Techniques de dissipation thermique

Lorsque vous devez créer des cartes de circuits imprimés (PCB) pour divers appareils et équipements, l'une des principales considérations à prendre en compte est la capacité de dissipation de la chaleur. En dissipant correctement la chaleur dans les PCB, vous pouvez les protéger contre les problèmes de performances et les pannes totales causées par des températures excessives. Tout PCB dans lequel vous investissez doit être conçu avec des fonctions de dissipation thermique appropriées pour garantir qu'il ne surchauffera pas et vous fournira des performances constantes.

Découvrez pourquoi la chaleur est un problème et quelques conseils pour la dissipation thermique des PCB.

Pourquoi la chaleur est un problème dans les PCB

Chaque fois qu'un courant traverse des composants électroniques, la charge thermique augmente. La quantité de chaleur produite par le composant électronique varie en fonction de la conception du circuit, de la quantité de puissance et des caractéristiques de l'appareil. Vous constaterez souvent que des composants mal montés, des éléments externes, une ventilation inadéquate et un assemblage incorrect provoquent une surchauffe des PCB.

Bien que les PCB puissent supporter une certaine chaleur, des températures excessives peuvent causer des problèmes majeurs. Certains effets négatifs sur les PCB dus à une chaleur excessive comprennent la perturbation des lignes de circuit, l'oxydation des composants, la perte d'intégrité structurelle et des taux d'expansion de matériaux incompatibles. Ces effets peuvent entraîner une baisse des performances d'un PCB. Si le PCB est exposé à trop de chaleur pendant une période prolongée, le PCB commencera à mal fonctionner et peut même échouer complètement, avec des dommages permanents au PCB.

Techniques de dissipation thermique

Étant donné qu'un excès de chaleur peut causer des problèmes importants, vous souhaiterez probablement que votre PCB ait des propriétés de dissipation thermique. Lorsque vous souhaitez évacuer la chaleur de vos circuits imprimés, vous pouvez compter sur différentes techniques de dissipation thermique. Par exemple, l'ajout de dissipateurs de chaleur et de ventilateurs de refroidissement peut être un excellent moyen de dissiper la chaleur.

En savoir plus sur la façon de dissiper la chaleur dans les PCB en passant en revue certaines techniques principales ci-dessous :

1. Ajouter des ventilateurs de refroidissement et des dissipateurs de chaleur

Les dissipateurs thermiques sont des pièces métalliques thermiquement conductrices présentant une grande surface, et les concepteurs de circuits imprimés les utilisent couramment pour dissiper la chaleur. Habituellement, ces pièces sont attachées à des composants produisant de la chaleur comme des dispositifs de commutation. Une fois fixé, un dissipateur thermique permettra au composant de transférer la chaleur vers d'autres zones et de dissiper la chaleur sur la grande surface du dissipateur thermique.

En plus d'utiliser des dissipateurs de chaleur dans vos PCB et d'autres composants de votre appareil, vous pouvez ajouter des ventilateurs de refroidissement. Ces ventilateurs ajoutent un flux d'air frais dans votre appareil pour évacuer rapidement la chaleur et l'empêcher de s'accumuler. Généralement, les ventilateurs de refroidissement sont utilisés pour les alimentations à courant élevé, car ils contribuent à une évacuation plus efficace et plus rapide de la chaleur.

2. Utiliser des traces de cuivre épaisses

Lorsque vous avez besoin d'un circuit imprimé pour des applications à haute puissance, l'ajout de traces de cuivre épaisses et lourdes est généralement le bon choix. En utilisant des traces de cuivre épaisses, la chaleur aura une plus grande surface pour la distribution et la dissipation de la chaleur.

3. Investissez dans des caloducs

Si vous avez un PCB installé dans un appareil compact avec un espace limité, les caloducs peuvent aider à la dissipation de la chaleur du PCB. Ces tuyaux aident à absorber la chaleur avec des fluides, tels que de petites quantités d'ammoniac, d'eau, d'acétone ou d'azote. Une fois que le fluide a absorbé la chaleur, le tuyau libère alors de la vapeur. Cette vapeur s'écoule dans le tuyau jusqu'à ce qu'elle atteigne un condenseur, qui condense ensuite la vapeur sous forme liquide, permettant au tuyau de fonctionner en continu.

En raison de la capacité d'un caloduc à transférer facilement la chaleur, les entreprises à la recherche d'un transfert passif rentable et fiable les choisissent souvent. Avec ces tuyaux installés, vos appareils auront une meilleure conductivité thermique et ne nécessiteront pas beaucoup d'entretien. Ces tuyaux sont également très silencieux en raison de l'absence de pièces mobiles et ils sont exempts de vibrations.

4. Choisissez les bons matériaux de planche

Une autre technique pour une meilleure dissipation de la chaleur consiste à choisir les matériaux de panneau les mieux adaptés pour évacuer la chaleur. Certains matériaux de PCB n'ont pas les propriétés requises pour faire face à une chaleur extrême. Si vous savez que votre appareil sera exposé à des températures élevées, il est essentiel de sélectionner des matériaux dotés de propriétés de dissipation de la chaleur.

L'utilisation d'une base en polyimide est souvent un bon choix pour la dissipation de la chaleur. Les PCB flexibles ont des matériaux plus fins et flexibles permettant un rapport surface/volume plus important. Les PCB en aluminium, un type de carte à noyau métallique, sont un autre excellent choix pour la dissipation de la chaleur en raison de leur couche diélectrique. Cette couche aide à absorber la chaleur et à la transférer à la couche d'aluminium, où la chaleur est efficacement dispersée. Ces PCB en aluminium sont bénéfiques pour les applications à haute puissance. Pour les projets à haute température, les PCB en cuivre offrent la meilleure dissipation thermique et conductivité thermique.

Une option non métallique efficace est les PCB en céramique. Généralement constitués de nitrure d'aluminium ou d'alumine, les circuits imprimés en céramique conviennent aux applications nécessitant une résistance élevée à la chaleur et des connexions haute fréquence. En plus d'une conductivité thermique élevée, ils ont un faible coefficient de dilatation thermique, une grande polyvalence et une résistance à l'érosion chimique, de sorte qu'ils fonctionnent bien dans de nombreux environnements.

5. Utiliser des réseaux via thermiques

Les réseaux via des réseaux thermiques sont un autre excellent choix pour la dissipation de la chaleur, contribuant à augmenter la surface et la masse du cuivre. En augmentant la masse et la surface du cuivre, un appareil aura une résistance thermique réduite. Les réseaux via thermiques offrent également une plus grande dissipation thermique pour les composants critiques car ils permettent une meilleure conduction. En raison de leur capacité à dissiper la chaleur et à réduire la résistance thermique, les entreprises utilisent souvent la chaleur via des générateurs proches des sources de chaleur pour obtenir de meilleures performances.

Les matrices thermiques sont populaires pour les entreprises qui cherchent à retirer les dissipateurs thermiques de leur PCB. Les réseaux via thermiques peuvent être combinés avec un tampon dans certaines applications pour évacuer la chaleur d'un appareil. Cette combinaison améliore la dissipation thermique du PCB tout en supprimant le besoin de dissipateurs thermiques.

6. Mettre en œuvre la technologie des pièces de monnaie en cuivre

Les pièces de monnaie en cuivre sont de petits morceaux de cuivre intégrés dans le circuit imprimé. Ils sont généralement placés directement sous un composant générant beaucoup de chaleur. Ils tirent parti de la conductivité thermique supérieure du cuivre pour évacuer la chaleur du composant directement vers le dissipateur thermique. Les pièces en cuivre sont un excellent moyen de dissiper la chaleur et sont couramment utilisées lorsque vous avez un petit nombre de composants qui génèrent la majeure partie de la chaleur.

Cette solution localisée se présente sous différentes formes, notamment les T-Coins, les I-Coins et les C-Coins, que vous utiliserez en fonction de la forme de la zone. Après le routage, la pièce est intégrée dans une fente PCB et laminée et métallisée pour une connexion étanche.

7. Optimiser la disposition du PCB

Lorsqu'une entreprise conçoit un PCB, elle s'appuie souvent sur quelques bonnes pratiques pour s'assurer que la disposition du PCB dissipe efficacement la chaleur. Quelques pratiques consistent à placer des pièces sensibles à la température dans les régions à basse température d'un appareil, comme en bas, et à éviter de les installer au-dessus des appareils de chauffage. Les concepteurs échelonneront également plusieurs pièces placées sur un plan horizontal pour une meilleure ventilation. Si une entreprise souhaite mieux suivre la température de son PCB, elle placera le thermomètre dans la zone la plus chaude pour des mesures précises.

Une excellente disposition des circuits imprimés garantira que les sources de chaleur sont installées les plus éloignées les unes des autres pour éviter une accumulation excessive de chaleur. Si un PCB a un ventilateur de refroidissement, c'est aussi une bonne idée pour les concepteurs de placer les composants générant de la chaleur en aval du ventilateur de refroidissement tout en installant des pièces générant peu de chaleur en amont du ventilateur. Les concepteurs de PCB experts étudieront la circulation de l'air du PCB, en plaçant des dispositifs produisant une chaleur élevée dans la zone appropriée en fonction du flux d'air.

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Chez Millennium Circuits Limited (MCL), nous consultons et fournissons régulièrement à nos clients des PCB présentant une dissipation thermique exceptionnelle. Étant donné que nous savons à quel point la chaleur peut avoir un impact négatif sur un PCB, nous prenons grand soin de travailler avec nos clients pendant les étapes de prototypage et d'ingénierie pour nous assurer que tous les PCB que nous fournissons aux clients correspondent à leur application requise et ne seront pas sujets à la surchauffe. Étant donné que nous prenons le temps de comprendre les besoins de nos clients et de leur fournir des circuits imprimés économiques et de haute qualité correspondant à leurs spécifications, nous sommes convaincus que nous pouvons vous aider.

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