Gestion thermique des circuits imprimés : Refroidissement passif ou actif

Pourquoi le sort de votre conception dépend de la gestion thermique des circuits imprimés

Même si une pièce conçue pour durer 10 ans à 70 °C est utilisée à 90 °C, sa durée de vie ne sera que de 2,5 ans. Cette dette thermique conduit à :

• L'étranglement des performances : Les CPU et les GPU réduisent leurs performances pour éviter de s'autodétruire.
• Problèmes d'intégrité du signal : Les traces de PCB, dont les caractéristiques électriques changent avec la température, deviennent la source d'erreurs de données.
• Défaillance des composants : Les condensateurs s'assèchent, les joints de soudure se fissurent et les jonctions de silicium se rompent.

Un contrôle thermique efficace des circuits imprimés assure une bonne transmission de la chaleur vers le monde extérieur, là où la chaleur est censée aller après avoir quitté la source de chaleur, et sert de solution de secours pour éviter de telles défaillances. Les concepteurs de circuits imprimés expérimentés sont conscients du fait que la gestion de la chaleur dans les circuits imprimés est un élément essentiel de l'économie d'énergie. dissipation de la chaleur en fonction de la conception a un effet positif sur la fiabilité du système et sur ses performances thermiques.

Comprendre la gestion thermique des circuits imprimés passifs

La gestion thermique passive n'utilise aucune énergie supplémentaire pour refroidir un appareil. Elle repose uniquement sur les principales lois de la thermodynamique : conduction, convection et rayonnement, qui sont toutes à la base de la conduction de la chaleur dans les systèmes électriques.

• Conduction : Transfert de chaleur par contact direct (par exemple, entre un composant et le circuit imprimé).
• Convection (naturelle) : Transfert de chaleur par le mouvement de l'air. L'air chaud est soulevé par des processus naturels, et l'air plus froid est amené à prendre la place de l'air chaud.
• Rayonnement : Transfert de chaleur par rayonnement électromagnétique.

L'objectif d'une stratégie passive est d'exploiter au maximum ces processus naturels. Elle est durable (peu de composants mobiles) et totalement silencieuse. Ces techniques nécessitent une bonne conception thermique et un choix judicieux des matériaux afin de garantir une bonne dissipation de la chaleur sans gaspillage d'énergie.

Techniques clés pour maîtriser la gestion thermique des circuits imprimés passifs

La première étape avant d'installer un ventilateur est de maximiser la capacité de refroidissement de votre circuit imprimé. C'est la base de tous les plans de conception thermique et l'une des raisons pour lesquelles une dissipation thermique efficace est toujours la même.

Placement stratégique des composants : Votre première ligne de défense

Votre logiciel de mise en page de circuits imprimés est l'outil thermique le plus abordable.

• Sources et victimes sur la carte : Déterminer les composants chauds (CPU, FPGA, régulateurs de puissance) et les composants sensibles (condensateurs, oscillateurs).
• L'espace : Ne placez pas les composants chauds à proximité les uns des autres, car cela forme un point chaud. Leur répartition fait du circuit imprimé un diffuseur de chaleur naturel.
• Respecter le flux d'air : placer les pièces sensibles à l'écart de la voie d'évacuation des pièces chaudes. Ne pas placer un régulateur de 10W à proximité d'une batterie de condensateurs sensibles.
• Le châssis comme dissipateur thermique : Fixer les parties chaudes près du bord de la carte de manière à ce qu'elles puissent être thermiquement reliées à l'enceinte métallique. Ce couplage et l'efficacité de la conduction thermique globale sont améliorés par le choix approprié des matériaux, par exemple des couches de cuivre à haute conductivité.

Tirer parti du cuivre : Vias thermiques et plans de cuivre

Votre substrat FR-4 est un isolant thermique (~0,25 W/mK). Votre cuivre est un conducteur thermique (~400 W/mK). Votre objectif est d'utiliser le cuivre pour créer une autoroute thermique.

• Les coulées de cuivre : Utilisez de grands plans de cuivre solides (masse et alimentation) comme répartiteurs de chaleur. Une couche de cuivre de 2 oz (70 µm d'épaisseur) présente une résistance thermique nettement inférieure à celle d'une couche de 1 oz (35 µm) et améliore considérablement la diffusion latérale de la chaleur.
• Vias thermiques : Ces points sont essentiels. Un via thermique est un réseau de vias placés sous le tampon thermique d'un composant, le "cousant" à un grand plan de cuivre sur une autre couche. La chaleur est ainsi transférée à travers le FR-4 isolant vers une surface plus grande (comme un plan de masse interne) où elle peut se propager. Pour obtenir un effet maximal, il convient d'utiliser des conceptions de via-in-pad et de les intégrer dès le début de la conception du circuit imprimé.

Le rôle des dissipateurs de chaleur (Heatsinks) : Améliorer la convection naturelle

Lorsque la surface d'un composant n'est pas suffisante, on ajoute un dissipateur thermique. Un dissipateur thermique est un composant passif qui augmente considérablement la surface disponible pour la convection naturelle.

Une plus grande surface signifie plus de contact avec l'air et plus de chaleur transférée. Pour la convection naturelle, les dissipateurs de chaleur doivent être dotés d'ailettes relativement peu nombreuses et hautes afin d'encourager l'air à s'élever entre elles sans l'emprisonner. Associées à de solides principes de conception thermique, ces méthodes garantissent une dissipation régulière et efficace de la chaleur sur toute la ligne.

Le niveau suivant : Qu'est-ce qui définit la gestion thermique active des circuits imprimés ?

Vous avez donc optimisé votre disposition, utilisé du cuivre 2oz, et même ajouté un dissipateur thermique, et votre appareil surchauffe toujours ?

C'est là que le refroidissement passif est limité. Le refroidissement passif dépend de la différence de température naturelle entre le dissipateur thermique et l'air ambiant. Lorsque le composant produit une chaleur excessive ou que l'air ambiant est déjà chaud, la convection naturelle n'est pas aussi efficace pour maintenir des performances optimales ou des transferts de chaleur constants au sein du système.

Gestion thermique active peut se caractériser par l'apport d'énergie dans le système, par exemple au moyen de ventilateurs ou de pompes, afin de provoquer le mécanisme de transfert de chaleur. Il remplace la faible convection naturelle par une convection forcée beaucoup plus forte, qui est l'une des meilleures méthodes de contrôle thermique dans le domaine de l'ingénierie électronique aujourd'hui.

Techniques clés pour la mise en œuvre d'une gestion thermique active des circuits imprimés

Les mesures actives consistent en de simples ventilateurs et des systèmes de refroidissement liquide hautement sophistiqués, tous destinés à améliorer le flux thermique et la dissipation de la chaleur dans des espaces compacts ou de grande puissance.

Refroidissement par air pulsé : Le rôle des ventilateurs et des soufflantes

Il s'agit du refroidissement actif le plus répandu et le moins coûteux. L'air frais à l'intérieur et l'air chaud à l'extérieur en ajoutant un ventilateur, ce qui permet de maintenir les températures stables, même là où il n'y a pas de mouvement d'air, comme sur le côté de la carte, où la chaleur piégée peut s'élever.

Pour choisir un ventilateur, vous devez tenir compte de deux éléments :

1. Débit d'air (CFM - pieds cubes par minute) : La quantité d'air que le ventilateur peut transférer dans une zone vide. Les châssis larges et ouverts sont mieux refroidis avec un CFM élevé.
2. Pression statique (mmH 2 O) : La force que le ventilateur peut exercer contre la résistance. La circulation de l'air est entravée dans un châssis de serveur 1U épais. Pour faire entrer l'air et maintenir une bonne circulation dans les zones confinées, vous avez besoin d'un ventilateur à haute pression statique (également appelé ventilateur) pour pousser l'air là où il est nécessaire.

Refroidissement par liquide : Plaques froides et systèmes en circuit fermé

Dans le cas de charges thermiques extrêmes (par exemple, les centres de données à haute performance), l'air n'est pas un moyen de refroidissement adéquat. La capacité thermique de l'eau est plus de 3 000 fois supérieure à celle de l'air.

Un système de refroidissement par liquide consiste à pomper un liquide de refroidissement à travers une plaque froide fixée à la partie chaude. La chaleur est absorbée par le liquide, pompée dans un radiateur (où les ventilateurs refroidissent le liquide), et le liquide froid est renvoyé. Cette approche de contrôle thermique de haute technologie maintient l'uniformité du flux de chaleur à travers la boucle et offre un environnement thermique stable pour des systèmes très performants, même dans des systèmes difficiles.

Solutions avancées : Caloducs et refroidisseurs thermoélectriques (TEC)

• Caloducs : Ce sont des supraconducteurs de chaleur. Le tube de cuivre fermé contient un liquide qui, lorsqu'il acquiert de la chaleur, entre en ébullition et s'écoule sous forme de vapeur vers l'extrémité dite froide, se condense et cède sa chaleur. Le liquide est recyclé vers l'extrémité chaude. Ils sont également très efficaces pour transporter la chaleur dans les zones étroites ou sur le côté de la carte vers un dissipateur de chaleur éloigné que le ventilateur peut gérer.
• Refroidisseurs thermoélectriques (Peltiers) : Il s'agit de petites pompes à chaleur qui sont des dispositifs à semi-conducteurs. L'application d'un courant laisse un côté froid et l'autre chaud. Ils sont utilisés pour refroidir ponctuellement certains capteurs, mais sont généralement inefficaces car ils introduisent leur propre chaleur dans le système, tout en contribuant à améliorer la dissipation de la chaleur dans des zones localisées.

Refroidissement passif et refroidissement actif en tête à tête

Le choix entre le refroidissement passif et le refroidissement actif est un compromis de conception. Voici ce qu'il en est.

Le point de basculement : Quand le refroidissement passif ne suffit plus

Vous avez touché le fond. Vos simulations indiquent que la température de votre composant atteint la zone rouge (>100°C). Cela se produit souvent pour les raisons suivantes

1. Haute densité de puissance (TDP) : Votre composant produit une chaleur excessive dans une taille excessivement petite.
2. Température ambiante élevée : Votre appareil est placé dans un endroit chaud (une usine ou une voiture).
3. Boîtier scellé : Le conception doit être étanche à la poussière ou à l'eau (par ex, IP67), c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'aération.

Il est maintenant temps de passer à une solution active. Toutefois, cette solution soulève de nouveaux problèmes de bruit, de fiabilité et de poussière.

La solution active : Refroidissement fiable pour les conceptions compactes par ACDCFAN

La sélection d'une solution active ne consiste pas simplement à installer n'importe quel ventilateur ; il s'agit d'installer le bon ventilateur qui résoudra votre problème thermique et ne créera pas un nouveau problème de chaleur.

C'est pour répondre à ce problème qu'ACDFAN a été conçu. Nos ventilateurs sont des modèles à haute fiabilité utilisés dans les conceptions où il y a un manque d'espace et où la défaillance n'est pas une option.

• Résoudre le problème de la fiabilité : La crainte la plus fréquente en matière de fiabilité est la défaillance des ventilateurs. Nous avons notre technologie de base, qui utilise les roulements à billes les plus avancés et qui est ainsi capable d'atteindre jusqu'à un MTBF (Mean Time Between Failure) de plus de 70 000 heures. Cela représente près de 8 ans de service 24/7, ce qui garantit que la durée de vie de notre ventilateur sera la même que celle de votre produit.
• Résoudre les problèmes liés aux environnements difficiles : Dans un environnement poussiéreux, humide ou à haute altitude, notre Ventilateurs encapsulés étanches à la poussière et à l'eau, conformes à la norme IP68 peut offrir la plus grande protection de l'industrie.
• Efficacité acoustique de la fabrication : Un ventilateur de vitesse 100% est bruyant et consomme de l'énergie. Contrôle intelligent de la vitesse par modulation de largeur d'impulsion (PWM) est incorporé dans nos ventilateurs. Ainsi, votre système peut demander un refroidissement à la demande, fonctionnant silencieusement à faible charge, et n'augmentant la charge que dans des conditions thermiques sévères. Ce système, associé à une conception supérieure des pales, permet d'obtenir un refroidissement maximal avec un minimum de bruit.

Nous proposons une solution, pas un composant. En tant que conception entièrement conforme (RoHS 2.0, UL, CE, TUV, EMC)Nous pouvons fournir une solution technique provisoire à votre projet. dans les 12 heures.

Comment décider de la stratégie de refroidissement des circuits imprimés qui vous convient le mieux ?

Ce cadre décisionnel doit être utilisé pour élaborer votre première stratégie.

Conclusion

La gestion thermique des circuits imprimés est une question d'équilibre. Il ne s'agit pas de choisir entre "passif" ou "actif" ; il s'agit de commencer par une base passive solide et de savoir quand la compléter par une solution active intelligente.

En optimisant votre disposition et en exploitant le cuivre de votre circuit imprimé, les concepteurs de circuits imprimés intègrent une résilience thermique "gratuite". Mais lorsque la physique dicte que le passif ne suffit pas, une solution de refroidissement actif de haute qualité n'est pas un compromis, c'est un catalyseur. C'est ce qui vous permet de repousser en toute confiance les limites de la performance, en sachant que votre conception est protégée par une gestion thermique efficace et guidée par des pratiques de dissipation thermique saines.