Guide complet de la gestion thermique des PCB

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

 

La température est un élément important de la sécurité, de la fiabilité et de la performance dans les 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 pourrait produire une chaleur excessive. Un élément externe — par exemple, un autre composant dans un système complexe comme un système aérospatial ou une application médicale — pourrait générer une chaleur excessive. La chaleur pourrait s'accumuler dans le PCB en raison d'une ventilation inadéquate. Ou lors de l'assemblage du PCB, la chaleur produite pendant le perçage et la soudure pourrait causer un stress thermique excessif sur les composants et conduire à des cartes défectueuses.

Quelle qu'en soit la raison, les ingénieurs ont besoin de moyens pour gérer la chaleur afin de garantir que les PCB puissent survivre aux contraintes thermiques élevées qu'ils rencontreront inévitablement. Quelles sont les techniques efficaces de dissipation de chaleur PCB et les moyens de prévenir l'élévation de température ? Nous y répondrons plus en détail ci-dessous.

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

La surveillance de la température du PCB est cruciale car des températures élevées peuvent altérer la structure du PCB et diminuer sa performance ou le faire tomber en panne.

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

Une chaleur excessive dans un PCB 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 froides, elles se dilatent et se contractent. Une chaleur excessive peut entraîner un gauchissement dans les longueurs, largeurs et épaisseurs de différentes couches de PCB.
• Perturbation des lignes de circuit : Une chaleur excessive peut également entraîner des dommages aux circuits. Les lignes de circuit se dilatent et changent de forme lorsqu'elles surchauffent. Une fois cela arrivé, les circuits deviennent sensibles aux décalages de fréquence, aux distorsions et aux pertes droites. Leur impédance de conducteur peut également dévier de sa valeur standard de 50 ohms. Les circuits à ondes millimétriques et les circuits micro-ondes, en particulier, ont de minuscules composants délicats qui peuvent facilement subir des dommages s'ils se dilatent et se déforment à haute température.
• Taux d'expansion des matériaux incompatibles : Les effets néfastes notés ci-dessus sont aggravés par le fait que différents matériaux se dilatent à des taux différents. Un PCB a deux types de couches de base : les couches diélectriques et les couches de métal conducteur. Parce qu'elles contiennent des matériaux différents, elles se dilatent différemment en réponse à la chaleur. Ainsi, un PCB en surchauffe peut subir d'autres dommages lorsque les différents types de couches se séparent.
• Oxydation : L'oxydation des composants PCB est également une préoccupation à haute température. Le matériau diélectrique exposé dans les PCB n'a pas de protection contre l'oxydation s'il n'a pas de revêtement de stratifié protecteur. Dans ce cas, le matériau peut rouiller après exposition à une chaleur élevée. La perte de lignes de transmission et un facteur de dissipation plus élevé en résultent souvent.

 

Comment mesurer la température du PCB

Avant de mesurer la température du PCB, il est essentiel de déterminer la source de chaleur principale 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 attachées au substrat de la source de chaleur. Un grand pourcentage de la chaleur générée dans un PCB se déplace vers le capteur de température à travers ces broches GND. Comme les broches se connectent au substrat, elles ont la résistance thermique la plus faible 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 du PCB implique généralement trois étapes différentes :

1. Placer un plan de masse entre les capteurs de température et la source de chaleur.
2. Connecter les broches GND de chaque capteur de température au plan de masse de la source de chaleur.
3. S'assurer que les capteurs de température et la source de chaleur restent proches l'un de l'autre sur le PCB.

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

Quelle est la température maximale qu'un PCB peut supporter ?

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

Les PCB sont généralement définis comme des PCB haute température s'ils peuvent résister à une limite de température de 150 degrés Celsius. Certains PCB haute température peuvent supporter des chaleurs encore plus élevées, mais les cartes fabriquées à partir de matériaux avec moins de résistance thermique ne pourront fonctionner en toute sécurité qu'à des températures bien plus basses. Les PCB haute température deviennent de plus en plus courants dans des applications telles que l'automobile et l'industrie où les températures extrêmes font partie de l'environnement de travail.

Causes courantes de température élevée dans un PCB

1. Dysfonctionnement d'un composant causant une dissipation

Une cause courante de température élevée dans un PCB est qu'un composant à l'intérieur du PCB dysfonctionne et se dissipe, ne générant pas la quantité d'énergie qu'il produit habituellement. Lorsque cela se produit, les composants environnants doivent générer plus d'énergie pour compenser. Générer plus d'énergie entraîne le risque de surchauffe.

2. Interférence des trous traversants

Les composants traversants et les composants dissipateurs de chaleur sont les composants du PCB qui fournissent l'énergie. Ils génèrent de la chaleur et la dissipent dans l'air. Si un dissipateur de chaleur est soudé incorrectement, ou si un autre composant du PCB interfère avec le trou traversant, les autres composants généreront plus de chaleur que d'habitude pour compenser. Ce scénario conduit également à un risque de surchauffe.

3. Distance des composants CMS (SMD)

Les composants montés en surface (CMS) se connectent au PCB de la même manière que les composants traversants. Ils permettent un flux de courant plus fluide à travers les composants traversants et dissipateurs de chaleur. Mais les composants traversants et les CMS doivent être positionnés à la bonne distance l'un de l'autre. S'ils sont trop éloignés, le courant aura plus de distance à parcourir. Le temps supplémentaire que met le courant à voyager 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 à haute fréquence

Les températures élevées sont particulièrement probables dans les applications qui utilisent des circuits à 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 PCB. Ces circuits sont hautement complexes mais ont de nombreuses applications utiles, de la sécurité sans fil dans les produits médicaux et industriels aux smartphones. Ces circuits à haute fréquence ont tendance à générer d'énormes quantités de chaleur, donc des techniques de conception spéciales sont nécessaires pour ces types de PCB.

5. Soudure sans plomb

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

Comment prévenir les températures élevées dans un PCB

Comme nous l'avons vu, prévenir l'élévation de la température du PCB est crucial. Mais comment réduire la chaleur dans un PCB ? Les ingénieurs peuvent employer quelques techniques différentes de dissipation de chaleur PCB :

1. Dissipateurs de chaleur (Heat Sinks)

Un PCB est essentiellement une usine de génération de chaleur en raison de tous les composants producteurs de chaleur qu'il contient. Le PCB a besoin d'un moyen de dissiper toute cette énergie thermique. Généralement, la réponse implique des dissipateurs de chaleur. Les dissipateurs de chaleur dissipent la chaleur en toute sécurité pour 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 de leur but est d'aider à refroidir les PCB. Les ventilateurs de refroidissement dispersent la chaleur hors des appareils électroniques tout en laissant entrer l'air frais, aidant à prévenir la surchauffe et à prolonger la durée de vie et la performance du PCB.

3. Choix des matériaux et 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 à cuivre épais construits avec des plaques de cuivre épaisses font d'excellents choix pour leur durabilité et leur capacité à résister aux températures élevées. Ils gèrent des niveaux de courant plus élevés, résistent à des températures plus élevées pendant de plus longues périodes et offrent des points de connexion plus solides que les PCB standards. Pour ces raisons, ils sont particulièrement utiles dans les applications automobiles, aéronautiques, machines lourdes et convertisseurs de puissance et autres environnements lourds.

De nombreux PCB contiennent du FR-4, qui, bien qu'utile comme retardateur de flamme, ne tolère pas des températures extrêmement élevées. Savoir qu'un PCB contient du FR-4 dans sa construction permet 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 maculer sous la chaleur du perçage, et la maculation est très difficile à éliminer. Ces matériaux ne sont pas aussi courants dans les PCB que le FR-4, mais les ingénieurs devraient faire preuve de prudence dans leurs conceptions s'ils travaillent avec ces matériaux également. L'utilisation d'un stratifié haute température dans ces situations est fortement recommandée.

4. Augmenter l'épaisseur et la largeur des pistes

Dans les PCB, les pistes plus épaisses ont tendance à conduire la chaleur moins efficacement que les plus fines. Elles nécessitent plus d'énergie pour atteindre des températures élevées, donc avec la bonne ingénierie, elles peuvent aider à réduire le risque de surchauffe, de gauchissement et de perturbation.

5. Application de stratifiés

L'application de stratifiés est une autre façon de prévenir les dommages dus aux températures élevées. Les stratifiés PCB haute température peuvent prévenir la surchauffe en offrant une protection thermique pour les composants du PCB.

Les stratifiés haute température devraient avoir les propriétés protectrices suivantes :

• Température de transition vitreuse (Tg) : La température de transition vitreuse fait référence à la température à laquelle les polymères passent thermodynamiquement de rigides à mous. Les PCB à Tg élevé offrent une protection supérieure.
• Temps jusqu'à la délamination : La chaleur élevée peut délaminer un stratifié PCB au fil du temps. Les meilleurs stratifiés mettront longtemps à se délaminer à haute température.
• Absorption d'humidité : Les stratifiés PCB devraient 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 fonctionne dans un environnement où il peut être exposé aux éléments, des capacités d'absorption d'humidité adéquates sont critiques.
• Température de décomposition (Td) : La température de décomposition fait référence à la température à laquelle 5 % de la masse du stratifié est perdue par décomposition. Une température de décomposition élevée offre une protection supérieure.
• Expansion sur l'axe Z : L'expansion sur l'axe Z fait référence à l'expansion du matériau le long de l'axe Z en pourcentage du coefficient d'expansion thermique. Une expansion sur l'axe Z plus faible offre également une protection supérieure.

 

6. Aligner les CTE

Le coefficient d'expansion thermique (CTE) mesure de combien un matériau se dilate lorsqu'il est exposé à des températures élevées. Dans la conception de PCB, il est idéal que les couches diélectriques aient un CTE similaire à celui des couches de cuivre. Ainsi, si les couches se dilatent, elles le font de manière uniforme, ce qui entraîne des dommages minimes.

Dans un empilement multicouche, si les CTE ne sont pas alignés, les couches se dilateront à des taux radicalement différents, ce qui peut causer gauchissement et perturbation. Si cette dilatation inégale se produit pendant l'assemblage du PCB, les désalignements peuvent également causer de sérieux problèmes pour le perçage.

Choisir des matériaux PCB avec des CTE plus faibles aide à prévenir la surchauffe. Par exemple, le PTFE rempli de verre tissé ou de microfibres de verre a d'excellentes caractéristiques électriques, mais aussi un CTE élevé. Ce matériau est donc un mauvais choix lorsque la robustesse thermique est une priorité absolue. D'autre part, le PTFE rempli de céramique a un CTE plus faible et fonctionne beaucoup mieux à haute température, 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, de la diaphonie peut résulter — c'est-à-dire que différents composants peuvent commencer à interagir entre eux de manière indésirable. Ces interactions non désirées mènent à ce qu'on appelle l'effet de peau. Lorsque l'effet de peau se produit, les résistances de piste augmentent, entraînant des pertes résistives et ajoutant de la chaleur au circuit. L'effet de peau est particulièrement courant avec les PCB haute fréquence, donc les ingénieurs doivent prendre un soin particulier avec l'espacement des composants pour empêcher les cartes de surchauffer.

8. Intégrer correctement les caloducs (heat pipes)

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 l'RTI et le MOT

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

L'RTI indique la température la plus élevée qu'un matériau peut supporter sans subir de changements dans ses propriétés ou une réduction de sa performance. Le MOT fait référence à la température la plus élevée qu'une configuration de circuit imprimé particulière peut supporter sans subir de changements dans ses propriétés ou une diminution de sa performance. Les ingénieurs devraient garder ces deux mesures à l'esprit dans la conception des PCB et choisir des matériaux et des composants de circuit avec une résistance thermique robuste déterminée par ces métriques.

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