Conception de la dissipation thermique interne du PCB basée sur le modèle thermique

Le développement rapide de la technologie électronique conduit à une amélioration instantanée en termes de vitesse de calcul, de fréquence de calcul et d'intégrité des produits électroniques. En outre, avec la diminution du volume de produits électroniques, la densité de puissance volumétrique devient de plus en plus élevée. De plus, l'orientation du développement de l'épaisseur, de la légèreté et de la miniature confère aux composants électroniques une valeur calorifique croissante du volume unitaire. Avec la mise à niveau des produits électroniques, leur fiabilité est fortement influencée en raison de l'augmentation rapide de la densité du flux de chaleur dans les PCB. Selon les principes de 10 degrés, chaque fois que la température augmente de 10 degrés Celsius, une partie des paramètres de certains composants diminuera de moitié. Selon une recherche, 55 % des appareils électroniques sont endommagés parce que la température contourne la valeur nominale des composants. Par conséquent, une disposition raisonnable des composants et une dissipation thermique des PCB ont été les principaux éléments que les ingénieurs doivent prendre en compte.

La conception thermique des produits électroniques est généralement divisée selon les niveaux suivants :niveau système, niveau carte et niveau boîtier. La conception thermique au niveau de la carte fait référence à la conception thermique du radiateur, du pochoir électronique et du PCB. Cet article fournira une nouvelle méthode de dissipation de la chaleur qui rend la chaleur au bas des composants rapidement transmise à l'extérieur et augmente la zone de dissipation thermique des composants sans influencer la disposition des PCB, qui vise à réduire la température des composants et la différence de température. Par rapport à la méthode traditionnelle de dissipation thermique, cette nouvelle méthode présente certains attributs, notamment plusieurs structures de dissipation thermique, une réduction de la contrainte thermique des PCB et une faible occupation de l'espace. La dissipation thermique globale du PCB est anisotrope en raison de plusieurs modèles de couches de PCB, y compris la couche supérieure, la couche inférieure et la couche de routage, ce qui conduit à de multiples caractéristiques telles que la teneur en cuivre, l'épaisseur du cuivre, les trous traversants et les positions. Sur la base d'un logiciel d'analyse thermique et de la forme physique et des caractéristiques thermiques des composants, cet article mettra en place des PCB et des composants simplifiés et discutera de la longueur, de la largeur et de la quantité d'ailettes de refroidissement avec des résultats d'expériences issus de l'analyse des données de simulation de différentes conditions.

Principes d'analyse thermique

La théorie de l'analyse thermique au niveau des cartes PCB est basée sur les principes de base de la théorie du transfert de chaleur. La procédure de transfert de chaleur comprend trois modes de transfert de chaleur différents :la conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement thermique, parmi lesquels la conduction thermique est la principale méthode de dissipation thermique.

Selon la loi de Fourier sur la théorie du transfert de chaleur, au niveau de la couche différentielle avec n'importe quelle épaisseur de d le long de la direction de x, l'énergie passant d à l'unité de temps est directement proportionnelle à la zone A du taux de changement de température, qui peut être affichée dans la formule .

Dans cette formule, Q (W) fait référence à l'énergie traversant la zone A à une unité de temps, qui est également un flux de chaleur. A (m²) fait référence à la section transversale dans la direction de conduction. L (m) fait référence à la longueur du trajet de conduction. k [W/(m•°C)] est la conductivité thermique. Δ t (°C) est la différence de température entre les deux côtés de d. x (m) est le chemin du flux de chaleur. Moins indique le contraire de la direction de transmission de la chaleur et de l'augmentation de la température.

La densité du flux de chaleur q (W/m²) fait référence à la quantité de flux de chaleur traversant l'unité de surface A dans l'unité de temps, qui est indiquée dans la formule .

Différents matériaux ont différentes conductivités thermiques k dont une valeur élevée indique une excellente conductivité.

Théorie de la résistance thermique des PCB

Le PCB est un tel type de structure multicouche compliquée que sa conduction thermique est anisotrope. En termes d'analyse thermique des PCB, la structure du matériau dans chaque couche est différente, de sorte qu'il est difficile de mettre en place un modèle en raison des grands nombres de grille et de la lenteur de la vitesse de calcul. Cet article utilise un modèle simplifié à l'aide d'un logiciel d'analyse thermique. Le modèle de PCB multicouche simplifié est présenté dans la figure 1 ci-dessous.

Supposons que la couche de cuivre et la couche FR-4 aient la même épaisseur et que chaque couche ait le même espacement. k_n c'est-à-dire la conductivité thermique normale et k_p c'est-à-dire la conductivité thermique de chaque couche sont utilisées pour décrire les performances thermiques du PCB. Les formules suivantes peuvent être utilisées pour calculer la valeur de k_n et k_p .

Dans cette formule, δ_Cu fait référence à l'épaisseur de chaque couche de cuivre ; k_Cu est la conductivité thermique du cuivre d'une valeur de 388[W/(m•°C)] ; k_j est la conductivité thermique de chaque cheminement de cuivre ; δ_F est l'épaisseur de chaque couche de FR-4 ; k_F est la conductivité thermique du FR-4 avec une valeur de 0,35[W/(m•°C)] ; δ_PCB est l'épaisseur totale du PCB ; A_j est la zone globale de routage du cuivre sur la couche j. La résistance thermique des PCB est illustrée dans le modèle simplifié de la figure 2.

La température de la couche de surface et de la couche inférieure du PCB est respectivement t₁ et t₂; la chaleur transmise globale est Q; la résistance globale est R; la résistance thermique de chaque couche à l'orientation de l'épaisseur est R₁ , R₂ et R₃ et de longueur L₁ , L₂ et L₃; l'aire de la carte est A. D'après la figure 2(a), l'orientation est censée être uniquement verticale et la résistance thermique peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
R₁ =L₁ (A•k₁ )
R₂ =L₂ (A•k₂ )
R₃ =L₃ (A•k₃ )

D'après la figure 2(b), l'orientation est censée être uniquement horizontale et la résistance thermique peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
R₁ =L/(A₁ •k₁ )
R₂ =L/(A₂ •k₂ )
R₃ =L/(A₃ • k₃ )
1/R =1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

La résistance thermique globale le long de l'orientation verticale et horizontale peut être affichée en fonction de la connexion série-parallèle de la résistance thermique par la formule Q =(t₁ - t₂ )/R.

Sur la base de la formule ci-dessus, il est clair que la résistance thermique globale en orientation horizontale est bien inférieure à celle en orientation verticale. Par conséquent, si le cuivre est enterré horizontalement sur le PCB, un meilleur effet de dissipation thermique sera obtenu. Un PCB double couche est repris par cet article comme objet d'analyse. La figure 3 est le croquis du cuivre enterré PCB.

Analyse et vérification de la simulation

• Conception de modèles de circuits imprimés

La taille du modèle simplifié est répertoriée dans le tableau ci-dessous.

Article	Taille
PCB	100mm*100mm
Puce	10mm*10mm
Package de composants	20mm*20mm
Consommation énergétique de la puce	8W

Le composant est placé au centre du PCB dont la source de chaleur a du cuivre enfoui en dessous. Les ailettes de refroidissement en cuivre sont enterrées à côté du cuivre. La figure 4 est le modèle de simulation avec une taille de 0,5 mm x 30 mm.

Un circuit avec un courant de 2A est défini comme objet de simulation de sorte que la largeur de ligne soit d'au moins 0,5 mm et le trou traversant de 0,5 mm. Les ailettes de refroidissement adjacentes au cuivre enterré doivent avoir un espacement minimum de 1 mm et la largeur des ailettes de refroidissement dans cet article est définie comme étant de 0,13 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,75 mm et 1 mm et une longueur de 20 mm, 30 mm et 40 mm. Sous condition d'une largeur de 10 mm et d'un espacement inférieur à 1 mm, le nombre d'ailettes de refroidissement de largeur différente est affiché dans le tableau ci-dessous.

Largeur d'aileron (mm)	Température (°C)	Longueur des ailettes (mm)			Nombre d'ailettes
		20	30	40
0.13	Le plus élevé	96.7	91.2	89.8	10
	Le plus bas	89.1	84.5	83.4
0,25	Le plus élevé	92.5	89.5	87.5	8
	Le plus bas	85.4	83.6	81.9
0,50	Le plus élevé	92.1	88.6	86.2	7
	Le plus bas	85.3	83.2	81.2
0,75	Le plus élevé	91.9	87.9	85.3	6
	Le plus bas	85.2	83.0	80.8
1.00	Le plus élevé	91.8	87.8	85.1	5
	Le plus bas	85.0	82.9	80.8
Température des composants sans cuivre enterré (°C)					Le plus élevé :108,4 Le plus bas :98,3

• Analyse des résultats

Sur la base du tableau 2, on peut en déduire que les différences en termes de largeur et de longueur des ailettes en cuivre conduisent toutes à la grande escalade de la température des composants des PCB. cependant, dans l'application pratique, une longueur de circuit imprimé et une largeur d'ailette appropriées doivent être choisies en tenant compte des situations pratiques et du coût du cuivre. La figure 5 est le graphique de la température la plus élevée des composants tandis que la figure 6 est le graphique de la température la plus basse des composants.

D'après la tendance au changement indiquée par le graphique, on peut résumer que lorsque la largeur des ailettes est inférieure à 0,5 mm, la température des composants est fortement diminuée avec l'élargissement de la largeur des ailettes. La réduction de température devient stable lorsque la largeur est supérieure à 0,5 mm. Ainsi, la différence de température est la plus grande lorsque la largeur des ailettes est maintenue à 0,5 mm avec le coût de matériau le plus bas. Avec l'augmentation des ailettes de refroidissement, la température des composants diminue.

La température chute dans la plus grande mesure, plus de 5°C lorsque la longueur des ailettes est comprise entre 20 mm et 30 mm. La température chute dans une faible mesure, plus ou moins de 2°C lorsque la longueur des nageoires est comprise entre 30 mm et 40 mm. Par conséquent, la réduction des différences de température est relativement importante lorsque des ailettes d'une longueur de 20 mm à 30 mm sont ramassées avec un coût relativement faible. Compte tenu du fait que les ailettes de refroidissement des PCB ne peuvent être ni trop longues ni trop larges, il convient de ramasser des ailettes dont la largeur est de 0,5 mm et la longueur de 30 mm.

La figure 7 est le graphique de la distribution de température de simulation de PCB sans cuivre enterré tandis que la figure 8 est le graphique de la distribution de température de simulation de PCB avec des ailettes dont la longueur est de 30 mm et la largeur de 0,5 mm.

D'après les deux figures, on peut savoir que la température la plus élevée tombe de 108,4°C à 88,6°C, avec un degré de réduction de 18,5%. La température la plus basse passe de 98,3°C à 83,2°C, avec une réduction de 15,3 %. Sur la base de la comparaison en termes de champ de température entre la Figure 7 et la Figure 8, le PCB avec du cuivre enterré est capable d'aider le champ de température à se répartir uniformément et à réduire la différence de température des cartes afin d'éviter les points chauds. Le PCB avec du cuivre enterré réduit la température des composants, ce qui est bénéfique pour l'amélioration de la dissipation thermique des composants sur le PCB, de sorte que la fiabilité des composants sera considérablement augmentée.

Ressources utiles
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