Guide de température des PCB

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• Comment mesurer la température du PCB
• Combien de chaleur un circuit imprimé peut-il supporter ?
• Causes courantes de chaleur élevée dans un circuit imprimé
• Comment éviter les températures élevées dans un circuit imprimé
• Contactez MCL pour tous vos besoins en PCB

La température est un élément important de la sécurité, de la fiabilité et des performances des cartes de circuits imprimés (PCB). Des températures élevées peuvent rapidement entraîner des dysfonctionnements et des dommages permanents.

Plusieurs circonstances peuvent introduire de la chaleur dans le fonctionnement d'un PCB. Un composant monté sur le PCB peut produire une chaleur excessive. Un élément externe - par exemple, un autre composant d'un système complexe comme un système aérospatial ou une application médicale - peut générer une chaleur excessive. La chaleur peut s'accumuler dans le PCB en raison d'une ventilation inadéquate. Ou lors de l'assemblage du circuit imprimé, la chaleur produite lors du perçage et du soudage peut provoquer une contrainte thermique excessive sur les composants et entraîner des cartes défectueuses.

Quelle que soit la raison, les ingénieurs ont besoin de moyens pour gérer la chaleur afin de s'assurer que les PCB peuvent survivre aux fortes contraintes thermiques auxquelles ils seront inévitablement confrontés. Quelles sont les techniques efficaces de dissipation thermique des PCB et les moyens d'empêcher l'augmentation de la température des PCB ? Nous répondrons à ces questions plus en détail ci-dessous.

Pourquoi la surveillance de la température des PCB est-elle importante ?

La surveillance de la température du PCB est essentielle car des températures élevées peuvent altérer la structure du PCB et diminuer ses performances ou provoquer sa panne.

La mesure de la température des PCB est également essentielle car les problèmes résultant des températures élevées ne restent pas localisés. Ils peuvent rapidement se propager à d'autres composants du PCB et provoquer une cascade de dysfonctionnements et de dommages.

Une chaleur excessive dans un circuit imprimé peut causer les types de dommages suivants :

• Perte d'intégrité structurelle : Une chaleur excessive peut endommager l'intégrité d'un PCB. Les couches d'un PCB sont très sensibles aux fluctuations de température, et lorsqu'elles deviennent trop chaudes ou trop froides, elles se dilatent et se contractent. Une chaleur excessive peut entraîner une déformation des longueurs, des largeurs et des épaisseurs des différentes couches de PCB.
• Perturbation des lignes de circuit : Une chaleur excessive peut également endommager le circuit. Les lignes de circuit se dilatent et changent de forme lorsqu'elles surchauffent. Une fois que cela se produit, les circuits deviennent sensibles aux décalages de fréquence, aux distorsions et aux pertes directes. Leur impédance de conducteur peut également décaler de sa valeur standard de 50 ohms. Les circuits à ondes millimétriques et les circuits micro-ondes, en particulier, ont des composants minuscules et délicats qui peuvent facilement subir des dommages s'ils se dilatent et se déforment à des températures élevées.
• Taux d'expansion du matériau incompatible : Les effets néfastes notés ci-dessus sont aggravés par le fait que différents matériaux se dilatent à des vitesses différentes. Un PCB a deux types de couches de base :les couches diélectriques et les couches métalliques conductrices. Parce qu'ils contiennent des matériaux différents, ils se dilatent différemment en réponse à la chaleur. Ainsi, un circuit imprimé en surchauffe peut subir d'autres dommages lorsque les différents types de couches se séparent.
• Oxydation : L'oxydation des composants PCB est également un problème à haute température. Le matériau dialectique exposé dans les PCB n'a pas de protection contre l'oxydation s'il n'a pas de revêtement stratifié protecteur. Dans ce cas, le matériau peut rouiller après une exposition à une chaleur élevée. Il en résulte souvent une perte de lignes de transmission et un facteur de dissipation plus élevé.

Comment mesurer la température du PCB

Avant de mesurer la température du PCB, il est essentiel de déterminer la principale source de chaleur dans le PCB - généralement le microcontrôleur ou le microprocesseur - ainsi que de localiser les capteurs de température.

Il est également nécessaire de trouver les broches de masse (GND), qui sont généralement fixées au substrat de la source de chaleur. Un grand pourcentage de la chaleur générée dans un PCB se déplace vers le capteur de température via ces broches GND. Parce que les broches se connectent au substrat, elles ont la plus faible résistance thermique de tous les composants du PCB entre le capteur de température et la source de chaleur.

Une fois que vous avez ces informations, la surveillance de la température peut commencer. La mesure de la température des PCB implique généralement trois étapes différentes :

1. Placez un plan de masse entre les capteurs de température et la source de chaleur.
2. Connectez les broches GND de chaque capteur de température au plan de masse de la source de chaleur.
3. Assurez-vous que les capteurs de température et la source de chaleur restent proches les uns des autres sur le circuit imprimé.

Suivre ces étapes vous permettra de mesurer les températures de la source de chaleur principale - et donc du PCB dans son ensemble - avec exactitude et précision.

Quelle est la température maximale qu'un circuit imprimé peut supporter ?

La quantité de chaleur qu'un PCB peut supporter dépend des matériaux qui le composent. Les matériaux aux propriétés thermiques optimales offrent une résistance fiable contre les effets de la chaleur élevée, tandis que certains matériaux résistent de manière moins fiable aux températures élevées. La métrique connue sous le nom de température de transition vitreuse (TG) aide à indiquer cette résistance. Par exemple, FR-4 a un TG d'environ 135 degrés Celsius.

Les PCB sont généralement définis comme des PCB à haute température s'ils peuvent supporter une limite de température de 150 degrés Celsius. Certains PCB à haute température peuvent être capables de résister à des chaleurs encore plus élevées, mais les cartes fabriquées à partir de matériaux moins résistants à la chaleur ne pourront fonctionner en toute sécurité qu'à des températures beaucoup plus basses. Les PCB à haute température sont de plus en plus courants dans des applications telles que les applications automobiles et industrielles où les températures extrêmes font partie de l'environnement de travail.

Causes courantes de chaleur élevée dans un PCB

1. Dysfonctionnement des composants provoquant une dissipation

Une cause courante de chaleur élevée dans un PCB est qu'un composant du PCB fonctionne mal et se dissipe, ne parvenant pas à générer la quantité d'énergie qu'il produit généralement. Lorsque cela se produit, les composants environnants doivent générer plus de puissance pour compenser. Générer plus de puissance entraîne un risque de surchauffe.

2. Interférence traversante

Les composants traversants et les composants du dissipateur thermique sont les composants du circuit imprimé qui fournissent l'alimentation. Ils génèrent de la chaleur et la dissipent dans l'air. Si un dissipateur thermique est mal soudé, ou si un composant différent du PCB interfère avec le trou traversant, les autres composants généreront plus de chaleur que d'habitude pour compenser. Ce scénario entraîne également un risque de surchauffe.

3. Distance de l'appareil monté en surface

Les dispositifs à montage en surface (CMS) se connectent au circuit imprimé de la même manière que les composants traversants. Ils permettent un flux de courant plus fluide à travers les composants du trou traversant et du dissipateur thermique. Mais les composants traversants et les CMS doivent être positionnés à la bonne distance les uns des autres. S'ils sont trop éloignés, le courant aura plus de chemin à parcourir. Le temps supplémentaire nécessaire au courant pour se déplacer peut faire en sorte que les composants récepteurs restent froids trop longtemps. Lorsque cela se produit, d'autres composants peuvent surchauffer pour compenser.

4. Circuits haute fréquence

Les températures élevées sont particulièrement probables dans les applications qui utilisent des circuits haute fréquence. La raison en est que la génération de plus de puissance produit naturellement plus de chaleur.

Les circuits radiofréquence, par exemple, représentent un secteur en pleine croissance dans l'ingénierie des circuits imprimés. Ces circuits sont très complexes mais ont de nombreuses applications utiles, de la sécurité sans fil dans les produits médicaux et industriels aux smartphones. Ces circuits haute fréquence ont tendance à générer d'énormes quantités de chaleur, c'est pourquoi des techniques de conception spéciales sont nécessaires pour ces types de PCB.

5. Soudure sans plomb

Dans l'ensemble, l'industrie des PCB s'oriente vers la restriction des substances dangereuses (RoHS). Les PCB RoHS utilisent une soudure sans plomb, et la soudure sans plomb nécessite des températures élevées pour pouvoir circuler librement.

Comment éviter les températures élevées dans un PCB

Comme nous l'avons vu, empêcher une élévation de température des PCB est essentiel. Mais comment pouvez-vous réduire la chaleur dans un PCB ? Les ingénieurs peuvent utiliser différentes techniques de dissipation thermique des PCB :

1. Dissipateurs de chaleur

Un PCB est fondamentalement une usine générant de la chaleur en raison de tous les composants produisant de la chaleur qu'il contient. Le PCB a besoin d'un moyen pour dissiper toute cette énergie thermique. Généralement, la réponse implique des dissipateurs de chaleur. Les dissipateurs thermiques dissipent la chaleur en toute sécurité afin qu'elle ne s'accumule pas et n'endommage pas la carte.

2. Ventilateurs

La plupart des appareils électroniques contiennent des ventilateurs pour le refroidissement, et une partie du but de ces ventilateurs est d'aider à refroidir les PCB. Les ventilateurs de refroidissement dispersent la chaleur des appareils électroniques tout en laissant entrer l'air frais, ce qui aide à prévenir la surchauffe et à prolonger la durée de vie et les performances du PCB.

3. Tenir compte des matériaux et des composants

Choisir des matériaux résistants à la chaleur est l'une des stratégies les plus efficaces pour réduire la chaleur dans un PCB. Par exemple, les PCB en cuivre lourd construits avec des plaques de cuivre épaisses constituent d'excellents choix pour leur durabilité et leur capacité à résister à des températures élevées. Ils gèrent des niveaux de courant plus élevés, résistent à des températures plus élevées pendant plus longtemps et fournissent des points de connexion plus solides que les PCB standard. Pour ces raisons, ils sont particulièrement utiles dans l'automobile, l'aviation, les machines lourdes et les convertisseurs de puissance, ainsi que dans d'autres environnements à usage intensif.

De nombreux PCB contiennent du FR-4, qui, bien qu'il soit utile comme retardateur de flamme, ne peut tolérer des températures extrêmement élevées. Savoir qu'un PCB contient du FR-4 dans sa construction peut permettre aux ingénieurs de concevoir des circuits qui ne généreront pas plus de chaleur que le matériau ne peut en supporter.

Des matériaux tels que les matériaux RF - utilisés dans les circuits radiofréquence - et le polyamide sont également sensibles aux températures élevées. Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est extrêmement courant dans les cartes RF, mais il peut s'étaler sous la chaleur du perçage et le frottis est très difficile à éliminer. Ces matériaux ne sont pas aussi courants dans les PCB que le FR-4, mais les ingénieurs doivent faire preuve de prudence dans leurs conceptions s'ils travaillent également avec ces matériaux. L'utilisation d'un stratifié haute température dans ces situations est fortement recommandée.

4. Augmenter l'épaisseur et la largeur de la plaque

Dans les PCB, les plaques plus épaisses ont tendance à conduire la chaleur moins efficacement que les plus fines. Ils nécessitent plus de puissance pour atteindre des températures élevées, donc avec la bonne ingénierie, ils peuvent aider à réduire le risque de surchauffe, de déformation et de perturbation.

5. Application de stratifiés

L'application de stratifiés est un autre moyen de prévenir les dommages causés par les températures élevées. Les stratifiés de PCB à haute température peuvent empêcher la surchauffe en offrant une protection thermique pour les composants du PCB.

Les stratifiés haute température doivent avoir les propriétés de protection suivantes :

• Température de transition vitreuse (TG) :la température de transition vitreuse fait référence à la température à laquelle les polymères passent thermodynamiquement de rigide à souple. Les circuits imprimés à haute teneur en TG offrent une protection supérieure.
• Délai de délaminage :une chaleur élevée peut délaminer un PCB laminé au fil du temps. Les meilleurs stratifiés mettront beaucoup de temps à se décoller à des températures élevées.
• Absorption d'humidité :les stratifiés de PCB doivent avoir des capacités d'absorption d'humidité fiables et protectrices. Si le PCB fonctionne dans un environnement à air contrôlé comme un laboratoire, l'absorption d'humidité peut ne pas être une priorité élevée. Mais si le PCB doit fonctionner dans un environnement où il peut être exposé aux éléments, des capacités d'absorption d'humidité adéquates sont essentielles.
• Température de décomposition (TD) :la température de décomposition fait référence à la température à laquelle 5 % de la masse du stratifié est perdue en raison de la décomposition. Une température de décomposition élevée offre une protection supérieure.
• Dilatation de l'axe Z :la dilatation de l'axe Z fait référence à la dilatation du matériau le long de l'axe z en pourcentage du coefficient de dilatation thermique. L'expansion inférieure de l'axe z offre également une protection supérieure.

6. Alignement des CTE

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) mesure la dilatation d'un matériau lorsqu'il est exposé à des températures élevées. Dans la conception de circuits imprimés, il est idéal que les couches diélectriques aient un CTE similaire à celui des couches de cuivre. De cette façon, si les couches se dilatent, elles le font de manière uniforme, ce qui entraîne un minimum de dommages.

Dans une pile multicouche, si les CTE ne sont pas alignés, les couches se dilatent à des rythmes radicalement différents, ce qui peut provoquer des déformations et des perturbations. Si cette expansion inégale se produit lors de l'assemblage du circuit imprimé, les désalignements peuvent également causer de graves problèmes de perçage.

Le choix de matériaux PCB avec des CTE inférieurs permet d'éviter la surchauffe. Par exemple, le PTFE chargé de fibres de verre ou de microverre tissées a d'excellentes caractéristiques électriques, mais il a également un CTE élevé. Ce matériau est donc un mauvais choix lorsque la ténacité thermique est une priorité absolue. D'autre part, le PTFE chargé de céramique a un CTE inférieur et se comporte bien mieux à des températures élevées, bien qu'il perde un peu en caractéristiques électriques.

7. Maintenir un espacement adéquat

Déterminer l'espacement des composants sur un PCB peut être un processus délicat. Lorsque les composants de la carte sont trop proches les uns des autres, une diaphonie peut en résulter, c'est-à-dire que différents composants peuvent commencer à interagir les uns avec les autres de manière indésirable. Ces interactions indésirables conduisent à ce que l'on appelle l'effet de peau. Lorsque l'effet de peau se produit, les résistances de trace augmentent, entraînant des pertes résistives et ajoutant de la chaleur au circuit. L'effet de peau est particulièrement courant avec les PCB haute fréquence, les ingénieurs doivent donc faire très attention à l'espacement des composants pour empêcher les cartes de surchauffer.

8. Intégrer correctement les caloducs

Les caloducs dans un PCB peuvent également aider à disperser la chaleur. Le liquide dans les tuyaux peut absorber la chaleur et l'empêcher d'endommager les composants de la carte.

9. Maximiser le RTI et le MOT

L'indice thermique relatif (RTI) et la température de fonctionnement maximale (MOT) sont deux mesures pertinentes auxquelles les ingénieurs doivent prêter une attention particulière lors de la conception des PCB.

RTI indique la température la plus élevée qu'un matériau peut supporter sans subir de modifications de ses propriétés ou une réduction de ses performances. MOT fait référence à la température la plus élevée qu'une configuration de carte de circuit imprimé particulière peut supporter sans subir de modifications de ses propriétés ni de diminution de ses performances. Les ingénieurs doivent garder ces deux mesures à l'esprit lors de la conception des PCB et choisir des matériaux et des composants de circuit avec une résistance à la chaleur robuste telle que déterminée par ces métriques.

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