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10 techniques efficaces de dissipation thermique des circuits imprimés pour améliorer la fiabilité des appareils électroniques

2023-08-09Journaliste: SprintPCB

Dans le domaine de l'électronique moderne, face à la réduction constante de la taille des appareils et à l'amélioration constante de leurs performances, les problèmes de gestion thermique sont devenus de plus en plus importants et incontournables. Comme l'a dit un jour un sage : « Le progrès technologique s'accompagne souvent d'un dégagement de chaleur. » La chaleur générée par les appareils électroniques en fonctionnement, si elle n'est pas correctement gérée et dissipée, peut constituer une menace imperceptible, menaçant discrètement la stabilité et la durée de vie des équipements. Dans ce monde numérique en constante évolution, la maîtrise des techniques clés de refroidissement des circuits imprimés (PCB) est non seulement une garantie d'amélioration de la fiabilité des appareils électroniques, mais aussi un moyen essentiel d'être à la pointe de la technologie.

Dissipation thermique des PCB

Les appareils électroniques génèrent une certaine quantité de chaleur en fonctionnement, ce qui entraîne une augmentation rapide de leur température interne. Si cette chaleur n'est pas dissipée rapidement, l'appareil continue de chauffer, entraînant une défaillance des composants par surchauffe, réduisant ainsi leur fiabilité et leurs performances. Il est donc crucial de gérer efficacement la dissipation thermique du circuit imprimé. La dissipation thermique des PCB joue un rôle essentiel ; abordons donc quelques techniques de dissipation thermique des PCB. Les matériaux les plus couramment utilisés pour la dissipation thermique sont les substrats en tissu de verre époxy cuivré ou en résine phénolique, et un petit nombre utilisent également des cartes cuivrées à base de papier. Bien que ces substrats possèdent d'excellentes propriétés électriques et de traitement, leur dissipation thermique est médiocre. Pour le refroidissement des composants à forte production de chaleur, il est quasiment impossible de compter sur la conduction thermique à travers la résine du PCB elle-même ; la chaleur est plutôt dissipée de la surface des composants dans l'air ambiant. Cependant, avec l'avènement des produits électroniques à l'ère des composants miniaturisés, de l'assemblage haute densité et de la forte production de chaleur, se fier uniquement à la faible surface des composants pour dissiper la chaleur est loin d'être suffisant. Parallèlement, en raison de la généralisation des composants montés en surface tels que les QFP et les BGA, la chaleur générée par les composants électroniques est largement transférée au circuit imprimé. Par conséquent, la méthode la plus efficace pour gérer la dissipation thermique consiste à améliorer la capacité de dissipation thermique inhérente au circuit imprimé en contact direct avec les composants générateurs de chaleur, permettant ainsi la conduction ou la dissipation de la chaleur à travers le circuit imprimé.

Disposition des circuits imprimés et placement des composants

Zones d'air froid et composants thermosensibles

Le placement de capteurs thermiques dans la zone d’air froid garantit une meilleure circulation de l’air.

Dispositif de détection de température

Le dispositif de détection de température est placé à l’endroit le plus chaud.

Disposition des partitions

Les composants d'un même circuit imprimé doivent être répartis autant que possible en fonction de leur production et de leur dissipation thermiques. Les composants à faible production ou à faible résistance thermique (tels que les transistors à faible signal, les circuits intégrés de petite taille, les condensateurs électrolytiques, etc.) doivent être placés en amont du flux d'air de refroidissement (entrée), tandis que les composants à production ou à résistance thermique plus élevée (tels que les transistors de puissance, les circuits intégrés de grande taille, etc.) doivent être placés en aval du flux d'air de refroidissement.

Disposition verticale et horizontale.

Horizontalement, les appareils de forte puissance doivent être placés plus près du bord du circuit imprimé afin de raccourcir le trajet de transfert thermique. Verticalement, ils doivent être positionnés au-dessus du circuit imprimé afin de minimiser leur impact sur la température des autres appareils en fonctionnement. La dissipation thermique au sein du circuit imprimé de l'équipement repose principalement sur la circulation de l'air. Par conséquent, lors de la phase de conception, il est important d'étudier les voies de circulation de l'air et d'agencer les composants ou le circuit imprimé de manière appropriée.

Emplacement des composants du capteur sensible à la température

En mouvement, l'air a tendance à s'écouler vers les zones de moindre résistance. Par conséquent, lors de la disposition des composants sur un circuit imprimé, il est important d'éviter de laisser de grands espaces vides dans une zone donnée. Le placement des composants sur plusieurs circuits imprimés au sein d'un système doit également tenir compte de ce principe. Les dispositifs sensibles à la température doivent idéalement être placés dans les zones les plus froides, comme le dessous de l'équipement. Il est crucial d'éviter de les placer directement au-dessus de composants émettant de la chaleur. Pour la disposition de plusieurs dispositifs, il est conseillé d'utiliser une disposition décalée sur un plan horizontal.

Appareils de grande puissance

Placez les appareils les plus gourmands en énergie et les plus générateurs de chaleur à proximité des emplacements de refroidissement optimaux. Évitez de placer les appareils à forte production de chaleur dans les coins et sur les bords du circuit imprimé, sauf si un dispositif de refroidissement est installé à proximité.

Radiateur et plaque de conduction thermique

Radiateur et plaque conductrice de chaleur

Appareils de chauffage à petite échelle

Lors de la conception de résistances de puissance, il est conseillé de sélectionner des composants de plus grande taille et de prévoir un espace de dissipation thermique suffisant lors de l'ajustement de la disposition du circuit imprimé. Pour les composants à forte production de chaleur, des dissipateurs thermiques et des plaques thermoconductrices peuvent être ajoutés. Lorsque peu de composants génèrent une chaleur importante (moins de 3), des dissipateurs thermiques ou des caloducs peuvent être fixés aux composants chauffants. Si la température ne peut être suffisamment abaissée, un dissipateur thermique équipé d'un ventilateur peut être utilisé pour améliorer la dissipation thermique.

Composants de dissipation thermique à grande échelle

Lorsqu'il y a un nombre important de composants générateurs de chaleur (plus de 3), un boîtier de dissipation thermique plus grand (plaque) peut être utilisé. Ce dissipateur thermique spécialisé est personnalisé en fonction de la position et de la hauteur des composants générateurs de chaleur sur le circuit imprimé, ou peut être configuré pour des emplacements de composants de hauteur variable sur un grand dissipateur thermique plat. Le boîtier de dissipation thermique est solidement fixé à la surface du composant, en contact avec chaque composant pour une dissipation thermique efficace.

Tampon conducteur à changement de phase thermique

Cependant, en raison du manque de régularité de la hauteur des composants lors du soudage, la dissipation thermique n'est pas optimale. Il est courant d'améliorer la dissipation thermique en appliquant un tampon conducteur flexible à changement de phase thermique sur la surface du composant.

Conception de circuits et disposition du routage

Conception de circuits

Pour les équipements utilisant le refroidissement par air par convection libre, il est préférable de disposer les circuits intégrés (ou autres composants) verticalement ou horizontalement. Pour obtenir une dissipation thermique efficace grâce à un routage bien conçu, l'amélioration de la rétention des pistes de cuivre et l'intégration de vias thermiques constituent les principales méthodes. En raison de la faible conductivité thermique de la résine présente dans le matériau de la carte, les pistes et vias de cuivre constituent de bons conducteurs de chaleur. L'évaluation de la capacité de dissipation thermique d'un circuit imprimé nécessite le calcul de la conductivité thermique équivalente du matériau composite, composé de différents matériaux de conductivité thermique différente, utilisé dans le substrat isolant du circuit imprimé. Les composants d'un même circuit imprimé doivent être disposés en zones en fonction de leurs capacités de génération et de dissipation thermiques. Les composants à faible génération ou à faible résistance thermique, tels que les transistors à faible signal, les circuits intégrés de petite taille et les condensateurs électrolytiques, doivent être placés en amont du flux d'air de refroidissement (entrée). Les composants à génération ou à résistance thermique plus élevée, tels que les transistors de puissance et les circuits intégrés de grande taille, doivent être placés en aval du flux d'air de refroidissement. Horizontalement, les composants haute puissance doivent être disposés plus près du bord du circuit imprimé afin de raccourcir le trajet de transfert thermique. Verticalement, ils doivent être positionnés au-dessus du circuit imprimé afin de minimiser leur impact sur la température des autres composants. La dissipation thermique du circuit imprimé à l'intérieur du dispositif repose principalement sur la circulation de l'air. Par conséquent, lors de la phase de conception, il est crucial d'étudier les voies de circulation de l'air et de positionner stratégiquement les composants ou le circuit imprimé. L'air a tendance à s'écouler vers les zones de faible résistance lorsqu'il est en mouvement ; il est donc important d'éviter de laisser de grands vides à un endroit précis lors du placement des composants sur un circuit imprimé. La configuration de plusieurs circuits imprimés au sein d'un assemblage doit également prendre en compte ces mêmes facteurs. Il est conseillé de placer les composants sensibles à la température dans la zone la plus basse (par exemple, le bas du dispositif). Évitez de les placer directement au-dessus des composants émettant de la chaleur. En cas de composants multiples, il est préférable de les disposer de manière imbriquée sur un plan horizontal. Placez les composants les plus gourmands en énergie et produisant le plus de chaleur près de l'emplacement optimal de dissipation thermique. Évitez de placer des composants générant une chaleur élevée dans les coins et sur les bords du circuit imprimé, sauf si des dispositifs de dissipation thermique sont disposés à proximité. Lors de la conception de résistances de puissance, privilégiez autant que possible des composants de plus grande taille et assurez-vous d'un espace de dissipation thermique suffisant lors de l'ajustement de la disposition du circuit imprimé.Minimisez la concentration de points chauds sur le circuit imprimé et répartissez la puissance aussi uniformément que possible sur l'ensemble du circuit imprimé afin de maintenir une température de surface uniforme et constante. Obtenir une distribution uniforme et rigoureuse est souvent un défi lors de la conception, mais il est essentiel d'éviter les zones à densité de puissance excessive. Cette précaution permet d'éviter l'apparition de points chauds susceptibles de nuire au fonctionnement normal du circuit. L'analyse de l'énergie thermique des circuits imprimés est essentielle si les conditions le permettent. L'intégration de modules d'analyse de l'indice d'énergie thermique dans certains logiciels professionnels de conception de circuits imprimés peut aujourd'hui aider les ingénieurs concepteurs à optimiser la conception des circuits. Dans le secteur des hautes technologies modernes, l'importance des techniques de gestion thermique des circuits imprimés est de plus en plus importante. Tout comme un grand architecte doit tenir compte de la stabilité d'un gratte-ciel lors de sa conception, les ingénieurs électroniciens doivent également se concentrer sur le flux et la dispersion de la chaleur lors de la conception de circuits imprimés. Grâce à une conception judicieuse, au choix de matériaux de dissipation thermique adaptés et à l'utilisation optimale des outils de conception modernes, nous pouvons créer un système de contrôle de température parfait au sein des appareils électroniques, permettant à chaque composant de fonctionner efficacement à des températures adéquates et d'émettre une brillance éclatante. Tout comme la civilisation humaine prospère grâce à l'innovation, la technologie électronique continue d'évoluer grâce à la gestion thermique. Unissons-nous sur la scène technologique et travaillons sans relâche à créer un monde électronique plus intelligent, plus performant et plus fiable !La technologie électronique continue également d'évoluer grâce à la gestion thermique. Unissons-nous sur la scène technologique et travaillons sans relâche à créer un monde électronique plus intelligent, plus performant et plus fiable !La technologie électronique continue également d'évoluer grâce à la gestion thermique. 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