Vias thermiques dans la conception de circuits imprimés pour la gestion de la chaleur

Les vias thermiques sont des vias spécialisés conçus pour transférer la chaleur d’une couche à une autre d’un circuit imprimé. Ces vias sont placés à proximité des composants générateurs de chaleur afin de créer une voie thermique, contribuant à dissiper la chaleur et réduisant le risque de surchauffe. Ils sont souvent utilisés avec des dissipateurs thermiques, des pastilles thermiques ou des plans de cuivre pour renforcer leur efficacité. Il s’agit simplement de trous métallisés (PTH) situés sous un composant source de chaleur monté en surface sur un circuit imprimé (PCB), permettant le transfert thermique.

Les vias établissent un chemin de faible résistance thermique entre le cuivre supérieur et la face inférieure du PCB. Un seul via ne suffit pas à dissiper correctement la chaleur ; il faut généralement un réseau de vias. En électronique et en conception de circuits imprimés, le besoin d’une gestion thermique appropriée peut tenir les équipes de conception éveillées la nuit. Une bonne gestion thermique d’un PCB évite la surchauffe de la carte et la pression sur les équipes de conception.

La nécessité d’une gestion thermique

Une gestion thermique efficace dans la conception des PCB peut prévenir plus de 50 % des défaillances des systèmes électroniques causées par une chaleur excessive. La chaleur dans les PCB est généralement générée par des composants de forte puissance, tels que des processeurs, des LED et des régulateurs d’alimentation. Les principales considerations incluent la minimisation de la résistance thermique, influencée par des facteurs comme la surface de cuivre, l’épaisseur du PCB et le matériau. Des stratégies en phase de conception précoce, comme l’analyse des composants de puissance et l’exploitation des données constructeurs, garantissent une meilleure dissipation de la chaleur. Des techniques telles que la convection, le rayonnement et les dissipateurs thermiques aident à transférer la chaleur hors de la carte. Une planification proactive de la gestion thermique est essentielle pour maintenir la fonctionnalité, réduire les coûts et éviter les défaillances dans l’électronique de haute performance.

Comment les vias thermiques contribuent à la gestion de la chaleur

Les vias thermiques créent une voie permettant à la chaleur de s’éloigner de ces composants vers des zones offrant de meilleures capacités de dissipation, telles qu’un plan de masse ou un dissipateur externe. Ce mécanisme évite la surchauffe localisée et assure un fonctionnement constant. L’ajout de vias thermiques peut occuper un espace précieux sur la carte avec peu de bénéfice.

Les vias thermiques sont des vias non porteurs de courant entre deux couches, prévus pour permettre la conduction de la chaleur d’une couche à une autre du PCB. Le but est de réduire la température d’une surface chauffée par rapport à une surface plus froide. Dans des cas typiques, la surface chauffée peut être une pastille sous un composant, tandis que la surface plus froide pourrait être un plan de cuivre plus profond dans le PCB. Utiliser des vias thermiques sans surface opposée connectée est inefficace. Un transfert de chaleur correct nécessite une structure interconnectée où la chaleur s’écoule efficacement de la surface chauffée vers la surface plus froide dans la conception du PCB.

Efficacité d’un via thermique ?

Que signifie qu’un via thermique soit plus ou moins « efficace » ? Une interprétation est qu’à mesure que l’on ajoute des vias thermiques, la chute de température à travers ceux-ci diminue, ce qui signifie que plus de chaleur est évacuée de la surface chauffée. Nous jugeons l’efficacité des vias thermiques par la réduction de la température absolue sur la pastille, par rapport à l’environnement (ou température ambiante).

Mais cela pose aussi problème. Comme nous l’avons souligné aussi souvent que possible, la température est un concept « ponctuel ». Autrement dit, la température varie d’un point à l’autre sur une pastille ou le long d’une piste, car tous les facteurs influençant la température sont eux-mêmes des concepts ponctuels. D’après l’image de référence du profil thermique, on conclut : si l’on observe le sommet d’un des vias thermiques, il affiche 50,32 °C. Un via voisin affiche 46,99 °C. Au centre approximatif de la pastille, la température est de 50,57 °C. À quelques mm de là, elle est de 48,91 °C. Nous considérons que la température appropriée est la température maximale de la pastille.

Profil thermique des vias thermiques

Les vias thermiques réduisent efficacement la résistance thermique d’un PCB, permettant à la chaleur de se répartir plus uniformément sur la carte. Toutefois, leur performance dépend de facteurs tels que le diamètre, le nombre et l’épaisseur du placage. Par exemple, plusieurs petits vias thermiques groupés sous une source de chaleur performent souvent mieux que quelques vias plus gros.

Considérations de conception pour les vias thermiques

• Taille et nombre : Des vias petits et densément espacés sont plus efficaces pour la dissipation thermique.
• Placage des vias : Des vias plaqués avec des couches de cuivre plus épaisses offrent une meilleure conduction thermique.
• Pastilles thermiques : Utilisez les vias thermiques conjointement avec des pastilles ou plans de dissipation thermique.
• Matériau de remplissage : Utilisez des vias remplis ou bouchés pour éviter l’aspiration de la soudure pendant l’assemblage.
• Positionnement : Placez les vias thermiques directement sous les sources de chaleur pour un rendement maximal.
• Impact sur le coût : Assurez une efficacité coût en équilibrant la densité de vias avec les contraintes de fabrication.

Quand utiliser des vias thermiques :

Les vias thermiques sont de simples trous situés sous une source de chaleur montée en surface sur une carte de circuit imprimé, permettant le transfert thermique. Des vias simples ou des vias dans la pastille peuvent fortement réduire la résistance thermique. Vous pouvez également placer des vias remplis et recouverts directement sous la pastille de soudure thermique pour des cartes dont l’épaisseur dépasse 0,70 mm. Remplir un via avec de la résine époxy et le recouvrir de cuivre empêche tout écoulement de soudure incontrôlé. De plus, les vias remplis et recouverts garantissent un excellent soudage. Les vias thermiques sont nécessaires lorsque :

• Des dispositifs de forte puissance sont utilisés, tels que des LED ou des MOSFET.
• Les conceptions de PCB impliquent un placement dense des composants.
• Des dissipateurs ou pastilles thermiques sont intégrés à la conception.
• Les dispositifs sont utilisés dans des environnements à haute température nécessitant des stratégies avancées de dissipation thermique.

Le nombre et la position des vias thermiques ont un impact direct sur la résistance thermique. Placer les vias aussi près que possible de la source de chaleur diminue la résistance thermique en accélérant la dissipation. Les vias thermiques fonctionnent avec des cartes double-face dont le cuivre relie les faces supérieure et inférieure du PCB, ou peuvent connecter plusieurs couches d’un PCB.

Comment placer un réseau de vias thermiques ?

Bien que différents diamètres de vias soient possibles, le diamètre final optimal pour la meilleure conductivité thermique est de 0,30 mm. La distance optimale via-à-via est de 0,80 mm. Avant de placer le réseau, il est préférable de confirmer cette distance, les espaces dépendant des différents composants sources de chaleur. Ensuite, placez les vias directement sous la plaque de dissipation thermique, sur la face inférieure du boîtier.

Lorsque la dissipation des vias placés directement sous la plaque de dissipation de l’IC est insuffisante, des vias supplémentaires peuvent être disposés autour du périmètre de l’IC. Ces vias doivent être positionnés aussi près que possible de l’IC. Le réglage—diamètre, quantité, forme et paramètres associés—varie selon les entreprises et est souvent dicté par des règles de conception spécifiques. Il est important de considérer ces facteurs et d’adapter la conception pour optimiser la dissipation thermique, en gardant ces principes à l’esprit durant la recherche et la mise en œuvre.

Vous pouvez utiliser des outils de simulation pour définir la taille et la forme des pastilles thermiques ainsi que choisir les meilleurs matériaux de substrat pour supporter des charges thermiques plus importantes. De plus, les simulations permettent d’analyser la performance des composants et d’identifier d’éventuels points chauds sur la carte. Elles montrent le flux de chaleur depuis la face supérieure et le plan de cuivre inférieur, et illustrent la relation entre la résistance thermique et le nombre de vias. Voir notre article sur les autres types de vias utilisés dans les conceptions de PCB.

Comparaison avec d’autres méthodes de gestion thermique

Bien que les vias thermiques soient efficaces, ils sont souvent combinés à d’autres stratégies, telles que :

• Dissipateurs thermiques : Structures externes qui rayonnent la chaleur mais nécessitent un assemblage supplémentaire.
• Pastilles thermiques : Très efficaces mais augmentent les coûts de fabrication.
• Plans de cuivre : Permettent la diffusion de la chaleur mais peuvent ne pas suffire seuls pour les applications à forte puissance.

Voir comment les techniques de gestion thermique sont employées dans un PCB.

Conclusion

Les vias thermiques sont un outil critique dans la gestion thermique des PCB, offrant une solution économique et efficace pour dissiper la chaleur dans les applications à forte puissance. Leur mise en œuvre améliore la fiabilité du PCB, augmente les performances et permet des conceptions compactes. En considérant soigneusement leur placement, leur taille et leur nombre durant la conception, les ingénieurs peuvent garantir une performance thermique optimale. Combinés à d’autres techniques de gestion thermique, les vias thermiques sont indispensables pour créer des PCB robustes pour l’électronique haute performance d’aujourd’hui.

Lorsque vous concevez votre PCB et commencez à utiliser des vias thermiques, suivez quelques règles rapides. Pour améliorer la dissipation thermique, les contacts traversants doivent avoir une épaisseur de couche de cuivre accrue. Bien que différents diamètres soient possibles, le diamètre final optimal pour la meilleure conductivité thermique est de 0,30 mm. La distance optimale via-à-via est de 0,80 mm.