Concevoir des PCB haute puissance pour environnements haute température

Plateforme d'intégration par excellence, les PCB multicouches connectent circuits et composants. Produits plus légers, fins, compacts, performants → IC hautement intégrés → PCB haute densité → production de chaleur accrue, densité thermique en hausse, surtout avec IC haute fréquence (A/D, D/A) et fréquences circuit en hausse. Si chaleur massive non évacuée → fiabilité equipment gravement impactée. Statistiques : température = cause n°1 des pannes (55 %). Taux de panne composants = exponentiel avec température. +10 °C → taux ×2 pour certains composants. Aérospatial : design thermique inadapté = échec système total. Design thermique = priorité absolue en conception PCB.

Analyse par les causes. Cause directe : composants à dissipation de puissance. Chaque composant = dissipation variable → densité thermique variable. 2 types élévation température : locale ou étendue ; courte ou longue durée. 3 transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement. Rayonnement = ondes EM dans l'espace, faible puissance → rôle auxiliaire. Cet article présente une solution pour dissipation PCB en fonctionnement long en ambiance haute température, basée sur conduction + stockage transitoire par dissipateur (heat sink), avec exemple carte servo.

Exemple : carte servo 9 W en enceinte étanche

Composants : 2 amplificateurs 2 W, 2 convertisseurs R/D, 2 CPU, 1 EPLD, 1 A/D. Total 9 W. Environnement : étanche, convection air limitée. Espace limité → pas de cold plate. Solution : conduction + stockage transitoire dissipateur → transfert chaleur PCB → corps de l'appareil.

PCB à cœur métal (Metal Core PCB) : méthode courante

Plaque métal (excellente conduction) insérée entre couches multicouches. Chaleur évacuée directement depuis cœur métal ou via équipement disjoint connecté au cœur. Structure Figure 1.

Matériaux cœur : aluminium, cuivre, acier. Peut servir de couche masse. Couches sup/inf interconnectées par trous traversants métallisés. Chaleur transférée couches internes/surface cœur. Composants chauffants brasés directement sur face inférieure via pastilles + trous conduction. Chaleur → cœur métal → châssis tangent par trous conduction → évacuation.

Problèmes : épaisseur → déformation dissipation inégale → mauvais contact puces/broches. Dissipation rapide → difficulté changement puce ; attraction thermique locale → déformation sévère. Vérifié : plus grande surface PCB = plus grande déformation.

Design amélioré du PCB à cœur métal

1. 4 couches cuivre 0,15 mm insérées → épaisseur PCB +3 mm → anti-déformation + fiabilité trous traversants.
2. Puces 2 W : pastille CMS sous la puce → transfert chaleur vers couche métal PCB.
3. Fond puce → feuille cuivre grande surface + trous conduction → feuille cuivre interne.
4. Couche isolante fraisée sur les deux bords → métallisation bord PCB. Dissipation par contact bord nu PCB / base. Fixation 36 vis → conduction PCB/corps maximisée.

Design amélioré Figure 2.

Simulation thermique (FLoTHERM)

Conditions : ambiance 65 °C, 90 min fonctionnement. Composants = déclassement X. Températures max autorisées (déclassement X) :

Composant	Puissance (W)	T° max X (°C)	T° boîtier max X (°C)
CPU	0,6	100	87
R/D	0,5	100	87
EPLD	0,5	100	85
Ampli puissance	2,0	100	87

Puissance principale : 2 puces 2 W (49,76×41,4 mm). Autres composants : 5 W total. PCB total 9 W ; servo drive 10 W ; alim 40 W ; total servo+alim 59 W.

Température puce contrôle servo (Figure 3) :

• 0–30 min : montée rapide > 72 °C
• 30–50 min : stabilisation progressive
• 90 min : puce 2 W → 77,9 °C (limite 87) ; 0,6 W → 84 °C (limite 87) ; 0,5 W → 78,2 °C (limite 87) ; 0,5 W → 77 °C (limite 85)

Simulation 90 min à 65 °C : températures boîtiers dans plage acceptable. Analyse théorique : contact parfait puce/PCB par défaut. Réalité : jeu possible → combler avec gel silicone pour garantir dissipation.

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