Optimiser les pastilles avec relief thermique pour améliorer la dissipation et la fiabilité des soudures

Vous n'avez probablement jamais modifié le réglage d'une pastille avec relief thermique. Votre outil de conception a choisi une largeur de rayon le jour de son installation, et chaque broche de masse de toutes vos cartes utilise discrètement cette valeur depuis. Si le relief thermique contient trop de cuivre, votre fer ne peut pas chauffer suffisamment la liaison et vous obtenez une soudure froide qui tombe en panne après six mois d'utilisation. À l'inverse, si la quantité de cuivre est insuffisante, la pastille de puissance chauffe ou provoque une chute de tension que votre circuit ne peut pas tolérer. Ce guide explique le rôle réel des rayons, les largeurs et dégagements adaptés à chaque composant, les situations dans lesquelles une connexion directe est préférable et l'influence des tolérances de fabrication sur le cuivre réellement obtenu.

Que sont les pastilles avec relief thermique et pourquoi sont-elles utilisées?

Définition et rôle dans la connexion des pastilles aux plans de cuivre

Une pastille avec relief thermique est reliée à son plan de cuivre par quelques bras étroits plutôt que par une surface de cuivre pleine. Ces bras sont appelés rayons, tandis que l'anneau dépourvu de cuivre qui les entoure correspond au dégagement, ou anti-pad. Électriquement, la pastille reste connectée au plan. Thermiquement, le transfert de chaleur est limité.

Prenons l'exemple de la poignée d'une casserole. Elle est fixée au récipient par un col étroit en acier, qui permet de soulever la casserole sans se brûler. Si la poignée était entièrement soudée au corps de la casserole, elle deviendrait aussi chaude que l'eau contenue à l'intérieur. Une pastille avec relief thermique fonctionne comme ce col, mais en cuivre. La conductivité thermique du cuivre est d'environ 400 W/mK, contre environ 0,3 W/mK pour le FR4. Une grande zone de cuivre évacue donc la chaleur d'une liaison environ mille fois plus efficacement que le matériau du circuit imprimé situé dessous.

Équilibre entre dissipation thermique et soudabilité

La soudure ne s'écoule que lorsque la liaison dépasse son point de fusion. L'alliage plombé Sn63/Pb37 fond aux alentours de 183 C, tandis que l'alliage sans plomb SAC305 nécessite environ 217 C. Les fours atteignent donc un pic de 235 C à 250 C afin de conserver une marge. Cette température doit être atteinte au niveau de la pastille, et non dans l'air situé au-dessus. Reliez directement cette pastille à un plan de masse de 2 oz, comme sur la carte du pilote d'une ampoule LED secteur, et le plan évacuera latéralement la chaleur pendant que vous tenterez de chauffer la liaison. Un fer manuel de 60 W peut perdre cette course, tandis qu'une machine à souder à la vague ne dispose que de quelques secondes pour la gagner.

La pastille remplit donc deux fonctions opposées: évacuer rapidement la chaleur pendant le fonctionnement et la retenir pendant la soudure. La largeur des rayons détermine cet équilibre.

Principaux avantages d'une conception correcte des reliefs thermiques

Gestion thermique efficace des composants de puissance

Voici un point qui surprend souvent: pour un composant qui chauffe réellement, le meilleur réglage de relief thermique consiste généralement à ne pas en utiliser.

Exemple: prenons un régulateur AMS1117-3.3 en boîtier SOT-223 ou un convertisseur abaisseur LM2596 en boîtier TO-263 avec languette. La chaleur du silicium ne dispose que d'un chemin d'évacuation: elle traverse la languette métallique, passe dans la pastille, rejoint le plan et se répartit sur la carte. Les rayons se trouvent sur ce chemin. Remplacer une connexion pleine par quatre bras de 0,3 mm (12 mil) supprime donc l'essentiel du cuivre utilisé pour évacuer la chaleur. L'essentiel consiste à savoir quelles pastilles doivent recevoir un relief. Les broches de signal et de masse à faible courant en bénéficient, car elles ne transportent que quelques milliampères et doivent surtout être soudées correctement. Les languettes et les pastilles exposées doivent rester pleines, puisque leur fonction principale consiste à transférer la chaleur.

Amélioration de la qualité de soudure et réduction du risque d'effet pierre tombale

L'effet pierre tombale se produit lorsqu'un petit composant à deux bornes se redresse sur une extrémité pendant la refusion, laissant l'autre extrémité en l'air et le circuit ouvert. Il s'agit de l'un des défauts les plus fréquents sur les composants 0402 et 0603 présents dans les chargeurs de téléphone, et le déséquilibre de cuivre en constitue une cause majeure.

Une extrémité d'un condensateur 0402 repose sur une grande zone de masse, tandis que l'autre est reliée à une piste de 0,2 mm (8 mil). L'extrémité connectée à la zone comporte davantage de cuivre. Elle chauffe donc plus lentement et fond plus tard. L'extrémité reliée à la piste fond en premier, puis la tension superficielle tire fortement sur le composant et le redresse. Un relief thermique sur l'extrémité reliée à la zone équilibre le chauffage.

Considérations de conception pour des reliefs thermiques efficaces

Largeur, nombre de rayons et paramètres de dégagement

Trois valeurs définissent une pastille avec relief thermique: la largeur des rayons, la largeur du dégagement et le nombre de rayons. L'IPC-2221B fixe la limite pratique de largeur des rayons à 0,2 mm (8 mil) et considère quatre rayons comme la valeur maximale normale. Presque tous les outils génèrent quatre rayons, et c'est également le nombre recommandé.

Les petits composants nécessitent des rayons fins et des dégagements réduits. Les trous de broches nécessitent des rayons épais afin de conserver suffisamment de cuivre conducteur. Les pastilles à fort courant doivent idéalement se passer entièrement de relief thermique. Le réglage par défaut d'Altium est de 0,2 mm (8 mil) pour les rayons et le dégagement de la plupart des composants, tandis que  KiCad utilise par défaut 0,508 mm (20 mil) pour les deux.

Influence du type de composant, de la puissance et de l'épaisseur du circuit imprimé

Commencez par déterminer la méthode de soudure de la carte. La soudure manuelle est la plus exigeante, car une seule panne de fer doit compenser l'effet d'un plan entier. La soudure à la vague vient ensuite, avec seulement quelques secondes de contact par liaison. La refusion est la moins contraignante, car toute la carte chauffe uniformément. Le relief thermique est donc bien moins important dans une conception CMS.

Un relief à quatre rayons de 0,25 mm (10 mil) présente une résistance d'environ 1 à 3 milliohms par pastille. Sous 5 A, la chute de tension atteint donc 5 à 15 mV et la puissance dissipée entre 25 et 75 mW. Au-delà de 3 A en continu, utilisez une connexion pleine et facilitez la soudure par préchauffage.

L'épaisseur agit de la même manière: une carte de 2,0 mm (79 mil) comportant deux plans internes représente le cas le plus difficile pour le remplissage des fûts, tandis qu'une carte double couche de 1,0 mm (39 mil) est la plus facile à souder. Les plans internes peuvent également masquer le problème, car une broche peut sembler dotée d'un relief sur la couche externe tout en restant directement reliée à deux plans enterrés.

Interaction avec les vias thermiques et les stratégies de zones de cuivre

L'IPC-7093, norme relative aux composants à terminaisons inférieures, préconise une connexion directe au cuivre avec un réseau de vias sous les boîtiers QFN, DFN ou DPAK. Cette pastille constitue l'unique chemin d'évacuation thermique de la puce, que des rayons viendraient restreindre.

Dimensionnez correctement le réseau, car ce sont les vias, et non les rayons, qui assurent le transfert thermique:

1. Percez des trous de 0,25 à 0,33 mm (10 à 13 mil): tout trou plus grand absorbe la soudure pendant la refusion.
2. Espacez-les de 1,0 à 1,2 mm (39 à 47 mil): les réseaux classiques comportent entre 9 et 25 vias selon la taille de la pastille.
3. Recouvrez, bouchez ou remplissez les vias: un via ouvert aspire la pâte à braser vers le bas et crée un vide au-dessus.
4. Maintenez le taux de vides sous la limite de 50% définie par l'IPC-7093: les vides contiennent de l'air emprisonné, qui ne conduit pratiquement pas la chaleur.

La stratégie des zones de cuivre est tout aussi importante. Une broche peut disposer d'un relief sur la couche supérieure visible, tout en étant directement reliée à un plan enterré invisible. Cette connexion interne compromet alors la qualité de la soudure.

Erreurs de conception courantes et méthodes pour les éviter

Relief thermique trop fort ou trop faible entraînant des problèmes de soudure

Erreur 1: appliquer le réglage par défaut de l'outil à toutes les pastilles.

Un rayon de 0,508 mm (20 mil) convient à un connecteur traversant, mais devient encombrant sous un composant 0402, où quatre rayons épais et leurs dégagements absorbent tout le plan disponible entre les composants. Pour corriger ce problème: créez une règle de relief distincte pour chaque catégorie de composants.

Erreur 2: dessiner des rayons aux dimensions minimales de fabrication.

La tolérance de largeur des pistes est généralement de ±20%. Un rayon de 0,10 mm (4 mil) peut donc ne mesurer que 0,08 mm (3 mil) après fabrication, voire disparaître entièrement pendant la gravure, créant un circuit ouvert qu'aucune inspection visuelle ne détectera. Pour corriger ce problème: concevez des rayons au moins 30% plus larges que la valeur minimale annoncée par votre fabricant.

Erreur 3: appliquer un relief à la pastille exposée d'un boîtier de puissance.

Les outils appliquent par défaut les règles des zones de cuivre à toutes les pastilles, y compris à la pastille thermique située sous un QFN. Les rayons peuvent alors réduire de moitié le chemin thermique. Pour corriger ce problème: configurez les pastilles exposées en connexion directe, puis inspectez la zone de cuivre.

Mauvaise intégration dans les conceptions à fort courant ou haute fréquence

Erreur 1: appliquer un relief aux pastilles à fort courant afin de faciliter l'assemblage.

Les rayons facilitent la soudure tout en ajoutant de la résistance. Sur une pastille de 10 A, un relief ajoutant 3 milliohms dissipe 300 mW à cet endroit précis. Pour corriger ce problème: conservez des pastilles pleines pour les courants élevés et facilitez la soudure par préchauffage.

Erreur 2: appliquer un relief aux vias de masse et aux broches de blindage dans les conceptions à haute vitesse.

Le courant de retour suit le signal et nécessite un chemin de faible inductance vers le plan. Les rayons le forcent à traverser quatre bras étroits, ajoutant de l'inductance à l'endroit même où vous cherchez à la réduire. Pour corriger ce problème: excluez les vias des règles de relief et utilisez une connexion directe pour les masses des connecteurs et des capots de blindage.

Erreur 3: appliquer un relief à la pastille de masse d'un composant RF.

Sur un module radio tel que l'ESP32-WROOM-32, la pastille inférieure sert à la fois de chemin thermique et de plan de référence RF. Pour corriger ce problème: traitez toute pastille de référence RF comme une connexion directe.

Aspects de fabrication et assurance qualité

Précision de gravure, alignement du masque de soudure et contrôle des procédés

Les rayons sont souvent les éléments en cuivre les plus étroits de la carte. Ils sont donc les premiers affectés en cas de dérive du procédé. La gravure élimine le cuivre latéralement aussi bien que verticalement, et cette perte représente une proportion bien plus importante sur un rayon de 0,15 mm (6 mil) que sur une piste de puissance de 1 mm (39 mil).

En résumé, le cuivre obtenu sera toujours plus étroit que celui dessiné, et le maintien d'un dégagement propre autour de la pastille dépendra de l'alignement du masque.

Méthodes d'essai pour valider les performances thermiques

Pour vérifier le fonctionnement d'une pastille avec relief thermique, il faut examiner l'intérieur des liaisons et mesurer la température. Six méthodes fournissent des résultats concrets:

1. Réaliser une microsection de la liaison: cette coupe transversale d'une broche traversante révèle la hauteur atteinte par la soudure dans le fût par rapport à l'exigence de remplissage de 75% de la J-STD-001.
2. Inspecter les composants à terminaisons inférieures par rayons X: les vides situés sous une pastille de QFN ou de DPAK ne sont pas visibles de l'extérieur. L'IPC-7093 limite leur superficie à 50% de celle de la pastille.
3. Réaliser un profil avec thermocouples: fixez des thermocouples sur une pastille avec relief et une pastille sans relief d'une carte d'essai, puis effectuez une refusion. Le relief est efficace si la pastille correspondante fond plus tôt.
4. Prendre une image thermique sous charge: un écart supérieur à 10 C ou 15 C par rapport à la simulation indique un manque de cuivre quelque part.
5. Soumettre un échantillon à des cycles thermiques: l'IPC-9701 couvre les essais cycliques de fiabilité des liaisons soudées CMS. C'est pendant ces essais que les fûts insuffisamment remplis se fissurent.
6. Tester électriquement chaque carte: le test par sondes mobiles détecte un rayon entièrement éliminé par la gravure, défaut qui peut sembler parfait au microscope.

Expertise de JLCPCB dans la réalisation des reliefs thermiques

Contrôle DFM avancé optimisé pour les performances thermiques et la soudabilité

Chaque commande fait l'objet d'un contrôle DFM automatisé avant d'atteindre l'atelier de production. Vous pouvez effectuer vous-même ce même contrôle avec JLCDFM avant de confirmer votre commande. Il signale les motifs en cuivre inférieurs aux limites du procédé, soit précisément le type de défaut susceptible de faire disparaître les rayons fins.

Utilisez-le spécifiquement pour contrôler la géométrie des reliefs. Un rayon inférieur à 0,09 / 0,09 mm (3,5 / 3,5 mil) sur un circuit multicouche de 1 oz, ou à 0,16 / 0,16 mm (6,5 / 6,5 mil) sur une couche externe de 2 oz, peut réussir votre propre contrôle des règles de conception tout en restant impossible à graver de manière fiable. Détecter ce problème avant la fabrication ne coûte rien, tandis qu'une détection ultérieure impose une nouvelle production.

Production fiable et de haute qualité pour les cartes soumises à de fortes contraintes thermiques

Les cartes soumises à de fortes contraintes thermiques nécessitent davantage d'options qu'un empilage double couche standard: de 1 à 32 couches, une épaisseur finie de 0,4 mm à 4,5 mm (16 mil à 177 mil) et jusqu'à 4,5 oz de cuivre externe sur les cartes double couche. Un cuivre plus épais permet de transporter davantage de courant avec moins de rayons, voire de supprimer entièrement le relief tout en conservant une soudure manuelle confortable.

Si vous commandez également l'assemblage, la même carte passe directement en assemblage SMT avec les composants de la bibliothèque. Cela est important ici, car les personnes qui définissent le profil du four peuvent consulter les zones de cuivre que vous avez conçues.

FAQ sur les pastilles avec relief thermique

Conclusion

Pour bien comprendre une pastille avec relief thermique, il faut cesser d'opposer une bonne solution à une mauvaise. Vous choisissez en réalité les quelques secondes de la durée de vie de la carte que vous souhaitez optimiser. Les rayons facilitent l'obtention d'une liaison propre pendant la soudure, mais réduisent ensuite le transfert thermique et la capacité en courant pendant toute la durée de vie du produit. Ce compromis convient parfaitement aux pastilles de signal. Il ne doit jamais être appliqué aux languettes de puissance, aux pastilles exposées ni aux rails à fort courant. Inspectez donc les zones de cuivre remplies avant l'exportation, et pas seulement les pistes. À cette étape, la plupart des défauts de relief sont visibles en cinq secondes, puis deviennent définitivement invisibles. Une fois votre cuivre finalisé, le contrôle DFM et les tolérances de gravure strictes de JLCPCB garantissent que les rayons de la carte fabriquée correspondent à ceux affichés à l'écran.