Maîtriser la conception thermique PCB : principes essentiels pour la fiabilité

On estime que plus de la moitié des défaillances des composants électroniques sont dues aux contraintes thermiques. Ces dernières années, l'essor des circuits intégrés à grande et très grande échelle et de la technologie CMS a poussé les produits électroniques vers la miniaturisation, la haute densité et la haute fiabilité. Les systèmes électroniques exigent donc des performances thermiques de plus en plus élevées. La gestion thermique, née avec les produits électroniques, joue un rôle critique dans la performance et les fonctions des systèmes électroniques.

En tant que colonne vertébrale des dispositifs électroniques, une conception rationnelle des PCB assure leur haute performance. Si la conception PCB ne répond pas, même partiellement, aux exigences thermiques, les dispositifs subiront des risques de dommages, voire de défaillance. L'intégrité croissante des modules de circuits et l'utilisation massive de CI et modules multi-puces (MCM) augmentent la densité d'assemblage, conduisant à une densité de flux thermique plus élevée sur les PCB. Des PCB de haute qualité découlent non seulement d'un agencement et routage précis, mais aussi d'une fiabilité thermique élevée pour un fonctionnement sûr. Il est donc crucial d'appliquer des règles et analyses complètes de dissipation thermique sur les PCB. Cet article présente les principes de base de la conception thermique et des règles pratiques pour les concepteurs électroniques.

Principes de base de la conception thermique

La conception thermique repose sur la théorie fondamentale du transfert de chaleur et de la mécanique des fluides. Là où il y a une différence de température, il y a transfert de chaleur de la zone chaude vers la zone froide. Le transfert s'effectue par conduction, convection et rayonnement.

La formule du transfert de chaleur : Φ = K A Δt, où Φ = quantité de chaleur transmise (W), K = coefficient de transmission (W/(m²·K)), A = surface de transmission (m²), Δt = différence de température entre fluide chaud et froid (K).

La conception thermique des PCB vise à minimiser la résistance thermique de la source de chaleur vers l'espace de dissipation, ou à maintenir la densité de flux thermique dans une plage acceptable. Pour assurer la fiabilité, des mesures valides doivent être prises sous les angles suivants :

• a. Refroidissement naturel : conduction, rayonnement, convection naturelle sans force externe.
• b. Refroidissement par air forcé : flux d'air à travers ventilateur ou air dynamique.
• c. Refroidissement par fluide :
  1) Direct : composants immergés dans le fluide caloporteur.
  2) Indirect : via échangeur de chaleur ou plaque froide.
• d. Refroidissement par évaporation : actuellement le plus efficace, utilisant l'ébullition du fluide.
• e. Autres : caloducs, plaques froides, réfrigération thermoélectrique.

Selon les conditions réelles (environnement, densité de flux thermique, densité de puissance, surface, volume, radiateur, etc.), des mesures adaptées permettent d'assurer une distribution uniforme de la température et une élévation de température dans les limites acceptables.

Règles de conception thermique

L'objectif général est de contrôler la température de tous les composants sur le PCB, garantir la stabilité des performances électriques, éviter la dérive thermique des paramètres, réduire le taux de défaillance de base, et maintenir la température d'ambiance sous le maximum admissible. Les règles sont présentées sous trois angles : utilisation des composants, conception thermique du PCB, assemblage et agencement.

a. Utilisation des composants électroniques

1) Contrôler la température de fonctionnement des composants

La température est le premier facteur affectant performance et taux de défaillance. La température maximale admissible et la consommation de puissance doivent être déterminées selon le niveau de fiabilité requis et le taux de défaillance réparti par composant. Le Tableau 1 donne les températures de surface maximales admissibles du point de vue de la fiabilité thermique.

Composants	Temp. max surface /°C	Composants	Temp. max surface /°C
Transformateur, self	95	Condensateur céramique	80–85
Résistance film métal	100	Condensateur verre-céramique	200
Résistance film carbone	120	Transistor silicium	150–200
Résistance film palladium	200	Transistor germanium	70–90
Résistance fil pressé	150	Tube vide	15–200
Résistance imprimée	85	CMOS boîtier plat hermétique	125
Résistance fil peint	225	DIP céramique, porcelaine noire	/
Condensateur papier	75–85	CMOS DIP plastique	85
Condensateur film	60–130	CI TTL petite échelle	25–125
Condensateur mica	70–120	CI TTL moyenne échelle	70–85

2) Contrôler la température de jonction des composants

La température de jonction dépend de la consommation propre, de la résistance thermique et de la température ambiante. Mesures pour la maintenir dans la plage admissible :

• Choisir des composants à faible résistance thermique interne.
• Utiliser le déclassement (derating) pour réduire l'élévation de température.
• Pour les circuits contenant des composants de puissance, suivre une conception thermique élaborée selon les guides des manuels de référence.

3) Concevoir le déclassement lors de l'utilisation des composants

Le déclassement permet de faire fonctionner les composants en dessous de leurs paramètres nominaux (puissance, tension, courant), réduisant ainsi fortement l'élévation de température et le taux de défaillance.

b. Règles de conception thermique des PCB

• 1) L'assemblage vertical des PCB favorise la dissipation ; distance entre cartes ≥ 20 mm.
• 2) Choisir un matériau substrat résistant aux hautes températures et à haute conductivité. Pour circuits haute puissance/densité, substrats aluminium ou céramique (faible résistance thermique). PCBCart fabrique ces PCB – envoyez vos fichiers pour devis.
• 3) Structure multicouche optimale pour la dissipation thermique.
• 4) Utiliser des cartes dissipatrices pour améliorer la conduction. Les cartes à cœur métallique en multicouche offrent une excellente dissipation entre carte, supports et dispositifs dissipateurs. Revêtements protecteurs et matériaux d'encapsulation peuvent accélérer le transfert thermique.

• 5) Une barre omnibus (busbar) augmente la dissipation et améliore l'anti-interférence.
• 6) Augmenter l'épaisseur du feuillard métallique, utiliser du feuillard à grande surface pour les conducteurs internes, élargir les pistes de masse (grande surface = meilleure anti-interférence et dissipation).

c. Assemblage des composants et agencement PCB

L'implantation est cruciale pour la performance thermique, surtout pour les cartes verticales. Le sens d'assemblage doit suivre les caractéristiques d'écoulement du fluide caloporteur pour minimiser la résistance.

• 1) Refroidissement par convection libre : disposer CI et composants en arrangement longitudinal (Figure 2). Refroidissement forcé : arrangement transversal (Figure 3).

• 2) Classer et placer les composants selon leur productivité thermique et résistance à la chaleur. Faible productivité/résistance (transistors petit signal, CI petite échelle, condensateurs électrolytiques) en amont (entrée fluide) ; forte productivité/résistance (transistors puissance, CI très grande échelle) en aval. Périphérie des amplificateurs petit signal : composants à faible dérive thermique ; condensateurs à fluide loin des sources de chaleur.
• 3) Horizontal : composants haute puissance près du bord pour minimiser le chemin thermique. Vertical : composants haute puissance près du haut pour réduire leur influence sur les autres.
• 4) Composants sensibles à la température dans la zone la plus froide (ex. bas du produit). Jamais au-dessus de composants générant de la chaleur ; les éloigner ou les isoler.
• 5) Composants à forte consommation/puissance près de la meilleure zone de dissipation. Jamais au coin ou bord sans radiateur. Pour résistances de puissance : choisir composants larges et prévoir espace de dissipation suffisant.
• 6) Répartir la puissance uniformément pour éviter les points chauds concentrés. L'uniformité stricte est difficile, mais éviter les zones de puissance extrême qui briseraient le fonctionnement global.
• 7) Considérer le chemin d'écoulement d'air lors de la conception ; l'air va vers la moindre résistance. Éviter les grands espaces vides lors de l'implantation.
• 8) Appliquer la technologie d'assemblage thermique sur les circuits. Plus de la moitié de la chaleur des CI/microprocesseurs passe par leurs broches vers le PCB : trous d'assemblage métallisés. Montage direct sur pastille ou plaque de conduction thermique pour réduire la résistance thermique.
• 9) Minimiser la résistance thermique entre composants à forte dissipation et PCB. Utiliser matériaux conducteurs sous la puce ; maintenir la dissipation dans la zone de contact.
• 10) Raccourcir les broches des composants. Pour composants forte puissance, considérer la conductivité du matériau des broches. Privilégier sections plus larges et plus grand nombre de broches.

d. Autres exigences

• 1) Boîtier composant : type et taux de conduction thermique. Chemin de conduction entre substrat et boîtier ; éviter les ruptures d'air sur ce chemin.
• 2) Méthode technique : points chauds locaux possibles avec composants des deux côtés. Ajouter du cuivre fin dans la pâte à souder pour surélever les points de soudure, augmenter l'espace d'air et améliorer la convection thermique.
• 3) Trous de dissipation : trous traversants et borgnes pour augmenter la surface de dissipation, réduire la résistance thermique et augmenter la densité de puissance.

Analyse thermique

Basée sur le calcul du transfert de chaleur, l'analyse thermique utilise méthodes aux différences finies, éléments finis, éléments de frontière. Elle comprend : simplification des modules, modèle mathématique, résolution équations non-linéaires, élaboration/ajustement procédure de calcul, mesure/test paramètres thermiques.

Aspect fondamental de la conception thermique, l'analyse thermique évalue l'importance de celle-ci. L'analyse thermique PCB consiste à établir le modèle thermique des composants et paramétrer la simulation selon structure PCB, matériaux, boîtiers composants, environnement d'exploitation, pour estimer les comportements thermiques. Elle doit être réalisée dès la phase de conception, avant le routage, et tout au long du processus.

Les résultats fournissent températures composants, carte, flux d'air, sous forme d'images couleur, isothermes ou données précises.

Grâce à l'analyse, les problèmes thermiques sont détectés rapidement, des mesures correctives appliquées, les zones de forte densité thermique éliminées, les chemins de conduction déterminés, les positions des composants clés optimisées, la forme/taille des radiateurs optimisée pour maximiser le taux de dissipation, l'efficacité des trous/radiateurs augmentée, et les espacements carte/composants définis.

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Ressources utiles

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