Conception de la dissipation thermique interne des PCB basée sur un modèle thermique

Le développement rapide de la technologie électronique entraîne une amélioration instantanée de la vitesse de calcul, de la fréquence de calcul et de l’intégrité des produits électroniques. De plus, avec la réduction du volume des produits électroniques, la densité de puissance volumique devient de plus en plus élevée. En outre, les orientations de développement vers la finesse, la légèreté et la miniaturisation font que les composants électroniques présentent une valeur calorifique unitaire de plus en plus élevée. Avec la mise à niveau des produits électroniques, leur fiabilité est gravement affectée en raison de l’augmentation rapide de la densité de flux thermique dans les circuits imprimés. Selon le principe des 10 degrés, chaque fois que la température augmente de 10 degrés Celsius, une partie des paramètres de certains composants diminue de moitié. D’après une étude, 55 % des dispositifs électroniques sont endommagés parce que la température dépasse la valeur nominale des composants. Par conséquent, une gestion raisonnabledisposition des composantset la dissipation thermique des circuits imprimés a été l’un des principaux éléments que les ingénieurs doivent prendre en compte.

La conception thermique des produits électroniques est généralement divisée en niveaux suivants : niveau système, niveau carte et niveau boîtier. La conception thermique au niveau de la carte fait référence à la conception thermique du radiateur,pochoir électroniqueet PCB. Cet article proposera une nouvelle méthode de dissipation thermique qui permet à la chaleur située au bas des composants d’être rapidement transférée vers l’extérieur et d’augmenter la surface de dissipation thermique des composants sans influencer le routage du PCB, afin de réduire la température des composants et les écarts de température. Comparée à la méthode traditionnelle de dissipation thermique, cette nouvelle méthode présente plusieurs caractéristiques, notamment des structures de dissipation thermique multiples, une réduction de la déformation thermique du PCB et une faible occupation de l’espace. La dissipation thermique globale du PCB est anisotrope en raison des multiples configurations des couches du PCB, incluant la couche supérieure, la couche inférieure et la couche de routage, ce qui entraîne de multiples caractéristiques telles que la teneur en cuivre, l’épaisseur de cuivre, les trous traversants et leurs positions. Sur la base d’un logiciel d’analyse thermique ainsi que de la forme physique et des caractéristiques thermiques des composants, cet article établira un modèle simplifié du PCB et des composants et examinera la longueur, la largeur et la quantité d’ailettes de refroidissement, avec des résultats expérimentaux obtenus par l’analyse de données de simulation dans différentes conditions.

Principes de l’analyse thermique

Théorie de l’analyse thermique àCarte PCBle niveau est basé sur les principes fondamentaux de la théorie du transfert de chaleur. La procédure de transfert de chaleur comporte trois modes de transfert de chaleur différents : la conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement thermique, parmi lesquels la conduction thermique est la principale méthode de dissipation thermique.

Selon la loi de Fourier sur la théorie du transfert de chaleur, à la couche différentielle de toute épaisseur dedle long de la direction dex, énergie passantdau temps unitaire est directement proportionnelle à la surfaceAdu taux de variation de la température, qui peut être exprimé par la formule.

Dans cette formule,Q(W) désigne l’énergie traversant la surfaceAà une unité de temps, ce qui est également le flux de chaleur.A(m²) désigne la surface de section transversale dans la direction de conduction.L(m) désigne la longueur du trajet de conduction.k[W/(m•°C)] est la conductivité thermique.Δ t(°C) est la différence de température entre les deux côtés ded.x(m) est le chemin du flux de chaleur. Le signe moins indique le sens opposé à la direction de transmission de la chaleur et à l’augmentation de la température.

Densité de flux de chaleurq(W/m²) désigne la quantité de flux de chaleur traversant une unité de surfaceAdans l’unité de temps, ce qui est montré dans la formule.

Les différents matériaux ont des conductivités thermiques différenteskdont la valeur élevée indique une excellente conductivité.

Théorie de la résistance thermique des PCB

Le PCB est un type de structure multicouche complexe dont la conduction thermique est anisotrope. En ce qui concerne l’analyse thermique des PCB, la structure des matériaux de chaque couche étant différente, il est difficile d’établir un modèle en raison du grand nombre de mailles et de la lenteur de la vitesse de calcul. Cet article utilise un modèle simplifié à l’aide d’un logiciel d’analyse thermique. Le modèle simplifié de PCB multicouche est présenté sur la Figure 1 ci-dessous.

Supposons que la couche de cuivre et la couche FR-4 aient la même épaisseur et que chaque couche ait le même espacement.k_nc’est une conductivité thermique normale etk_pc’est la conductivité thermique de chaque couche qui est utilisée pour décrire les performances thermiques du PCB. Les formules suivantes peuvent être utilisées pour calculer la valeur dek_netk_p.

Dans cette formule,δ_Cufait référence à l’épaisseur de chaque couche de cuivre ;k_Cuest la conductivité thermique du cuivre avec une valeur de 388 [W/(m•°C)] ;k_jest la conductivité thermique de chaque routage en cuivre ;δ_Fest l’épaisseur de chaque couche FR-4 ;k_Fest la conductivité thermique du FR-4 avec une valeur de 0,35 [W/(m•°C)] ;δ_PCBest l’épaisseur globale du PCB ;A_jest la surface totale du routage en cuivre sur la couchejLa résistance thermique du circuit imprimé est présentée dans le modèle simplifié de la Figure 2.

La température de la couche de surface du PCB et de la couche inférieure est respectivementt₁ett₂; la chaleur transmise totale estQ; la résistance totale estR; la résistance thermique de chaque couche à l’orientation de l’épaisseur estR₁,R₂etR₃et en longueurL₁,L₂etL₃; la surface du plateau estA. Sur la base de la Figure 2(a), l’orientation est supposée être uniquement verticale et la résistance thermique peut être calculée à l’aide de la formule suivante :
R₁= L₁(A•k₁)
R₂= L₂(A•k₂)
R₃= L₃(A•k₃)

D’après la Figure 2(b), l’orientation est supposée être uniquement horizontale et la résistance thermique peut être calculée à l’aide de la formule suivante :
R₁= L/(A₁•k₁)
R₂= L/(A₂•k₂)
R₃= L/(A₃•k₃)
1/R = 1/R₁+ 1/R₂+ 1/R₃

La résistance thermique globale selon les orientations verticale et horizontale peut être exprimée, en fonction de la connexion série-parallèle des résistances thermiques, par la formuleQ = (t₁- t₂)/R.

Sur la base de la formule ci-dessus, il est clair que la résistance thermique globale en orientation horizontale est bien inférieure à celle en orientation verticale. Par conséquent, si le cuivre est enfoui horizontalement sur le PCB, on obtiendra un meilleur effet de dissipation thermique. Un PCB double couche est choisi dans cet article comme objet d’analyse. La figure 3 montre le schéma du cuivre enfoui dans le PCB.

Analyse et vérification de la simulation

• Conception de modèle de PCB

La taille du modèle simplifié est indiquée dans le tableau ci-dessous.

Le composant est placé au centre du PCB dont la source de chaleur possède du cuivre enfoui en dessous. Des ailettes de refroidissement en cuivre sont enfouies à proximité du cuivre. La figure 4 est le modèle de simulation de dimensions 0,5 mm x 30 mm.

Un circuit avec un courant de 2 A est défini comme objet de simulation de sorte que la largeur de piste soit d’au moins 0,5 mm et le trou traversant de 0,5 mm. Les ailettes de refroidissement adjacentes au cuivre enterré doivent avoir un espacement minimal de 1 mm et la largeur des ailettes de refroidissement dans cet article est définie comme étant de 0,13 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm et 1 mm, et la longueur de 20 mm, 30 mm et 40 mm. Dans les conditions d’une largeur de 10 mm et d’un espacement inférieur à 1 mm, le nombre d’ailettes de refroidissement de différentes largeurs est indiqué dans le tableau ci-dessous.

• Analyse des résultats

Sur la base du tableau 2, on peut en déduire que les différences de largeur et de longueur des ailettes en cuivre entraînent toutes une forte augmentation de la température des composants des circuits imprimés. Cependant, dans l’application pratique, la longueur de circuit imprimé et la largeur des ailettes appropriées doivent être choisies en tenant compte des situations réelles et du coût du cuivre. La figure 5 est le graphique de la température la plus élevée des composants, tandis que la figure 6 est le graphique de la température la plus basse des composants.

D’après la tendance de variation indiquée par le graphique, on peut résumer que lorsque la largeur des ailettes est inférieure à 0,5 mm, la température des composants diminue fortement avec l’augmentation de la largeur des ailettes. La réduction de température devient stable lorsque la largeur dépasse 0,5 mm. Ainsi, la différence de température est la plus grande lorsque la largeur des ailettes est maintenue à 0,5 mm, avec le coût de matériau le plus faible. Avec l’augmentation du nombre d’ailettes de refroidissement, la température des composants diminue.

La température diminue dans la plus grande mesure, de plus de 5 °C, lorsque la longueur des ailettes est comprise entre 20 mm et 30 mm. La température diminue dans une moindre mesure, d’environ 2 °C, lorsque la longueur des ailettes est comprise entre 30 mm et 40 mm. Par conséquent, la réduction de la température est relativement importante lorsque l’on choisit des ailettes d’une longueur de 20 mm à 30 mm, avec un coût relativement faible. En tenant compte du fait que les ailettes de refroidissement de PCB ne peuvent être ni trop longues ni trop larges, il est approprié de choisir des ailettes d’une largeur de 0,5 mm et d’une longueur de 30 mm.

La figure 7 est le graphique de la répartition de la température de simulation du PCB sans cuivre enterré, tandis que la figure 8 est le graphique de la répartition de la température de simulation du PCB avec des ailettes dont la longueur est de 30 mm et la largeur de 0,5 mm.

Selon les deux figures, on peut constater que la température la plus élevée chute de 108,4 °C à 88,6 °C, avec une réduction de 18,5 %. La température la plus basse chute de 98,3 °C à 83,2 °C, avec une réduction de 15,3 %. D’après la comparaison du champ de température entre la Figure 7 et la Figure 8, le PCB avec cuivre enterré est capable de favoriser une répartition uniforme du champ de température et de réduire la différence de température des cartes, de sorte que les points chauds puissent être évités. Le PCB avec cuivre enterré réduit la température des composants, ce qui est bénéfique à l’amélioration de la dissipation thermique des composants sur le PCB, de sorte que la fiabilité des composants sera grandement augmentée.

À mesure que l’électronique s’améliore et que les dimensions diminuent, un contrôle thermique adéquat dans les circuits imprimés (PCB) est nécessaire pour garantir les performances et la fiabilité. De nouvelles méthodes, notamment l’utilisation de cuivre enfoui et d’ailettes de refroidissement optimisées, réduisent efficacement la température des composants et assurent une répartition adéquate de la chaleur sans formation de points chauds. Ces nouvelles méthodes augmentent la longévité des dispositifs électroniques en offrant des conditions de fonctionnement optimales.

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