même étroitement liée à la dissipation de puissance et à la température qui en résulte. Notez la densité de courant élevée à l’intérieur de l’élément fusible enroulé, obtenue par conception. FloTHERM XT peut également déterminer la dissipation de puissance résultante due à l’échauffement par effet Joule. S’agissant d’une simulation 3D, la densité de puissance est exprimée en puissance par volume, ici en W/mm³.

La température obtenue est l’élément le plus intéressant. Les températures les plus élevées, apparaissant dans la section centrale du fusible, ont été détectées ici.

Le rôle joué par le fusible implique un couplage entre les mondes électrique et thermique. Une augmentation de température entraîne une augmentation de la résistivité électrique, ce qui augmente à son tour la densité de courant, ce qui augmente la puissance de chauffage par effet Joule, ce qui augmente la température, et ainsi de suite. Si la chaleur est évacuée suffisamment rapidement, un équilibre est atteint et les conditions se stabilisent à une élévation de température constante. Si le couplage est trop fort, notamment en conditions de courant élevé, la température peut s’emballer, jusqu’à ce que le fusible fonde. FloTHERM XT est capable de gérer ce couplage grâce à la prise en compte de propriétés matériau telles que la résistivité électrique dépendante de la température.

L’autre exemple présenté met en évidence les effets de l’échauffement par effet Joule dans le réseau de distribution de puissance (PDN) d’un PCB. FloTHERM dispose d’une technologie unique permettant de représenter ces géométries complexes, définies en 3D au sein d’un logiciel EDA (dans ce cas PADS Professional), et de les intégrer dans une simulation d’échauffement par effet Joule.

Le résultat se traduit par des diagrammes illustrant la distribution de tension (plus ou moins uniforme, puisque le PDN fonctionne comme prévu en fournissant la différence de potentiel), l’amplitude de la densité de courant, la dissipation de puissance liée à l’effet Joule, et enfin la température résultante.

Dans ce cas précis, l’élévation de température de l’environnement est très faible. Dans l’électronique numérique « typique », c’est la dissipation de puissance au niveau de la puce (die) des composants actifs qui domine le comportement thermique du système, et non l’échauffement par effet Joule au sein des réseaux de distribution de puissance (PDN).