Les principes les plus complets de conception thermique pour les PCB

On estime que plus de la moitié des composants électroniques tombent en panne en raison de contraintes élevées résultant de l’environnement thermique. Ces dernières années ont vu une large utilisation de circuits intégrés (CI) à grande échelle et à très grande échelle, ainsi que de la technologie de montage en surface (SMT), et les produits électroniques ont commencé à s’orienter vers des développements axés sur la miniaturisation, la haute densité et la haute fiabilité. En conséquence, les systèmes électroniques exigent des performances thermiques de plus en plus élevées. Après tout, née avec l’essor des produits électroniques, la gestion thermique joue un rôle crucial dans la détermination des performances et des fonctions des systèmes électroniques.

En tant qu’ossature des dispositifs électroniques, la conception rationnelle des PCB (circuits imprimés) garantit leurs hautes performances. Si la conception du PCB ne parvient que partiellement, voire pas du tout, à satisfaire les exigences thermiques, les dispositifs électroniques seront inévitablement exposés à un risque de détérioration, voire de défaillance. L’augmentation constante de l’intégration des modules de circuit et l’utilisation massive des circuits intégrés (CI) et des modules multichips (MCM) contribuent à l’amélioration de la densité d’assemblage des composants, ce qui entraîne ensuite une densité plus élevée de flux thermique sur les PCB. Des PCB de haute qualité ne résultent pas seulement d’un routage et d’une implantation précis et rationnels, mais dépendent également d’une grande fiabilité thermique pour un fonctionnement sûr. Par conséquent, il est particulièrement important de mettre en œuvre des règles complètes de dissipation thermique et d’analyse thermique sur les PCB. Cet article commence par des principes de conception thermique de base et présente des règles de conception thermique conviviales pour les ingénieurs, afin de faciliter leur application par les concepteurs en électronique dans leur travail.

Principes fondamentaux de la conception thermique

La conception thermique est basée sur la théorie fondamentale du transfert de chaleur et de la mécanique des fluides. Lorsqu’il existe une différence de température, il y a un transfert de chaleur de la zone à haute température vers la zone à basse température. Le transfert de chaleur peut être réalisé par conduction thermique, convection thermique et rayonnement thermique.

La formule du transfert de chaleur est affichée comme suit :φ = K A Δt, dans lequelφreprésente la quantité de transmission de chaleur dont l’unité estW,Kdésigne le coefficient de transmission thermique dont l’unité estW/(m²x K),Adésigne la surface de transmission de chaleur dont l’unité est m²etΔtreprésente la différence de température entre le fluide thermique et le fluide froid dont l’unité estK.

La conception thermique des circuits imprimés est définie comme le processus par lequel la résistance thermique entre la source de chaleur et l’espace de dissipation de chaleur est réduite au minimum grâce à des mesures de refroidissement, en utilisant les propriétés de transmission thermique, ou bien la densité du fluide caloporteur est maintenue dans une plage acceptable. Afin de garantir sa fiabilité, des mesures de conception thermique efficaces doivent être prises sous les angles suivants, notamment :
a.Refroidissement naturel, qui conduit la chaleur sans force extérieure. Il comprend la conduction thermique, le transfert de chaleur par rayonnement et le transfert par convection naturelle.
b.Refroidissement par air forcéIl fait circuler l’air de refroidissement à travers les dispositifs ou composants électroniques, transférant la chaleur de la source chaude vers le dissipateur thermique au moyen d’un ventilateur ou de l’air dynamique.
c.Refroidissement par fluide. Il existe deux méthodes de refroidissement par fluide :
1). Le refroidissement direct par fluide désigne le procédé par lequel les composants sont directement immergés dans le fluide de refroidissement.
2). Le refroidissement indirect par fluide désigne le processus au cours duquel les composants ne sont pas directement en contact avec le fluide de refroidissement. Cependant, le refroidissement est réalisé au moyen d’un échangeur de chaleur ou d’une plaque froide.
d.Refroidissement par évaporationActuellement, c’est la méthode de conduction thermique la plus efficace. La transmission thermique est obtenue par ébullition du fluide de refroidissement.
e. Autres types de mesures de refroidissement :thermotube,plaque froide,réfrigération thermoélectrique.

Dans le processus de gestion thermique, des mesures de conception thermique appropriées peuvent être prises en fonction des conditions pratiques telles que l’environnement de fonctionnement réel (température, humidité, pression atmosphérique, poussière, etc.), la densité de fluide thermique à bord, la densité de puissance volumique et la consommation totale de puissance, la surface, le volume, le dissipateur thermique et d’autres conditions particulières, afin de garantir une répartition uniforme de la température et une élévation de température raisonnable dans les limites réglementaires.

Règles de conception thermique

L’objectif général de la conception thermique est de contrôler la température de tous les composants électroniques assemblés sur les cartes de circuits imprimés à l’intérieur des produits électroniques, afin d’assurer la stabilité des performances électriques, d’éviter ou de réduire la dérive thermique des paramètres électriques, de diminuer le taux de défaillance de base des composants et de faire en sorte que la température dans l’environnement de fonctionnement ne dépasse pas la température maximale admissible. Cet article décrit les règles de conception thermique des PCB sous trois angles : l’utilisation des composants sur les PCB, la conception thermique des PCB, l’assemblage des composants et l’implantation des PCB.

a.Utilisation de composants électroniques

1). Comment contrôler la température de fonctionnement des composants ?

La température est le premier élément influençant les performances des composants et leur taux de défaillance. La température maximale de fonctionnement admissible et la consommation électrique doivent être déterminées en fonction du niveau de fiabilité requis et du taux de défaillance réparti de chaque composant. Le tableau 1 présente les valeurs de la température maximale de surface admissible des composants du point de vue de la fiabilité dans la conception thermique.

2). Comment contrôler la température de jonction des composants ?

La température de jonction d’un composant dépend de sa propre consommation d’énergie, de sa résistance thermique et de la température ambiante. Ainsi, les mesures permettant de maintenir la température de jonction dans une plage admissible comprennent :
• Les composants ayant une faible résistance thermique interne sont sélectionnés.
• Le déclassement est utilisé pour réduire l’élévation de température.
• Les circuits, en particulier ceux contenant des composants de puissance, doivent s’appuyer sur une conception thermique élaborée pour garantir leur fiabilité, conformément aux directives décrites dans le manuel standard.

3). Comment concevoir le déclassement lors de l’utilisation des composants ?

En fonction des besoins, une conception de déclassement peut être mise en œuvre dans l’utilisation pratique afin que les composants fonctionnent dans des conditions inférieures à leurs paramètres nominalisés (puissance, tension, courant), de sorte que l’élévation de température et le taux de défaillance soient considérablement réduits.

b.Règles de conception thermique des PCB

L’assemblage vertical des circuits imprimés est bénéfique pour la dissipation thermique et la distance entre les cartes doit être maintenue à au moins 20 mm. Les règles de conception thermique des cartes comprennent :
1). Un matériau doté d’une résistance aux hautes températures et d’un paramètre de conduction élevé est choisi comme matériau de substrat des circuits imprimés. Pour les circuits à forte puissance et haute densité, l’aluminium et la céramique peuvent être utilisés comme matériaux de substrat en raison de leur faible résistance thermique (PCBCart est tout à fait capable de fabriquer des circuits imprimés avec ces matériaux de substrat. Vous pouvez envoyer vos fichiers de PCB ainsi que vos exigences de quantitésur cette pagepourDevis pour circuits imprimés à base d’aluminium et à base de céramique).
2). La structure multicouche est un choix optimal pour la dissipation thermique des circuits imprimés.
3). Pour améliorer la capacité de conduction thermique des circuits imprimés, il est préférable d’utiliser des cartes dissipant la chaleur. Une carte à noyau métallique peut être utilisée danscircuits imprimés multicouchesafin d’obtenir une excellente dissipation thermique entre la carte, les dispositifs de support et les dispositifs de dissipation de chaleur. Un revêtement de protection et un matériau d’encapsulation peuvent être utilisés, si nécessaire, pour accélérer la transmission thermique vers les dispositifs de support ou les dispositifs de dissipation de chaleur.

4). Afin d’augmenter la capacité de dissipation thermique des circuits imprimés, on peut utiliser une barre omnibus, qui peut être considérée comme un excellent radiateur et est capable d’améliorer les performances anti‑interférences des circuits imprimés.
5). Pour améliorer la capacité de dissipation thermique des circuits imprimés, l’épaisseur du feuillard métallique doit être augmentée et le conducteur interne doit utiliser un feuillard métallique de grande surface. De plus, la largeur des lignes de masse doit être correctement augmentée, car des lignes de masse de grande surface sont à la fois capables d’accroître la capacité d’anti‑interférence et la capacité de dissipation de chaleur.

c.Assemblage des composants et routage PCB

Disposition des composantsest tout à fait essentiel pour les performances thermiques des PCB, en particulier ceux qui sont placés verticalement. La direction d’assemblage des composants doit être conforme aux caractéristiques d’écoulement du fluide de refroidissement afin de lui offrir la moindre résistance. Les règles applicables aux composants en termes d’assemblage et d’implantation comprennent :

1). Pour les produits utilisant une méthode de refroidissement par air à convection naturelle, il est préférable de disposer les circuits intégrés (IC) ou autres composants dans le sens de la longueur, comme dans l’exemple présenté à la Figure 2 ci-dessous. Pour les produits utilisant une méthode de refroidissement par air forcé, il est préférable de disposer les circuits intégrés (IC) ou autres composants dans le sens longitudinal, comme dans l’exemple présenté à la Figure 3 ci-dessous.

2). Les composants sur le même PCB doivent être classés et placés en fonction de leur production de chaleur et de leur niveau de dissipation thermique. Les composants à faible production de chaleur ou à faible résistance à la chaleur (petits transistors de signal, circuits intégrés de petite échelle, condensateurs électrolytiques, etc.) doivent être placés en amont (à l’entrée), tandis que les composants à forte production de chaleur ou à haute résistance à la chaleur (transistors de puissance, circuits intégrés de très grande échelle, etc.) doivent être placés en aval. À la périphérie des amplificateurs à petits signaux, il convient de placer des composants à faible dérive de température, et les condensateurs à milieu liquide doivent être éloignés de la source de chaleur.
3). Dans la direction horizontale, les composants à haute fréquence doivent être disposés à proximité du bord des circuits imprimés afin de minimiser le trajet de transmission de la chaleur. Dans la direction verticale, les composants à haute fréquence doivent être disposés près de la partie supérieure des circuits imprimés afin de réduire leur influence sur la température des autres composants.
4). Les composants sensibles à la température doivent être disposés dans la zone où la température est la plus basse, comme le bas d’un produit. Ils ne doivent pas être placés juste au-dessus de composants générant de la chaleur et doivent être éloignés de ces composants ou en être isolés.
5). Les composants ayant la plus forte consommation d’énergie et la plus grande génération de chaleur doivent être disposés à proximité du meilleur emplacement pour la dissipation thermique. Ne placez jamais des composants à haute température dans les coins ou sur les bords, sauf si des radiateurs sont disposés autour d’eux. Lors de l’implantation des résistances de puissance, il convient de sélectionner des composants relativement volumineux et de leur laisser un espace de dissipation thermique suffisant au cours du processus de routage du PCB.
6). La puissance doit être répartie uniformément sur les circuits imprimés afin de maintenir l’équilibre et la conformité et d’éviter la concentration de points chauds. Il est difficile d’atteindre une uniformité stricte, mais les zones avec une puissance extrêmement élevée doivent être évitées, car des points en surchauffe pourraient perturber le fonctionnement normal de l’ensemble du circuit.
7). Dans le processus de conception de PCB, le chemin d’écoulement de l’air doit être pleinement pris en compte et les composants doivent être disposés de manière raisonnable. L’air a tendance à s’écouler vers les zones offrant peu de résistance, il faut donc éviter de laisser des espaces d’air relativement grands lors de l’agencement des composants sur les PCB.
8). La technologie d’assemblage thermique doit être appliquée sur les circuits imprimés afin d’obtenir un effet de dissipation de chaleur relativement satisfaisant. Plus de la moitié de la chaleur générée par des composants tels que les circuits intégrés (CI) et les microprocesseurs est transmise aux PCB par leurs propres broches, dont les trous de montage doivent être des trous métallisés. Ces composants peuvent également être directement montés sur une tige ou une plaque de conduction thermique afin de réduire la résistance thermique causée par les composants.
9). La résistance thermique doit être réduite autant que possible dans les connexions entre les composants à forte dissipation de chaleur et les circuits imprimés (PCB). Afin de répondre aux exigences en matière de caractéristiques thermiques, certains matériaux de conduction thermique peuvent être utilisés sous la puce et la dissipation de chaleur des composants dans la zone de contact doit être maintenue.
10). Les broches des composants doivent être raccourcies lors de la connexion des composants et des circuits imprimés. Lors du choix de composants à forte consommation d’énergie, il convient de prendre en compte la conductivité du matériau des broches. Si possible, choisissez des composants dont les broches ont une plus grande section transversale et qui possèdent le plus grand nombre de broches.

d.Autre exigence
1). Boîtier du composant : le type de boîtier du composant et le taux de conduction thermique doivent être pris en compte dans la conception thermique du PCB. Un chemin de conduction thermique peut être prévu entre le substrat et le boîtier du composant, et toute discontinuité (rupture d’air) sur le chemin de conduction thermique doit être évitée.
2). Méthode technique : une température locale élevée peut se produire dans les zones où des composants sont présents sur les deux faces de la carte. Afin de modifier les conditions de dissipation thermique, on peut ajouter de fines particules de cuivre dans la pâte à braser de manière à ce que les points de soudure s’élèvent à une certaine hauteur sous les composants. L’espace d’air entre les composants et le PCB est ainsi augmenté, ce qui améliore la convection thermique.
3). Trous de dissipation thermique : certains trous de dissipation thermique et trous borgnes peuvent être disposés sur les PCB afin d’augmenter efficacement la surface de dissipation de chaleur, de réduire la résistance thermique et d’augmenter la densité de puissance des PCB.

Analyse thermique

Sur la base du transfert de chaleur numérique, l’analyse thermique, dont les méthodes de calcul numérique comprennent principalement la méthode des différences finies, la méthode des éléments finis et la méthode des éléments de frontière, se réfère au processus de simplification des modules, d’établissement de modèles mathématiques, de résolution d’équations non linéaires, d’élaboration et d’ajustement de la procédure analytique et du calcul, ainsi que de la mesure et de l’essai des paramètres thermiques.

En tant qu’aspect fondamental de la conception thermique, l’analyse thermique est une méthode importante pour évaluer l’importance de la conception thermique. L’analyse thermique des PCB fait référence au processus d’établissement du modèle thermique des composants et de définition des paramètres de contrôle de la simulation en fonction de la structure etmatière première des circuits imprimés, le type de boîtier des composants et l’environnement de fonctionnement du PCB afin d’estimer les valeurs des comportements thermiques des PCB. L’analyse thermique doit être effectuée dès la phase de conception, avant le routage, et tout au long du processus de conception du PCB.

Les valeurs de la température des composants, de la température de la carte et de la température du flux d’air peuvent être obtenues à partir de l’analyse thermique, affichant les caractéristiques thermiques des circuits imprimés sous forme d’images en couleur, de graphiques visuels d’isothermes de température ou de données spécifiques.

Sur la base des résultats de l’analyse thermique, les problèmes thermiques du PCB peuvent être rapidement identifiés, des mesures appropriées peuvent être prises en temps voulu et les zones denses à haute température peuvent être éliminées, ce qui permettra de déterminer le chemin de conduction de la chaleur, d’optimiser la position des composants clés, ainsi que la forme et la taille du radiateur afin de tirer pleinement parti du taux de dissipation thermique, d’augmenter l’efficacité de transmission de la chaleur des trous de dissipation et des radiateurs, et de déterminer l’espacement entre les cartes et les composants sur les cartes.

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La gestion thermique doit être optimisée pour répondre aux exigences de performance et de fiabilité de l’électronique actuelle, alors que les dispositifs deviennent plus petits et plus intégrés. Une conception efficace des circuits imprimés, associée à des techniques de refroidissement intelligentes et à un positionnement judicieux des composants, est nécessaire afin d’éviter la surchauffe des dispositifs et de permettre aux systèmes électroniques de fonctionner plus longtemps. Grâce à des méthodes sophistiquées de conception thermique, les ingénieurs peuvent garantir un fonctionnement fiable même dans des conditions sévères de stress thermique, protégeant ainsi les dispositifs contre d’éventuelles défaillances.

PCBCart, fort de nombreuses années d’expérience dans la fabrication de circuits imprimés, est spécialisé dans la création de cartes à haute performance offrant une excellente gestion thermique. Avec des clients dans le monde entier, nous proposons des circuits imprimés personnalisés dotés de technologies de refroidissement de pointe, adaptées à vos besoins spécifiques. Notre engagement envers la qualité et l’innovation garantit que vos produits électroniques fonctionnent de manière fiable, même dans des conditions extrêmes.

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