Considérations relatives à la conception thermique des PCB

Avec des composants de puissance livrés dans des boîtiers à montage en surface de plus en plus petits, il est important de proposer une approche cohérente pour atténuer les exigences de dissipation thermique de ces composants dans une conception de PCB. Alors que le développement d'une analyse mathématique exacte des caractéristiques thermiques d'une conception de PCB peut être un processus complexe, il est possible d'appliquer quelques règles simples pour améliorer la conduction thermique de votre conception. En fin de compte, contrôler correctement la dissipation de chaleur dans votre conception vous permettra de produire une conception de PCB plus fiable et économique. Ce qui suit est une brève discussion du modèle de dissipation thermique standard, puis quelques règles générales pour gérer la dissipation thermique dans vos conceptions.

Tout d'abord, il est important de définir la terminologie qui sera utilisée dans le reste de cette entrée. La figure suivante présente les différents composants d'un circuit intégré de puissance que nous devons prendre en compte lors de l'examen de la gestion thermique. Nous discuterons de la température de la jonction, du dessus et du boîtier du composant et de leurs résistances thermiques à l'environnement ambiant tout au long de cet article.

Ces termes en main, nous allons brièvement aborder le modèle standard utilisé pour simuler la dissipation thermique d'un composant. La résistance thermique est normalement modélisée comme un réseau de résistances. Le modèle standard d'un composant est présenté dans la figure suivante :

Dans la figure présentée T_J est défini comme la température de la jonction (la partie de travail interne du composant), T_T est la température du "haut" de l'emballage (généralement le boîtier en plastique du composant), T_C est la température du "boîtier" (il s'agit de la température des pastilles très conductrices de chaleur du composant et du PCB attaché) et T_A est la température du milieu ambiant. L'objectif du concepteur électronicien est alors de produire la plus faible résistance thermique possible entre la jonction et le milieu ambiant. À l'exception de θ_CA , les résistances thermiques du système (θ_JT , θ_TA et θ_JC ) sont définis par les propriétés du composant et peuvent être extraits de la fiche technique dudit composant. En tant que concepteur de PCB, nous avons principalement une influence sur la valeur de θ_CA , qui dépend de notre conception de PCB. En tant que tel, le principal défi pour le concepteur est la réduction de la résistance thermique du boîtier du CI à l'environnement ambiant en réduisant cette résistance. Dans quelle mesure pouvons-nous réduire cette résistance thermique (θ_CA ) définira en grande partie le différentiel de température (ou son absence) qui se développera entre l'environnement ambiant et la jonction du composant.

Il est à noter que l'autre voie de conduction thermique est le boîtier en plastique (ou le "dessus") du composant. Comme l'emballage en plastique de la plupart des composants de puissance ne fournit pas un bon chemin thermique vers l'environnement ambiant, l'efficacité de la dissipation thermique de la conception dépend plus fortement de la capacité de la conception à dissiper l'énergie thermique vers l'environnement environnant à travers son boîtier. La seule exception est lorsque le circuit intégré de puissance en question est conçu avec un tampon thermique situé sur le dessus du composant. Dans ce cas, le circuit intégré est conçu pour qu'un dissipateur thermique soit fixé directement au sommet du circuit intégré et la dissipation thermique du composant à travers son "sommet" devient un facteur beaucoup plus important dans la conception.

L'approche standard pour évacuer la chaleur des composants de puissance consiste à connecter thermiquement les composants de puissance aux plans de cuivre adjacents au moyen de vias thermiques. Ceci est généralement réalisé en plaçant un certain nombre de vias dans l'empreinte du circuit intégré de puissance. Ces vias fournissent une connexion thermique aux couches de cuivre sous le circuit intégré, qui évacuent ensuite la chaleur du composant.

De plus, plus il y a de plans de cuivre de puissance connectés au CI de puissance par lesdits vias thermiques, plus l'efficacité de la dissipation thermique du PCB est élevée. par exemple. l'utilisation d'une conception à 4 couches par rapport à une conception à 2 couches peut augmenter la capacité de dissipation de puissance du PCB jusqu'à 30 % lorsque l'on compare la même zone de ces conceptions.

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

un. Afin de dissiper 1 watt de puissance, une bonne règle de base est que votre carte doit avoir une surface de 15,3 cm² ou 2,4 in² par watt dissipé pour une augmentation de 40°C de la température de la carte. Si la carte est soumise à un flux d'air, cette exigence peut être réduite de moitié (7,7 cm² ou 1,2 in² par watt). Ces valeurs supposent que le composant est couplé thermiquement à un plan de cuivre qui s'étend jusqu'aux bords de la carte et que la carte est positionnée de manière à ce que l'air puisse circuler librement des deux côtés de la carte. Si ces exigences de densité de puissance sont trop contraignantes pour votre conception, l'inclusion d'un dissipateur thermique externe peut être nécessaire. De plus, une augmentation de température de 40 °C est un bon point de départ à prendre en compte lors du contrôle de la température de votre circuit imprimé.

b. Chaque fois qu'il y a plus d'un composant d'alimentation placé sur une carte, il est recommandé de placer ces composants de manière à ce que votre PCB soit uniformément chauffé par ces composants. De grandes différences de température sur toute la longueur de la conception de votre PCB ne permettent pas à votre PCB de traduire de manière optimale l'énergie thermique loin des composants d'alimentation montés. Si elle est disponible pour le concepteur, l'imagerie thermique peut permettre l'inspection empirique de l'emplacement de vos composants une fois la révision de conception terminée.

c. Plus vous pouvez placer de vias sous votre composant, mieux votre PCB traduira l'énergie thermique vers le plan de cuivre connecté. Array vias pour augmenter le nombre en contact avec les plots de puissance de votre boîtier (les gros plots thermiquement conducteurs du composant).

ré. Dans les conceptions qui dissipent des puissances plus élevées, vous devrez utiliser des poids de cuivre plus élevés. 1 oz de cuivre est recommandé comme point de départ pour les conceptions d'alimentation.

e. Lors de l'utilisation d'une coulée de cuivre pour dissiper l'énergie thermique d'un composant, il est important que la coulée ne soit pas interrompue par des pistes perpendiculaires au chemin thermique loin du composant d'alimentation.

F. Si un dissipateur thermique doit être utilisé pour maintenir la température du système dans la tolérance, il convient de noter que le dissipateur thermique sera généralement beaucoup plus efficace s'il est placé de telle manière qu'il est thermiquement connecté au boîtier du composant. Cela signifie généralement la fixation du dissipateur thermique sur le côté opposé de la carte à partir d'un composant monté en surface. Bien qu'il puisse être tentant de placer un dissipateur thermique directement sur le dessus du composant, la résistance thermique du boîtier en plastique du composant rendra le dissipateur thermique inefficace. Comme indiqué ci-dessus, les exceptions à cette règle sont les packages explicitement conçus pour avoir des dissipateurs de chaleur attachés à leurs "sommets".

En résumé, les performances thermiques d'une conception sont très importantes à prendre en compte chaque fois que vous travaillez avec des composants de puissance. L'utilisation des règles de conception présentées dans cet article au début du processus de conception de votre PCB vous permettra d'avoir une bonne longueur d'avance sur le contrôle de la température de votre PCB et vous permettra d'éviter des refontes drastiques plus tard dans le processus de développement.

Ressources utiles
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