Température des PCB : Conseils pour améliorer la gestion thermique des circuits imprimés

La gestion thermique est d’une importance capitale lors de la conception des circuits imprimés. En effet, la température des CI garantit la fiabilité, les performances et la longévité des circuits imprimés ainsi que de l’équipement électronique dont ils font partie intégrante. Ainsi, une gestion améliorée de la chaleur des circuits imprimés est indispensable pour un fonctionnement fiable et pour protéger les composants électroniques contre les dommages.

Dans le chapitre suivant, nous aborderons plusieurs approches pour renforcer la gestion de la température des circuits imprimés.

Causes de la génération de chaleur

Il existe diverses raisons pour lesquelles de la chaleur est produite sur un circuit imprimé (PCB). Par exemple, la dissipation de puissance, l’effet Joule, une conversion d’énergie inefficace, le fonctionnement à haute fréquence et une gestion thermique insuffisante. Des températures excessives peuvent nuire à la fonctionnalité, la fiabilité et la durabilité des composants électroniques sur un PCB. Pour contrôler efficacement la température et garantir un fonctionnement optimal du circuit imprimé, une conception thermique appropriée est également obligatoire.

Conseils pour améliorer la gestion thermique des circuits imprimés

· Conseil 1 : Placement des composants

Une stratégie permettant de réduire significativement la concentration de chaleur consiste à disposer les composants sur le PCB selon une conception et un emplacement appropriés. Plus précisément, les composants générant de la chaleur doivent être placés près des ventilateurs ou des dissipateurs, ou d’autres dispositifs de refroidissement, et dans des zones bien ventilées. De plus, nous devons veiller à ne pas placer trop près les uns des autres des pièces ayant des exigences thermiques différentes. Plus précisément, il n’est pas possible de placer côte à côte des composants à forte charge thermique ou électrique. Ils doivent être séparés d’au moins 20 mm. Cela permet d’éviter une charge thermique locale excessive sur le PCB. Et placer les composants trop près ne provoque pas seulement une charge thermique, mais peut aussi causer des problèmes d’interférence. Cela peut entraîner du bruit, des problèmes d’intégrité du signal et d’autres soucis. En outre, nous pouvons regrouper les composants à haute puissance et veiller à ce qu’un espace suffisant les sépare pour permettre une dissipation thermique adéquate.

Autrement dit, des températures élevées peuvent accélérer le vieillissement, dégrader les performances et même provoquer des défaillances prématurées. La longévité et le fonctionnement fiable des composants sont assurés en les maintenant dans leur plage de température de fonctionnement sûre grâce à une gestion thermique efficace.

· Conseil 2 : Choix du dissipateur – Méthode de refroidissement passive

Un dissipateur est un dispositif de gestion thermique passive qui utilise la conduction thermique pour absorber et dissiper la chaleur produite par les éléments électroniques sur les circuits imprimés. Les dissipateurs sont généralement fabriqués dans un matériau thermoconducteur, tel que l’aluminium ou le cuivre, et possèdent des ailettes ou d’autres surfaces étendues. Ces ailettes augmentent considérablement la surface disponible pour le transfert de chaleur. Ainsi, les concepteurs peuvent augmenter la surface de refroidissement effective en fixant un dissipateur au composant, ce qui permet de transférer la chaleur vers l’air ambiant plus efficacement.

De plus, en augmentant la surface du dissipateur, le refroidissement par convection est favorisé. L’air ambiant entre en contact avec les ailettes ou la surface étendue lorsque la chaleur est transmise au dissipateur. Cela favorise une meilleure convection, qui aide à l’écoulement de l’air et à la dissipation thermique. Autrement dit, la chaleur est évacuée par l’air circulant, ce qui abaisse la température des radiateurs et de leurs composants connectés. De plus, nous pouvons choisir d’utiliser un matériau d’interface thermique de haute qualité, tel que de la pâte thermique ou un pad thermique, entre le composant et le dissipateur. C’est parce que le TIM remplit les micro-cavités d’air et améliore la conductivité thermique, ce qui améliore la transmission de chaleur entre les composants et les dissipateurs. En outre, pour répondre à des besoins de refroidissement particuliers, nous pourrions occasionnellement avoir besoin d’un dissipateur spécialement conçu. Pour concevoir et optimiser des dissipateurs pour des applications spécifiques, nous pouvons collaborer avec des ingénieurs thermiques ou des fabricants de dissipateurs.

· Conseil 3 : Choix du matériau du PCB

Tout d’abord, il est possible d’utiliser des matériaux à haute conductivité thermique, qui évacuent efficacement la chaleur des composants à haute puissance. Le cuivre étant un excellent conducteur de chaleur, il est largement utilisé dans ce cas. De plus, les circuits imprimés à cœur métallique (MCPCB) en cuivre ou en aluminium peuvent améliorer les performances thermiques. Nous pouvons également choisir des matériaux dont le coefficient de dilatation thermique est similaire à celui du composant, réduisant ainsi les contraintes thermiques et évitant les défaillances mécaniques dues aux changements de température. Lorsque les coefficients ne correspondent pas, il peut y avoir un risque de défaillance des joints de soudure ou d’endommagement des composants. De plus, lors de la conception des circuits imprimés, les concepteurs peuvent opter pour des matériaux à constante diélectrique plus faible afin de minimiser la rétention de chaleur. En effet, les matériaux à faible constante diélectrique facilitent une meilleure dispersion de la chaleur et réduisent la possibilité de formation de points chauds.

De plus, nous pouvons également expérimenter l’utilisation de plusieurs couches, telles que des plans de cuivre ou des plans d’alimentation, dans notre conception de PCB. C’est parce que la chaleur est dispersée à travers le circuit imprimé par ces surfaces planes, qui fonctionnent comme des caloducs efficaces. En outre, nous pouvons prendre en compte la résistance thermique du matériau lors du choix. Cela mesure la capacité d’un matériau à dissiper la chaleur. Dans ce cas, nous pourrions opter pour des matériaux qui permettent un transfert et une dissipation thermiques plus efficaces en ayant une résistance thermique plus faible. Il convient également de noter que si un dissipateur est utilisé, il faut considérer le matériau du PCB et la méthode de connexion du dissipateur, comme la compatibilité avec l’adhésif thermique ou le montage mécanique. Pour garantir une connexion de radiateur sûre et fiable, certains matériaux peuvent nécessiter une préparation spécifique ou des adhésifs compatibles.

Dans l’ensemble, en ce qui concerne la gestion thermique, la sélection des matériaux doit être cohérente avec les exigences et contraintes spécifiques de l’application du PCB. Par conséquent, il est extrêmement important d’équilibrer les performances thermiques, les performances électriques, les considérations de coût et d’autres exigences de conception.

· Conseil 4 : Garder les pistes courtes

Il est impératif de se souvenir que des pistes courtes peuvent aider au contrôle de la température. Pourquoi maintenir une courte distance de transmission permet-elle la gestion thermique des PCB ? C’est parce que réduire la distance de transmission diminue la résistance, réduit la chute de tension, accélère la propagation du signal, améliore l’intégrité du signal et réduit le couplage thermique. Prenez par exemple la résistance réduite : les pistes plus courtes ont une résistance plus faible, ce qui diminue la dissipation de puissance due aux pertes résistives. Lorsque le courant circule dans une piste, il rencontre une résistance qui convertit une partie de l’énergie électrique en chaleur. Donc, en gardant les pistes courtes, vous minimisez les pertes résistives et réduisez la quantité de chaleur générée, réalisant ainsi une gestion thermique. En même temps, si nous utilisons des pistes plus longues, nous pouvons être plus susceptibles à la distorsion du signal, telle que les réflexions et le diaphonie. Ces problèmes d’intégrité du signal peuvent entraîner un bruit de commutation accru et une dégradation du signal. Ces problèmes peuvent donc être atténués en gardant les pistes courtes, ce qui donne des signaux plus clairs, un bruit réduit et une consommation d’énergie moindre.

· Conseil 5 : Pistes et zones de cuivre

L’un des moyens les plus efficaces pour gérer la thermique des PCB est d’augmenter le cuivre et la largeur des pistes dans les zones où les composants génèrent beaucoup de chaleur. Les pistes de cuivre et les zones plus larges ont moins de résistance. Parce que la résistance d’une piste est directement proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à sa section transversale. Donc, en augmentant la largeur d’une piste, vous diminuez sa résistance et minimisez les pertes résistives. Cela réduit la consommation d’énergie et, par conséquent, la chaleur générée.

Conclusion

En conclusion, en utilisant un placement stratégique des composants, le choix du dissipateur, la sélection du matériau du PCB, le maintien des pistes courtes et l’élargissement des pistes, nous pouvons contrôler et gérer la température lors de la conception des circuits imprimés. Bien sûr, ces méthodes ne sont pas limitatives ; nous pouvons également améliorer la gestion thermique des PCB en plaçant des vias près des composants générateurs de chaleur, en utilisant des vias thermiques pour connecter le pad thermique d’un composant aux couches de cuivre internes ou externes, etc. Cependant, la gestion thermique est un défi complexe et multidimensionnel car la conception de PCB est complexe et exigeante. Par conséquent, différentes technologies et stratégies doivent être mises en œuvre selon les situations. En résumé, lors de la mise en œuvre des techniques de gestion thermique, nous devons considérer les caractéristiques thermiques du composant, l’environnement de fonctionnement et la conception globale du système.