Comprendre la conductivité thermique des PCB : Choix des matériaux, méthodes de calcul et solutions haute performance

Lorsque l'on parle d'électronique compacte, le défi réside dans la consommation d'énergie, et des problèmes thermiques surviennent à cause de cela. Un PCB peut passer les vérifications DRC, les simulations SI, et même les tests fonctionnels, mais il peut échouer lamentablement sur le terrain à cause d'une mauvaise gestion thermique. La conductivité thermique des PCB n'est plus facultative pour les concepteurs d'électroniques ; elle est devenue la considération principale dans les conceptions modernes. À mesure que la taille des composants rétrécit, les marges thermiques disparaissent. Lors de la conception d'un PCB avec des assemblages compacts et complexes, il est essentiel de connaître la conductivité thermique appropriée du matériau du PCB.

Dans cet article, nous allons voir comment calculer la conductivité thermique efficace d'un PCB, ce qui peut faire la différence entre un produit robuste et une refonte coûteuse. Cet article propose une analyse pratique et accessible sur la conductivité thermique des PCB. Nous aborderons certains matériaux proposés, les méthodes de calcul et les stratégies éprouvées pour concevoir des PCB à haute conductivité thermique.

Les bases de la conductivité thermique des matériaux PCB

Définir la conductivité thermique et son rôle dans le transfert de chaleur

La conductivité thermique kkk est mesurée en W/mK et définit l'efficacité avec laquelle un matériau transfère la chaleur vers les environs. Dans la conception PCB, le facteur kkk détermine à quelle vitesse la chaleur générée par les composants se déplace loin de la jonction et refroidit le composant en se répartissant sur la carte. En termes pratiques :

- PCB à faible conductivité thermique : La chaleur s'accumule près des composants.

- PCB thermiquement conducteur : La chaleur est répartie sur les plans de cuivre, les vias et les dissipateurs thermiques.

Les fabricants se concentrent sur les substrats de PCB optimisés pour l'isolation électrique, pas pour le flux de chaleur. Les stratifiés époxy utilisés dans les PCB agissent davantage comme des isolants thermiques que comme des conducteurs. C'est pourquoi la conception thermique doit être compensée par la disposition et le choix des matériaux. Dans la conception PCB, le courant électrique circule et est guidé par les chemins à faible impédance en cuivre. De même, la chaleur est également guidée par le cuivre, mais il existe un diélectrique au centre de la carte qui restreint le flux de chaleur.

Différences entre la conductivité thermique en plan et à travers les plans

L'un des aspects les plus mal compris du comportement thermique des PCB est la conductivité directionnelle. Les PCB présentent une conductivité thermique anisotrope, ce qui signifie que la chaleur circule selon la direction. On pourrait l'appeler une quantité vectorielle.

Conductivité thermique en plan :

- La chaleur se diffuse latéralement sur la surface du PCB.

- Dominée par les plans de cuivre et la densité des traces.

- Typiquement plus élevée que la conductivité à travers les plans.

Conductivité thermique à travers le plan :

- La chaleur circule verticalement à travers l'épaisseur du PCB.

- Dominée par les matériaux diélectriques.

- Souvent, le goulot d'étranglement thermique.

Prenons l'exemple d'un PCB en FR4, qui a une conductivité thermique en plan de 0,3 W/mK et une conductivité à travers le plan d'environ 0,25 W/mK. En général, le cuivre est capable de dissiper à 400 W/mK, mais voyez comment cela diminue lorsqu'il s'agit de l'empilement du PCB. Cette grande différence explique pourquoi les coupes de cuivre améliorent considérablement la diffusion de la chaleur. Cependant, nous pouvons mettre en œuvre des vias thermiques et augmenter légèrement l'épaisseur du cuivre pour résoudre certains problèmes de chaleur.

Impact sur la température des composants et la fiabilité de la carte

La conductivité thermique affecte directement :

- La température de jonction

- Le temps moyen avant défaillance

- La fiabilité des joints de soudure

- La stabilité des matériaux PCB

Une règle empirique largement acceptée est qu'une augmentation de 10 °C de la température de jonction réduit de moitié la durée de vie des semi-conducteurs. Une conductivité thermique médiocre peut entraîner :

- La délamination entre les couches du PCB

- La fatigue et la fissuration des soudures

- La dépréciation du lumen des LED

- Le vieillissement prématuré des composants

En résumé, la conception thermique détermine si votre PCB survit au laboratoire ou au client.

Matériaux PCB courants et leurs valeurs de conductivité thermique

FR4 standard et stratifiés à faible coût

Le FR4 reste le choix par défaut pour la plupart des conceptions en raison de son faible coût et de son excellente manufacturabilité. Il présente des propriétés typiques :

- Conductivité thermique : 0,25–0,35 W/m·K

- Isolation électrique : Excellente

- Coût : Faible

- Disponibilité : Très élevée

D'un point de vue thermique, le FR4 est au mieux médiocre. Il piège la chaleur de manière efficace, ce qui est excellent pour l'isolation, mais terrible pour l'électronique de puissance. En effet, la dissipation de la chaleur et la conductivité thermique échouent lorsque l'on passe à des conceptions plus denses. Cependant, l'industrie parvient à utiliser beaucoup de FR4 et ses différentes variantes. À l'origine, le FR4 a été proposé parce qu'il ne peut pas prendre feu, ce qui le rend sûr. D'ailleurs, le FR4 fonctionne bien pour les circuits numériques basse consommation et les cartes de logique de contrôle.

Matériaux améliorés avec charges ou résines à haute Tg

Pour combler l'écart entre coût et performance, les fabricants proposent des stratifiés thermiquement améliorés. Il s'agit essentiellement d'une modification des systèmes époxy avec de la céramique. Plage typique de conductivité thermique : 0,6–2,5 W/m·K.

Bien que cette approche présente plusieurs avantages, elle améliore la dissipation thermique. On obtient une meilleure stabilité à haute température avec des modifications minimales du processus. Ces matériaux permettent des PCB thermiquement conducteurs sans nécessiter de noyaux métalliques, ce qui les rend idéaux pour les convertisseurs DC-DC à puissance moyenne et l'électronique industrielle compacte. Considérez-les comme du FR4 qui a enfin pris la gestion thermique au sérieux.

Options à noyau métallique et à base de céramique pour une dissipation thermique supérieure

Lorsque la performance thermique devient incontournable et que le prix n'est plus une préoccupation, il est temps de se tourner vers les PCB à noyau métallique (MCPCB) et les substrats céramiques. Dans un PCB à noyau métallique, nous avons des options de base en aluminium ou en cuivre. Ils offrent :

- Une fine couche d'isolation diélectrique

- Une excellente dissipation thermique

- Courants dans l'éclairage LED et les modules de puissance

Les PCB en céramique comme Al₂O₃, AlN ont une conductivité thermique : 20–170 W/m·K et offrent :

- Une stabilité thermique exceptionnelle

- Une isolation électrique

- Un coût et une complexité de traitement plus élevés

Ces matériaux permettent des conceptions de PCB à haute conductivité thermique. Ils sont utilisés là où les stratifiés conventionnels échouent.

Calcul de la conductivité thermique effective des PCB

Modèles de moyenne pondérée en fonction du volume pour les cartes multicouches

Les PCB réels sont composés de plusieurs matériaux empilés ensemble. Pour estimer la conductivité thermique effective d'un PCB, les ingénieurs utilisent souvent une fonction de moyenne pondérée en fonction du volume mentionnée ci-dessous :

Où :

• (ki) = Conductivité thermique de chaque couche
• (fi) = Fraction volumique de chaque couche

Cette méthode fournit des estimations rapides à un stade précoce et donne un aperçu de l'influence des matériaux. Nous avons des approximations de la conductivité directionnelle, utiles pour les simulations.

Prise en compte des plans de cuivre, des vias et du stackup des couches

Le cuivre domine le comportement thermique, même en petites quantités. Nous pouvons utiliser certaines stratégies avec le cuivre pour améliorer la conception, comme modifier l'épaisseur et la couverture des plans de cuivre dans les sections à haute densité. Nous pouvons également insérer des vias thermiques denses et choisir leur type de remplissage. Les vias thermiques agissent comme des tuyaux thermiques verticaux. Par exemple, le profil thermique des vias remplis > vias plaqués > vias vides. Plus le diamètre du via est grand, meilleure est la conduction globale. Ignorer les vias lors du calcul de la conductivité thermique du PCB revient à ignorer les résistances dans une analyse de circuit.

Outils et formules pour des estimations rapides

Les ingénieurs se basent généralement sur :

- Modèles de résistance basés sur des feuilles de calcul

- Réseaux de résistance thermique 1D

- Estimateurs thermiques ECAD

- Guides de conception des fabricants

Stratégies pour atteindre une haute conductivité thermique dans les PCB

Incorporation de vias thermiques et de plans de cuivre

L'optimisation thermique au niveau de la disposition doit toujours être la première priorité. Certaines bonnes pratiques peuvent être :

- Utiliser des matrices de vias denses sous les sources de chaleur

- Ajouter des grands et continus versets de cuivre

- Utiliser des plans de cuivre internes épais

Une matrice de vias bien conçue peut surpasser des matériaux coûteux à une fraction du coût.

Sélection de substrats thermiquement conducteurs et de charges

La sélection des matériaux doit correspondre à la densité de puissance. Les directives générales sont les suivantes : si la conception est inférieure à 1 watt et atteint 2-3 W, alors utiliser un FR4 standard. Si le circuit consomme entre 1 et 5 W, utiliser des stratifiés époxy améliorés. Passer à des MCPCB ou de la céramique pour des puissances supérieures. Choisir la mauvaise conductivité thermique du matériau PCB entraîne souvent des refontes tardives.

Applications pratiques et considérations sur la performance

Exigences pour l'électronique de puissance et l'éclairage LED

L'électronique de puissance nécessite une gestion thermique agressive. Comme nous poussons plus de puissance, cette puissance est généralement soit convertie en une autre forme, soit transformée en chaleur, en fonction de l'efficacité de la conception. Les PCB à haute conductivité thermique sont essentiels pour :

- Modules MOSFET et IGBT

- Régulateurs haute intensité

- LEDs haute luminosité

Dans les systèmes LED, la température de jonction affecte directement la couleur et la luminosité du produit. Si cela n'est pas pris en compte, la durée de vie globale est réduite. Ainsi, une mauvaise conception thermique pourrait ternir l'avenir de votre produit.

Conceptions à haute vitesse et RF avec contraintes thermiques

Les matériaux RF et haute vitesse sont préférés car ils offrent des matériaux à impédance contrôlée et un faible Dk. Malheureusement, ces matériaux ont souvent une conductivité thermique modeste. Ainsi, un choix approprié doit être fait entre les cartes pour signaux haute vitesse et l'électronique de puissance. Cependant, avec les techniques et conseils donnés ci-dessus, nous, les ingénieurs, pouvons équilibrer soigneusement :

- L'intégrité du signal

- La dissipation thermique

- La stabilité mécanique

La planification thermique doit commencer lors de la définition du stackup, avant la disposition, et non après le routage.

Compromis entre la performance thermique, le coût et la fabricabilité

Le meilleur design thermique est inutile s’il ne peut pas être fabriqué ou permis financièrement. Plutôt que de changer immédiatement les matériaux, commencez par résoudre les problèmes thermiques au niveau de la disposition. Après avoir effectué la meilleure disposition possible, si le profil thermique reste inchangé, vous pouvez envisager une mise à niveau des matériaux. Pour une meilleure conception, impliquez les ingénieurs de fabricants comme JLCPCB dès la phase de conception. En ingénierie thermique, il ne s'agit pas toujours d'utiliser des extrêmes ; il s'agit d'optimisation.

Questions fréquemment posées (FAQ)

Qu'est-ce qu'un PCB à haute conductivité thermique ?

Un PCB conçu avec des matériaux conducteurs, des structures en cuivre et des vias pour éliminer efficacement la chaleur des composants.

Comment calculer la conductivité thermique effective d’un PCB ?

En utilisant des modèles de matériaux pondérés en volume, combinés avec les contributions du cuivre et des vias.

Le FR4 est-il adapté à l'électronique de puissance ?

Uniquement pour les applications à faible puissance. Pour une puissance moyenne à élevée, des stratifiés améliorés ou des noyaux métalliques sont nécessaires.

Les PCB à noyau métallique sont-ils coûteux ?

Plus chers que le FR4, mais moins coûteux que les échecs sur le terrain et les rappels.