Une approche de la gestion thermique des PCB haute puissance
Les concepteurs sont confrontés à des problèmes complexes pour répondre aux exigences d'alimentation, qui incluent une gestion thermique efficace, à commencer par la conception du PCB.
L'ensemble du secteur de l'électronique de puissance, y compris les applications RF et les systèmes impliquant des signaux à haut débit, évolue vers des solutions offrant des fonctionnalités de plus en plus complexes dans des espaces de plus en plus réduits. Les concepteurs sont confrontés à des défis de plus en plus exigeants pour répondre aux exigences de taille, de poids et d'alimentation du système, qui incluent une gestion thermique efficace, à commencer par la conception de la carte de circuit imprimé.
Les dispositifs de puissance active à haute densité d'intégration, tels que les transistors MOSFET, peuvent dissiper une quantité importante de chaleur et nécessitent donc des PCB capables de transférer la chaleur des composants les plus chauds vers les plans de masse ou les surfaces de dissipation de chaleur, fonctionnant aussi efficacement que possible. Le stress thermique est l'une des principales causes de dysfonctionnement des appareils de puissance, car il entraîne une dégradation des performances voire un éventuel dysfonctionnement ou panne du système. La croissance rapide de la densité de puissance des appareils et l'augmentation constante des fréquences sont les principales raisons qui provoquent un échauffement excessif des composants électroniques. L'utilisation de plus en plus répandue de semi-conducteurs à pertes de puissance réduites et à meilleure conductivité thermique, tels que les matériaux à large bande interdite, ne suffit pas à elle seule à éliminer le besoin d'une gestion thermique efficace.
Les dispositifs d'alimentation à base de silicium actuels atteignent une température de jonction comprise entre environ 125 °C et 200 °C. Cependant, il est toujours préférable de faire fonctionner le dispositif en dessous de cette limite, car cela conduirait à une dégradation rapide de celui-ci et à une réduction de sa durée de vie résiduelle. En fait, il a été estimé qu'une augmentation de 20 °C de la température de fonctionnement, causée par une mauvaise gestion thermique, peut réduire la durée de vie résiduelle des composants jusqu'à 50 % .
Approche de mise en page :
Une approche de la gestion thermique couramment suivie dans de nombreux projets consiste à utiliser des substrats avec un retardateur de flamme standard de niveau 4 (FR-4), un matériau peu coûteux et facilement réalisable, en se concentrant sur l'optimisation thermique de la disposition du circuit.
Les principales mesures adoptées concernent la fourniture de surfaces de cuivre supplémentaires, l'utilisation de pistes de plus grande épaisseur et l'insertion de vias thermiques sous les composants les plus générant de la chaleur. Une technique plus agressive, capable de dissiper une plus grande quantité de chaleur, consiste à insérer dans le PCB ou à appliquer sur les couches les plus externes de vrais blocs de cuivre, typiquement en forme de pièce (d'où le nom de "pièces de cuivre"). Les pièces en cuivre sont traitées séparément puis soudées ou attachées directement au PCB, ou elles peuvent être insérées dans les couches internes et connectées aux couches externes par des vias thermiques. La figure 1 montre un circuit imprimé dans lequel une cavité spéciale a été réalisée pour loger une pièce de monnaie en cuivre.
Le cuivre a un coefficient de conductivité thermique de 380 W/mK, contre 225 W/mK pour l'aluminium et 0,3 W/mK pour le FR-4. Le cuivre est un métal relativement bon marché et déjà largement utilisé dans la fabrication de PCB ; c'est donc le choix idéal pour réaliser des pièces en cuivre, des vias thermiques et des plans de masse, toutes solutions capables d'améliorer la dissipation thermique.
Le bon positionnement des composants actifs sur la carte est un facteur crucial pour éviter la formation de points chauds, garantissant ainsi que la chaleur est répartie aussi uniformément que possible sur l'ensemble de la carte. A cet égard, les composants actifs doivent être répartis sans ordre particulier autour du PCB pour éviter la formation de points chauds dans une zone spécifique. Cependant, il vaut mieux éviter de placer des composants actifs qui génèrent une quantité importante de chaleur près des bords de la carte. A l'inverse, ils doivent être positionnés le plus près possible du centre de la planche, favorisant une répartition homogène de la chaleur. Si un appareil haute puissance est monté près du bord de la carte, il accumulera de la chaleur sur le bord, augmentant la température locale. Si, au contraire, il est placé près du centre de la planche, la chaleur se dissipera sur la surface dans toutes les directions, réduisant la température et dissipant la chaleur plus facilement. Les appareils électriques ne doivent pas être placés à proximité de composants sensibles et doivent être correctement espacés les uns des autres.
Sélection du substrat PCB :
En raison de sa faible conductivité thermique — entre {{0}}.2 et 0,5 W/mK — FR-4 n'est généralement pas adapté aux applications dans lesquelles une grande quantité de chaleur doit être dissipée. La chaleur qui peut s'accumuler dans les circuits haute puissance est considérable, aggravée par le fait que ces systèmes fonctionnent souvent dans des environnements difficiles et à des températures extrêmes. L'utilisation d'un matériau de substrat alternatif avec une conductivité thermique plus élevée peut être un meilleur choix que l'utilisation du FR-4 traditionnel.
Les matériaux céramiques, par exemple, offrent des avantages significatifs pour la gestion thermique des PCB haute puissance. En plus d'une conductivité thermique améliorée, ces matériaux offrent d'excellentes propriétés mécaniques qui permettent de compenser les contraintes accumulées lors des cycles thermiques répétés. De plus, les matériaux céramiques ont des pertes diélectriques plus faibles fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 10 GHz. Pour des fréquences plus élevées, il est toujours possible d'opter pour des matériaux hybrides (comme le PTFE), qui offrent des pertes tout aussi faibles avec une réduction modeste de la conductivité thermique.
Plus la conductivité thermique d'un matériau est élevée, plus le transfert de chaleur est rapide. Il s'ensuit que les métaux comme l'aluminium, en plus d'être plus légers que la céramique, offrent une excellente solution pour évacuer la chaleur des composants. L'aluminium, en particulier, est un excellent conducteur, possède une excellente durabilité, est recyclable et non toxique. Grâce à leur conductivité thermique élevée, les couches métalliques aident à transférer rapidement la chaleur dans toute la carte. Certains fabricants proposent également des PCB à revêtement métallique, dans lesquels les deux couches externes sont à revêtement métallique, généralement en aluminium ou en cuivre galvanisé. Du point de vue du coût par unité de poids, l'aluminium est le meilleur choix, tandis que le cuivre offre une conductivité thermique plus élevée. L'aluminium est largement utilisé pour la construction de circuits imprimés prenant en charge des LED haute puissance (un exemple est illustré à la figure 2), dans laquelle il est également particulièrement utile pour sa capacité à réfléchir la lumière loin du substrat.
Les PCB métalliques, également connus sous le nom de substrats métalliques isolants (IMS), peuvent être laminés directement dans le PCB, ce qui donne une carte avec des substrats FR-4 et un noyau métallique avec une technologie monocouche et double couche avec routage de contrôle de profondeur, qui sert à transférer la chaleur des composants embarqués vers les zones moins critiques. Dans les PCB IMS, une fine couche de diélectrique thermiquement conducteur mais électriquement isolant est laminée entre une base métallique et une feuille de cuivre. La feuille de cuivre est gravée dans le motif de circuit souhaité et la base métallique absorbe la chaleur de ce circuit à travers le diélectrique mince.
Les principaux avantages offerts par les PCB IMS sont les suivants :
1. La dissipation thermique est nettement supérieure à la norme FR-4 coinstructions.
2. Les diélectriques sont généralement 5× à 10× plus thermiquement conducteurs que le verre époxy normal.
3. Le transfert thermique est exponentiellement plus efficace que dans un PCB conventionnel.
4. Outre la technologie LED (enseignes lumineuses, affichages et éclairage), les circuits imprimés IMS sont largement utilisés dans l'industrie automobile (phares, commande moteur et direction assistée), dans l'électronique de puissance (alimentation CC, onduleurs et commande moteur) , dans les commutateurs et dans les relais à semi-conducteurs.
