Conception thermique PCB experte : conseils pratiques pour la gestion de la chaleur

Avec des composants de puissance dans des boîtiers CMS de plus en plus petits, il est important d'avoir une approche cohérente pour atténuer les exigences de dissipation thermique de ces composants dans une conception PCB. Bien que le développement d'une analyse mathématique exacte des caractéristiques thermiques d'une conception PCB soit complexe, il est possible d'appliquer des règles simples pour améliorer la conduction thermique. En fin de compte, contrôler correctement la dissipation de chaleur permet de produire une conception PCB plus fiable et économique. Voici une brève discussion du modèle standard de dissipation thermique, puis des règles générales pour gérer la dissipation dans vos conceptions.

D'abord, définissons la terminologie utilisée. La figure suivante présente les différents composants d'un CI de puissance à considérer pour la gestion thermique. Nous discuterons des températures de la Jonction, du Dessus (Top) et du Boîtier (Case) et de leurs résistances thermiques vers l'ambiance.

Avec ces termes, examinons le modèle standard de simulation de dissipation thermique d'un composant. La résistance thermique est normalement modélisée comme un réseau de résistances. Le modèle standard est présenté ci-dessous :

Dans la figure : T_J = température de jonction (partie interne active), T_T = température du « dessus » du boîtier (généralement l'enveloppe plastique), T_C = température du « boîtier » (pads thermiquement conducteurs et PCB attaché), T_A = température ambiante. L'objectif du concepteur est de produire la plus faible résistance thermique possible entre jonction et ambiance. À l'exception de θ_CA, les résistances thermiques du système (θ_JT, θ_TA, θ_JC) sont définies par les propriétés du composant et se trouvent dans sa fiche technique. En tant que concepteur PCB, nous influençons principalement θ_CA, dépendant de notre conception. Le défi principal est la réduction de la résistance thermique du boîtier vers l'ambiance. La qualité de cette réduction définira largement le différentiel de température (ou son absence) entre ambiance et jonction.

Noter que l'autre chemin de conduction est le boîtier plastique (le « dessus »). Comme l'emballage plastique de la plupart des composants de puissance ne fournit pas un bon chemin thermique vers l'ambiance, l'efficacité dépend plus lourdement de la capacité du design à dissiper l'énergie thermique via son boîtier. Exception : quand le CI de puissance a un pad thermique sur le dessus. Dans ce cas, le CI est conçu pour un radiateur attaché directement au-dessus, et la dissipation par le « dessus » devient bien plus importante.

L'approche standard pour évacuer la chaleur des composants de puissance est de les connecter thermiquement à des plans de cuivre adjacents via des vias thermiques. Cela se fait en plaçant plusieurs vias dans l'empreinte du CI de puissance. Ces vias fournissent une connexion thermique aux couches de cuivre sous le CI, qui conduisent la chaleur loin du composant.

De plus, plus il y a de plans de cuivre de puissance connectés au CI par ces vias thermiques, plus l'efficacité de dissipation est haute. Exemple : conception 4 couches vs 2 couches peut augmenter la capacité de dissipation jusqu'à 30 % pour la même surface.

Les règles de conception suivantes sont un bon point de départ pour aborder les considérations thermiques de votre conception.

• a. Pour dissiper 1 W, règle empirique : surface de carte 15,3 cm² (2,4 in²) par watt pour élévation 40 °C. Avec flux d'air, diviser par deux (7,7 cm² / 1,2 in² par watt). Ces valeurs supposent couplage thermique à un plan cuivre s'étendant aux bords, et carte positionnée pour flux d'air libre des deux côtés. Si trop contraignant, radiateur externe nécessaire. 40 °C est un bon point de départ pour contrôler la température.
• b. Avec plusieurs composants de puissance, les placer pour chauffer uniformément le PCB. Grandes différences de température sur la longueur n'allow pas une dissipation optimale. L'imagerie thermique permet inspection empirique de l'implantation après révision.
• c. Plus de vias sous le composant = meilleure translation d'énergie thermique vers le plan cuivre. Disposer les vias en réseau pour augmenter le nombre en contact avec les pads de puissance (grands pads thermiquement conducteurs).
• d. Pour puissances plus élevées, utiliser des poids de cuivre plus élevés. 1 oz cuivre recommandé comme point de départ pour conceptions de puissance.
• e. Lors de l'utilisation d'un déversement cuivre pour dissiper l'énergie thermique loin d'un composant, il est important que le déversement ne soit pas interrompu par des pistes perpendiculaires au chemin thermique loin du composant de puissance.
• f. Si radiateur nécessaire pour maintenir température en tolérance, noter qu'il est bien plus efficace s'il est thermiquement connecté au boîtier du composant. Cela signifie généralement l'attacher du côté opposé de la carte par rapport au composant CMS. Placer un radiateur directement sur le dessus du composant est tentant, mais la résistance thermique du boîtier plastique le rend inefficace. Exceptions : boîtiers explicitement conçus pour radiateurs sur leur « dessus ».

En résumé, la performance thermique d'une conception est très importante avec composants de puissance. Utiliser ces règles tôt dans le processus de conception permet de bien démarrer le contrôle de température et d'éviter des refontes drastiques plus tard.

Ressources utiles

• Principes les plus complets de conception thermique pour PCB
• Conception dissipation thermique interne PCB basée sur modèle thermique
• Conseils conception thermique pour PCB contrôlés par système FPGA
• Conception PCB haute puissance en environnement haute température
• PCB à cœur métallique : solution idéale aux problèmes thermiques PCB/PCBA
• Service fabrication PCB complet PCBCart - Options à valeur ajoutée multiples
• Service assemblage PCB avancé PCBCart - À partir de 1 pièce