Courant fort et températures plus élevées : Conseils relatifs à la conception de PCB en matière de gestion de la chaleur

September 30, 2019 Altium Designer

Overheated PCBs can catch on fire)

Je me souviens de la première (et j'espère la seule) fois où un de mes circuits a pris feu. Cela a commencé avec les résistances et cela s'est rapidement propagée à un condensateur voisin. Heureusement, les dégâts étaient mineurs et la plupart des composants ont pu être récupérés. Pourquoi est-ce arrivé, vous demandez-vous ? Non, ce n'était pas dû à un court-circuit. Très simplement, je n'avais pas pris en compte le courant fort qui opère dans mon PCB.

Comme les dispositifs électroniques continuent d'être miniaturisés, les exigences thermiques de ces systèmes augmentent à mesure que de plus en plus de fonctionnalités sont regroupées dans des appareils plus petits. Cela est particulièrement vrai pour les circuits imprimés qui fonctionnent avec un courant fort. Les systèmes d'alimentation à haut rendement, tels que les batteries Li+ion utilisées dans les véhicules électriques, nécessitent des systèmes intégrés de gestion de l'alimentation qui sont construits sur des PCB. Les concepteurs devront mettre en œuvre des stratégies novatrices pour gérer la chaleur générée par les PCB à courant fort.

La chaleur générée par la perte d’énergie dans les circuits à intensité élevée doit être éloignée de l'appareil afin de lutter contre l'augmentation de température. Tout le monde connaît probablement les ventilateurs et les dissipateurs thermiques utilisés pour les processeurs informatiques. Ces systèmes dissipent essentiellement la chaleur de la carte et l'échangent avec de l'air en mouvement. Mais dans certains PCB, en particulier les dispositifs à faible encombrement, l'intégration d'un ventilateur ou d'un dissipateur thermique encombrant peut s’avérer impossible.

Du cuivre plus lourd pour des courants à intensité plus élevée : Conseils relatifs à la conception des circuits imprimés

La résistance des pistes de cuivre et des vias est à l'origine d'importantes pertes d’énergie et de production de chaleur dans les dispositifs constitués de PCB, en particulier lorsqu'ils transportent un courant fort. Les connexions électriques ayant une section transversale plus grande ont une résistance plus faible, ce qui réduit la quantité d'énergie perdue à cause de la chaleur.

La quantité de cuivre utilisée dans la plupart des PCB équivaut à environ 1 oz par pied carré. Lorsqu'il n'est pas possible d'utiliser des ventilateurs ou des dissipateurs thermiques, un PCB fonctionnant avec un courant fort devrait utiliser au moins le double de cette quantité de cuivre. Les circuits fonctionnant avec plus de 10 ampères devraient atteindre jusqu’à 3 ou 4 onces par pied carré.

L'utilisation d'une grande quantité de cuivre nécessitera d'augmenter la largeur des pistes sur le PCB. Pour éviter de perdre de la surface utile, les pistes peuvent être placées plus en profondeur dans la carte. Cela aidera également à dissiper la chaleur dans la carte elle-même et dans les trous thermiques avoisinants. Evidemment, cela nécessitera probablement l'utilisation d'une carte plus épaisse ; ceci est conseillé pour les appareils fonctionnant avec un courant fort.

Vias et paliers thermiques

La chaleur ne peut pas être échangée efficacement avec de l'air stagnant autour d'un appareil chaud. Mais la chaleur peut être évacuée des composants électriques critiques de la carte à travers des vias thermiques. Un via thermique est un bon conducteur thermique qui circule entre le haut et le bas de la carte. La chaleur est transférée à un via thermique par simple conduction, et le via thermique permet à la chaleur de s'éloigner des composants électroniques critiques.

Un palier thermique est essentiellement une plaque métallique montée sur le bas de la carte. Après que les vias thermiques dissipent la chaleur depuis les points les plus chauds de la carte elle-même, elle doit se déplacer pour maintenir la dissipation de la chaleur des points chauds sur le haut de la carte. Les vias thermiques transportent la chaleur vers le palier thermique. Idéalement, le palier thermique devrait être placé dans une partie de la carte qui n'est pas un point de défaillance.

Image infrarouge d'un dispositif de PCB fonctionnant avec un courant fort

Placer des composants de haute puissance

Les composants électroniques de haute puissance comme les microcontrôleurs peuvent générer une quantité importante de chaleur. Il est judicieux de monter ces composants près du centre de la carte. Cela est particulièrement vrai pour les composants semi-conducteurs qui utilisent un package de type PowerPAD.

Si un composant est monté près du bord de la carte, la chaleur qu'il génère s'accumule et la température locale peut être très élevée. Mais si le composant est monté au milieu de la carte, la chaleur peut diffuser dans toute la carte, permettant ainsi à la température de la carte d’être plus basse.

En cas de multiples composants de haute puissance, ils doivent être répartis sur toute la carte plutôt que d'être regroupés en un seul emplacement. Il peut même être préférable de séparer les composants entre différentes cartes, à condition que le facteur de forme de l'appareil le permette. Gardez toujours à l'esprit l'emplacement des composants car cela peut avoir un impact majeur sur votre budget de fabrication.

 

Components arranged on a PCB

Composants disposés sur un PCB

Cartes plus épaisses

La durée de vie des connexions électriques, des composants et de la carte elle-même sera réduite si l'appareil fonctionne à des températures extrêmes. Le secteur du matériel informatique a réduit ce problème en utilisant des ventilateurs de refroidissement. Toutefois lorsqu'un ventilateur n'est pas utilisé pour le refroidissement, la majeure partie de la chaleur est conduite directement dans la carte et les composants environnants. Si la carte est très mince, tout peut chauffer jusqu'à une température élevée.

Une carte plus épaisse nécessitera plus d'énergie thermique pour atteindre une température élevée. Ceci permet de maintenir une faible température en haut de la carte. Si la carte est montée directement sur l'emballage, la chaleur peut être dirigée vers l'extérieur de l'appareil. Le compromis avec cette solution est que les coûts de production seront plus élevés.

Les meilleures stratégies relatives à la dissipation de la chaleur à utiliser dépendront d'un certain nombre de facteurs. Toutes les conceptions ou tous les facteurs de forme ne peuvent pas s'adapter à toutes les stratégies décrites ci-dessus. Par exemple, les paliers thermiques ne conviennent pas aux PCB double face. Si un grand nombre de composants sont présents sur la carte, certains d'entre eux seront inévitablement placés près du bord de la carte.

Le progiciel Altium Designer possède des fonctionnalités avancées qui vous permettent de visualiser les points chauds potentiels dans votre PCB. l’analyseur PDN permet aux concepteurs d'identifier les zones défectueuses qui peuvent entraîner une défaillance des dispositifs à courant élevé. Contactez un expert de chez Altium pour en savoir plus.

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