Les principes de conception thermique les plus complets pour les PCB

On estime que plus de la moitié des composants électroniques échouent en raison de fortes contraintes résultant de l'environnement thermique. Ces dernières années, de nombreux dispositifs de circuits intégrés (CI) à grande échelle et hyper-échelle et de technologie de montage en surface (SMT) et de produits électroniques ont commencé à adopter des orientations de développement vers la miniaturisation, la haute densité et la haute fiabilité. En conséquence, les systèmes électroniques demandent des exigences de performances thermiques de plus en plus élevées. Après tout, née avec l'avènement des produits électroniques, la gestion thermique joue un rôle essentiel dans la détermination des performances et des fonctions des systèmes électroniques.

En tant que colonne vertébrale des appareils électroniques, la conception rationnelle des PCB (Printed Circuit Boards) garantit leur haute performance. Si la conception des circuits imprimés échoue partiellement ou même totalement à répondre aux exigences thermiques, les appareils électroniques souffriront certainement d'un risque de dommages ou même d'une défaillance. L'intégrité croissante des modules de circuit et les applications massives des circuits intégrés et des modules multi-puces (MCM) contribuent à l'amélioration de la densité d'assemblage des composants, ce qui conduit ensuite à une densité plus élevée de flux de chaleur sur les PCB. Les PCB de haute qualité proviennent non seulement d'une disposition et d'un routage précis et rationnels, mais s'appuient également sur une fiabilité thermique élevée pour un fonctionnement sécurisé. Par conséquent, il est très important de mettre en œuvre des règles et une analyse complètes de dissipation thermique sur les PCB. Cet article commence par les principes de conception thermique de démarrage et présente des règles de conception thermique adaptées aux ingénieurs pour une application pratique par les concepteurs en électronique pour leur travail.

Principes de base de la conception thermique

La conception thermique est basée sur la théorie de base du transfert de chaleur et de la mécanique des fluides. Là où il y a une différence de température, il y a un transfert de chaleur de la zone à haute température vers la zone à basse température. Le transfert de chaleur peut être réalisé par conduction thermique, convection thermique et rayonnement thermique.

La formule de transfert de chaleur est affichée comme :φ=KAΔt, dans laquelle φ représente la quantité de transmission de chaleur dont l'unité est W, K représente le coefficient de transmission de chaleur dont l'unité est W/(m ² x K), A représente la zone de transmission de chaleur dont l'unité est m ² et Δt représente la différence de température entre le fluide thermique et le fluide froid dont l'unité est K.

La conception thermique des PCB est définie comme le processus dans lequel la résistance thermique de la source de chaleur à l'espace de consommation de chaleur est réduite au minimum grâce à des mesures de refroidissement par des attributs de transmission thermique ou la densité du fluide thermique est contrôlée pour être dans une plage acceptable. Afin d'assurer sa fiabilité, des mesures de conception thermique valides doivent être prises dans les perspectives suivantes, notamment :
a. Refroidissement naturel, qui conduit la chaleur sans force extérieure. Il comprend la conduction thermique, le transfert de chaleur par rayonnement et le transfert par convection naturelle.
b. Refroidissement par air forcé. Il fait circuler l'air de refroidissement à travers les appareils ou composants électroniques, transférant la chaleur de la source de chaleur au dissipateur thermique via le ventilateur ou l'air dynamique.
c. Refroidissement fluide. Il existe deux méthodes de refroidissement par fluide :
1). Le refroidissement direct par fluide fait référence au processus au cours duquel les composants sont directement trempés dans le liquide de refroidissement.
2). Le refroidissement indirect par fluide fait référence au processus au cours duquel les composants ne sont pas directement en contact avec le fluide de refroidissement. Cependant, le refroidissement est effectué par échangeur de chaleur ou plaque froide.
d. Refroidissement par évaporation. Actuellement, c'est la méthode de conduction thermique la plus efficace. La transmission thermique est obtenue par ébullition du fluide de refroidissement.
e. Autres types de mesures de refroidissement :thermotube, plaque froide, réfrigération thermoélectrique.

Dans le processus de gestion thermique, des mesures de conception thermique appropriées peuvent être prises en fonction des conditions pratiques telles que l'environnement de fonctionnement pratique (température, humidité, pression atmosphérique, poussière, etc.), la densité du fluide thermique à bord, la densité du volume de puissance et la consommation électrique totale. , surface, volume, dissipateur de chaleur et autres conditions spéciales, afin d'assurer une répartition uniforme de la température et une élévation de température raisonnable dans une valeur limitée régulée.

Règles de conception thermique

L'objectif général de la conception thermique est de contrôler la température de tous les composants électroniques assemblés sur des cartes de circuits imprimés à l'intérieur de produits électroniques, d'assurer la stabilité des performances électriques, d'éviter ou de réduire la dérive de température des paramètres électriques, de diminuer le taux de défaillance de base des composants, et pour que la température dans l'environnement de fonctionnement ne dépasse pas la température maximale autorisée. Cet article décrit les règles de conception thermique des PCB sous 3 perspectives :l'utilisation des composants sur les PCB, la conception thermique des PCB, l'assemblage des composants et la disposition des PCB.

un. Utilisation de composants électroniques

1). Comment contrôler la température de fonctionnement des composants ?

La température est le premier élément affectant les performances et le taux de défaillance des composants. La température de fonctionnement et la consommation d'énergie les plus élevées autorisées doivent être déterminées en fonction du niveau de fiabilité requis et du taux de défaillance réparti de chaque composant. Le tableau 1 montre les valeurs de température de surface maximale admissible des composants du point de vue de la fiabilité de la conception thermique.

Composants	Max. Température de surface/°C	Composants	Max. Température de surface/°C
Transformateur, starter	95	Condensateur céramique	80-85
Résistance à film métallique	100	Condensateur vitrocéramique	200
Résistance à film de carbone	120	Transistor au silicium	150-200
Résistance à film de palladium	200	Transistor au germanium	70-90
Résistance bobinée à fil pressé	150	Tube à vide	15-200
Résistance imprimée	85	Emballage plat entièrement scellé CMOS	125
Peindre une résistance bobinée	225	DIP céramique, DIP porcelaine noire	/
Condensateur papier	75-85	DIP plastique CMOS	85
Condensateur à film	60-130	CI à petite échelle TTL	25-125
Condensateur Mica	70-120	CI moyenne échelle TTL	70-85

2). Comment contrôler la température de jonction des composants ?

La température de jonction des composants dépend de sa propre consommation d'énergie, de sa résistance thermique et de la température ambiante. Ainsi, les mesures de contrôle de la température de jonction dans une plage autorisée incluent :
• Les composants à faible résistance thermique interne sont détectés.
• Le déclassement est utilisé pour réduire l'augmentation de la température.
• Les circuits, en particulier ceux contenant des composants de puissance, doivent dépendre d'une conception thermique élaborée pour la fiabilité avec les directives décrites dans le manuel standard conformément.

3). Comment concevoir un déclassement lorsque des composants sont utilisés ?

En fonction des besoins, la conception de déclassement peut être mise en œuvre dans la pratique afin de faire en sorte que les composants fonctionnent dans des conditions inférieures au paramètre nominal (puissance, tension, courant) afin que l'augmentation de la température et le taux de défaillance soient considérablement réduits.

b. Règles de conception thermique des PCB

L'assemblage vertical des PCB est bénéfique pour la dissipation de la chaleur et la distance entre les cartes doit être maintenue à au moins 20 mm. Les règles de conception thermique des cartes incluent :
1). Le matériau avec une capacité anti-haute température et un paramètre de conduction élevé est utilisé comme matériau de substrat des PCB. En ce qui concerne les circuits à haute puissance et densité, la base en aluminium et la céramique peuvent être utilisées comme matériau de substrat en raison de leur faible résistance thermique (PCBCart est tout à fait capable de fabriquer des PCB avec ces matériaux de substrat. Vous pouvez envoyer vos fichiers PCB avec la quantité requise sur cette page pour le devis des circuits imprimés à base d'aluminium et de céramique).
2). La structure multicouche est un choix optimal pour la dissipation thermique des PCB.
3). Pour améliorer la capacité de conduction thermique des cartes de circuits imprimés, il est préférable d'utiliser des cartes dissipant la chaleur. La carte à noyau métallique peut être appliquée dans les PCB multicouches pour obtenir une excellente dissipation de la chaleur entre la carte, les dispositifs de support et les dispositifs de dissipation de la chaleur. Un revêtement protecteur et un matériau d'encapsulation peuvent être utilisés si nécessaire pour accélérer la transmission thermique vers les dispositifs de support ou les dispositifs de dissipation de chaleur.

4). Afin d'augmenter la capacité de dissipation thermique des PCB, un jeu de barres peut être utilisé, qui peut être considéré comme un excellent radiateur et est capable d'augmenter les performances anti-interférence des PCB.
5). Pour améliorer la capacité de dissipation thermique des PCB, l'épaisseur de la feuille métallique doit être augmentée et le conducteur interne doit utiliser une feuille métallique de grande surface. De plus, la largeur des lignes de masse doit être correctement augmentée car les lignes de masse de grande surface sont à la fois capables d'augmenter la capacité anti-interférence et la capacité de dissipation de la chaleur.

c. Assemblage des composants et disposition du circuit imprimé

La disposition des composants est tout à fait essentielle pour les performances thermiques des PCB, en particulier ceux qui sont placés verticalement. La direction d'assemblage des composants doit être conforme aux caractéristiques d'écoulement du liquide de refroidissement pour fournir le liquide de refroidissement avec le moins de résistance. Les règles s'appliquant aux composants en termes d'assemblage et de disposition incluent :

1). Pour les produits avec méthode de refroidissement par air à convection libre, il est préférable de disposer les circuits intégrés ou d'autres composants dans le sens de la longueur, comme dans l'exemple illustré à la figure 2 ci-dessous. Pour les produits avec une méthode de refroidissement par air forcé, il est préférable d'organiser les circuits intégrés ou d'autres composants dans un agencement long, comme dans l'exemple illustré à la figure 3 ci-dessous.

2). Les composants d'un même circuit imprimé doivent être classés et placés en fonction de leur productivité thermique et de leur niveau de dissipation thermique. Les composants à faible productivité thermique ou à faible résistance thermique (transistor à petit signal, circuit intégré à petite échelle, condensateur électrolytique, etc.) doivent être placés en amont (entrée) tandis que les composants à productivité thermique élevée ou à résistance thermique élevée (transistor à fréquence, hyper-échelle IC, etc.) doit être placé en aval. À la périphérie des amplificateurs à petit signal doivent être placés des composants avec une faible dérive de température et les condensateurs à milieu liquide doivent être éloignés de la source de chaleur.
3). Dans le sens horizontal, les composants à haute fréquence doivent être disposés à côté du bord des PCB afin de minimiser le chemin de transmission de chaleur. Dans le sens vertical, les composants à haute fréquence doivent être disposés près de la partie supérieure des PCB afin de réduire leur influence sur la température des autres composants.
4). Les composants sensibles à la température doivent être disposés dans la zone à la température la plus basse, comme le dessous d'un produit. Ils ne doivent pas être placés juste au-dessus des composants générant de la chaleur et ils doivent être placés loin des composants générant de la chaleur ou en être isolés.
5). Les composants qui consomment le plus d'énergie et génèrent le plus de chaleur doivent être disposés à côté du meilleur endroit pour la dissipation de la chaleur. Ne placez jamais les composants à haute température dans les coins ou les bords à moins que des radiateurs ne soient disposés autour d'eux. Lors de l'agencement des résistances de puissance, des composants relativement volumineux doivent être récupérés et un espace de dissipation thermique suffisant doit leur être laissé lors du processus de configuration du circuit imprimé.
6). L'alimentation doit être répartie uniformément sur les PCB pour maintenir l'équilibre et la conformité et éviter la concentration des points de chaleur. Il est difficile d'atteindre une uniformité stricte, mais les zones à puissance extrêmement élevée doivent être évitées au cas où des points surchauffés perturberaient le fonctionnement normal de l'ensemble du circuit.
7). Dans le processus de conception de PCB, le chemin d'écoulement d'air doit être pleinement pris en considération et les composants doivent être disposés de manière raisonnable. L'air a tendance à s'écouler vers l'endroit avec peu de résistance, donc un espace aérien relativement grand doit être évité lors de la disposition des composants sur les PCB.
8). La technologie d'assemblage thermique doit être appliquée sur les cartes de circuits imprimés pour obtenir un effet de transmission de chaleur relativement bon. Plus de la moitié de la chaleur générée par des composants tels que les circuits intégrés et les microprocesseurs est transmise aux PCB via leurs propres fils dont les trous d'assemblage doivent utiliser des trous de métallisation. Ces composants peuvent également être directement montés sur un bâton ou un panneau de conduction thermique pour réduire la résistance thermique causée par les composants.
9). La résistance thermique doit être réduite autant que possible dans les connexions entre les composants à forte dissipation thermique et les PCB. Afin de répondre à l'exigence d'attributs thermiques, certains matériaux de conduction thermique peuvent être utilisés sous la puce et la dissipation thermique des composants dans la zone de contact doit être maintenue.
10). Les broches des composants doivent être raccourcies lors de la connexion des composants et des PCB. Lors de la sélection de composants à forte consommation d'énergie, la conductivité du matériau en plomb doit être prise en compte. Si possible, choisissez des composants dont les fils ont une plus grande section et qui ont le plus de broches.

ré. Autre exigence
1). Ensemble de composants :le type d'ensemble de composants et le taux de conduction thermique doivent être pris en compte dans la conception thermique du circuit imprimé. Un chemin de conduction thermique peut être prévu entre le substrat et le boîtier du composant et une rupture d'air doit être évitée sur le chemin de conduction thermique.
2). Méthode technique :une température élevée locale peut être causée dans les zones avec des composants des deux côtés de la carte. Afin de modifier les conditions de dissipation thermique, du cuivre fin peut être ajouté dans la pâte à souder afin que les points de soudure atteignent une certaine hauteur sous les composants. L'espace aérien est augmenté entre les composants et la carte PCB de sorte que la convection thermique puisse être améliorée.
3). Trous de dissipation thermique :certains trous de dissipation thermique et trous borgnes peuvent être disposés sur les PCB afin d'augmenter efficacement la zone de dissipation thermique, de diminuer la résistance thermique et d'augmenter la densité de puissance des PCB.

Analyse thermique

Basé sur le transfert de chaleur informatique, l'analyse thermique dont les méthodes de calcul numérique comprennent principalement la méthode des différences finies, la méthode des éléments finis et la méthode des éléments limites, se référant au processus de simplification des modules, d'établissement de modules mathématiques, de résolution d'équations non linéaires, de création et d'ajustement de la procédure analytique et calcul, mesure et test des paramètres thermiques.

En tant qu'aspect fondamental de la conception thermique, l'analyse thermique est une méthode importante pour évaluer l'importance de la conception thermique. L'analyse thermique des PCB fait référence au processus d'établissement du module thermique des composants et de définition des paramètres de contrôle de simulation en fonction de la structure et de la matière première des PCB, du type d'emballage des composants et de l'environnement de fonctionnement des PCB pour estimer les valeurs des comportements thermiques des PCB. L'analyse thermique doit être effectuée dans la phase de conception avant la mise en page et tout au long du processus de conception du PCB.

Les valeurs de température des composants, de température de la carte et de température du flux d'air peuvent être obtenues à partir d'une analyse thermique, affichant les attributs thermiques des PCB sous la forme d'images colorées, de graphiques visuels isothermes de température ou de données spécifiques.

Sur la base du résultat de l'analyse thermique, les problèmes thermiques des PCB peuvent être découverts rapidement et des mesures opportunes peuvent être prises correctement et les zones denses à haute température peuvent être éliminées, ce qui déterminera le chemin de conduction thermique, optimisera les positions des composants clés, la forme du radiateur et de la taille pour tirer pleinement parti du taux de dissipation thermique, augmenter l'efficacité de la transmission thermique des trous de dissipation thermique et des radiateurs et déterminer l'espace entre les cartes et les composants sur les cartes.

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Ressources utiles
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