Techniques avancées de dissipation thermique pour une performance PCB fiable

Lorsque vous devez créer des circuits imprimés (PCB) pour divers dispositifs et équipements, l'une des principales considérations que vous voudrez faire est la qualité de sa dissipation de chaleur. En dissipant correctement la chaleur dans les PCB, vous pouvez les protéger contre les problèmes de performance et les pannes totales causés par des températures excessives. Tout PCB dans lequel vous investissez devrait être conçu avec des caractéristiques de dissipation thermique appropriées pour s'assurer qu'il ne surchauffera pas et fournira une performance constante.

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 circule à travers des composants électroniques, la charge thermique augmente. La quantité de chaleur que le composant électronique produit variera en fonction de la conception du circuit, de la quantité de puissance et des caractéristiques du dispositif. Vous trouverez souvent que des composants mal montés, des éléments externes, une ventilation inadéquate et un assemblage incorrect causent la surchauffe des PCB.

Bien que les PCB puissent gérer une certaine chaleur, des températures excessives peuvent causer des problèmes majeurs. Certains effets négatifs sur les PCB dus à l'excès de chaleur incluent 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 faire faiblir la performance 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 entièrement, avec des dommages permanents au PCB.

Techniques de dissipation thermique

Puisque l'excès de chaleur peut causer des problèmes significatifs, vous voudrez probablement que votre PCB ait des propriétés de dissipation thermique. Lorsque vous voulez éliminer la chaleur de vos PCB, vous pouvez compter sur quelques techniques différentes de dissipation thermique. Par exemple, l'ajout de dissipateurs thermiques et de ventilateurs de refroidissement peut être un excellent moyen de dissiper la chaleur.

Apprenez-en plus sur comment dissiper la chaleur dans les PCB en examinant quelques techniques principales ci-dessous :

1. Ajouter des ventilateurs de refroidissement et des dissipateurs thermiques

Les dissipateurs thermiques sont des pièces métalliques thermiquement conductrices dotées d'une grande surface, et les concepteurs de PCB les utilisent couramment pour dissiper la chaleur. Généralement, ces pièces sont attachées aux composants générateurs de chaleur comme les dispositifs de commutation. Une fois attachés, 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.

Aux côtés de l'emploi de dissipateurs thermiques dans vos PCB et d'autres composants de votre dispositif, vous pouvez ajouter des ventilateurs de refroidissement. Ces ventilateurs ajoutent un flux d'air frais dans votre dispositif pour éliminer rapidement la chaleur et l'empêcher de s'accumuler. Généralement, les ventilateurs de refroidissement sont utilisés pour les alimentations à courant élevé, car ils aident à une élimination de chaleur plus efficace et plus rapide.

2. Utiliser des pistes en cuivre épaisses

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

3. Investir dans des caloducs (Heat Pipes)

Si vous avez un PCB installé dans un dispositif compact avec une quantité limitée d'espace, les caloducs peuvent aider à la dissipation thermique du PCB. Ces tuyaux aident à absorber la chaleur avec des fluides, comme de petites quantités d'ammoniac, d'eau, d'acétone ou d'azote. Après que le fluide absorbe la chaleur, le tuyau libère alors de la vapeur. Cette vapeur s'écoule le long du tuyau jusqu'à ce qu'elle atteigne un condenseur, qui condense alors la vapeur sous forme liquide, permettant au tuyau de faire un cycle continu.

En raison de la capacité d'un caloduc à transférer facilement la chaleur, les entreprises recherchant un transfert passif rentable et fiable les choisissent souvent. Avec ces tuyaux installés, vos dispositifs auront une meilleure conductivité thermique et n'auront pas besoin de beaucoup de maintenance. Ces tuyaux sont également très silencieux en raison de l'absence de pièces mobiles, et ils sont sans vibration.

4. Choisir les bons matériaux de carte

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

L'utilisation d'une base en polyimide est souvent un bon choix pour la dissipation thermique. Les PCB flex ont des matériaux plus fins et flexibles permettant un rapport surface/volume plus grand. Les PCB en aluminium, un type de carte à noyau métallique, sont un autre excellent choix pour la dissipation thermique 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 de 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 faits soit de nitrure d'aluminium soit d'alumine, les PCB en céramique conviennent aux applications nécessitant une haute résistance à la chaleur et des connexions à haute fréquence. En plus d'une haute conductivité thermique, ils ont un faible coefficient d'expansion thermique, une grande polyvalence et une résistance à l'érosion chimique, donc ils fonctionnent bien dans de nombreux environnements.

5. Utiliser des réseaux de vias thermiques

Les réseaux de vias thermiques sont un autre excellent choix pour la dissipation thermique, aidant à augmenter la surface et la masse du cuivre. En augmentant la masse et la surface du cuivre, un dispositif aura une résistance thermique réduite. Les réseaux de vias 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 réduire la résistance thermique, les entreprises utilisent souvent des réseaux de vias thermiques près des sources de chaleur pour obtenir une performance améliorée.

Les réseaux de vias thermiques sont populaires pour les entreprises cherchant à éliminer les dissipateurs thermiques de leur PCB. Les réseaux de vias thermiques peuvent être combinés avec un pad dans certaines applications pour conduire la chaleur loin d'un dispositif. Cette combinaison améliore la dissipation thermique du PCB tout en éliminant le besoin de dissipateurs thermiques.

6. Implémenter la technologie Copper Coin

Les Copper Coins sont de petits morceaux de cuivre intégrés dans le PCB. Ils sont généralement placés directement sous un composant générant beaucoup de chaleur. Ils profitent de la conductivité thermique supérieure du cuivre pour tirer la chaleur du composant directement vers le dissipateur thermique. Les Copper Coins sont un excellent moyen de dissiper la chaleur et sont couramment utilisés quand vous avez un petit nombre de composants qui génèrent la majeure partie de la chaleur.

Cette solution localisée se présente sous quelques formes différentes, y compris les T-Coins, I-Coins et C-Coins, que vous utiliseriez selon la forme de la zone. Après le routage, la pièce est intégrée dans un slot de PCB et stratifiée 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 garantir efficacement que la disposition du PCB dissipe la chaleur. Quelques pratiques incluent le placement de pièces sensibles à la température dans les régions de basse température d'un dispositif, comme en bas, et éviter de les installer au-dessus de dispositifs chauffants. Les concepteurs échelonneront également plusieurs pièces placées sur un plan horizontal pour une meilleure ventilation. Si une entreprise veut mieux suivre la température de son PCB, elle placera le thermomètre dans la zone la plus chaude pour des mesures précises.

Une excellente disposition de PCB garantira que les sources de chaleur sont installées le plus loin possible les unes des autres pour éviter l'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 générateurs de chaleur en aval du ventilateur de refroidissement tout en installant les pièces à faible génération de chaleur en amont du ventilateur. Les concepteurs experts de PCB étudieront la circulation d'air du PCB, plaçant les dispositifs à haute production de chaleur dans la zone appropriée basée sur le flux d'air.

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Chez Millennium Circuits Limited (MCL), nous consultons et fournissons régulièrement à nos clients des PCB dotés d'une dissipation thermique exceptionnelle. Puisque nous savons comment la chaleur peut affecter négativement un PCB, nous prenons grand soin de travailler avec nos clients pendant les étapes de prototypage et d'ingénierie pour garantir que tous les PCB que nous fournissons aux clients correspondent à leur application nécessaire et ne seront pas sujets à la surchauffe. Puisque nous prenons le temps de comprendre les besoins de nos clients et de leur fournir des PCB rentables et de haute qualité correspondant à leurs spécifications, nous sommes confiants de pouvoir vous aider.

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