Résoudre la surchauffe : Techniques de dissipation de la chaleur des circuits imprimés

Pourquoi la surchauffe des circuits imprimés est-elle un problème majeur en électronique ?

Le développement continu de l'électronique moderne de pointe a porté sa taille et ses capacités à des niveaux sans précédent, ce qui introduit de nouveaux problèmes tels que la gestion de la chaleur pour les composants entassés les uns sur les autres. La surchauffe des cartes de circuits imprimés (PCB) est plus qu'un désagrément ; c'est un problème pénible qui affecte les performances, la fiabilité et la durabilité des appareils. Tous les concepteurs et fabricants de produits électroniques doivent connaître les principes de base de la gestion thermique et les stratégies de gestion de la chaleur les plus sophistiquées s'ils veulent s'assurer que les appareils continuent à fonctionner dans des conditions de chaleur extrême. Il est essentiel de gérer correctement la chaleur pour que les appareils ne subissent pas de dommages permanents.

Principes de base de la gestion thermique des circuits imprimés

En termes simples, la gestion thermique dans les circuits imprimés est le transfert idéal de la chaleur des composants générateurs de chaleur, comme les régulateurs de tension. Les composants électroniques, dans l'accomplissement de leurs tâches, utilisent constamment l'énergie de la résistance électrique pour générer de la chaleur. Quelle que soit la quantité, la consommation d'énergie génère toujours de la chaleur. Par exemple, les microcontrôleurs moyens dissipent environ deux à trois milliwatts d'énergie, voire quelques watts, tandis que les composants et processeurs de grande puissance, les LED de puissance et les transistors sont si puissants qu'ils peuvent générer de la chaleur de l'ordre de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de watts.

Le circuit imprimé a une double fonction, dont celle de conducteur thermique. Toutefois, cette fonction n'est pas assurée de manière uniforme et dépend fortement des matériaux et de la conception choisis. La chaleur produite par les composants doit être déplacée à travers le circuit imprimé avec une répartition appropriée de la chaleur entre ses couches, puis dissipée dans l'environnement. Les deux modes de transfert thermique sont la conduction à partir des fils, le transfert par convection vers le fluide ou l'air environnant et l'émission par rayonnement d'ondes qui dégagent beaucoup de chaleur. Un contrôle et une gestion efficaces de l'énergie thermique visent à améliorer l'efficacité de l'acheminement de l'énergie thermique dans les composants de manière à ce que la température des composants reste dans leurs limites pendant le fonctionnement. Pour les applications commerciales, ces limites se situent entre 0 °C et 70 °C, mais elles sont généralement beaucoup plus strictes pour les composants électroniques spécialisés ou de haute fiabilité.

Conséquences d'une dissipation thermique inadéquate : Performance, fiabilité et durée de vie

Le manque d'attention portée à la "dissipation de la chaleur" pour les circuits imprimés peut avoir de nombreuses répercussions négatives sur un appareil électronique.

• Problèmes de performance : Avec l'augmentation de la température d'un dispositif semi-conducteur, les caractéristiques électriques ont également tendance à changer. Cela signifie que la vitesse de commutation des transistors peut diminuer, ce qui entraîne une augmentation du temps de traitement et une réduction des performances du système. Dans le cas des circuits analogiques, l'augmentation de la température peut entraîner des signaux de bruit et de dérive qui diminuent l'intégrité du signal. Un processeur conçu pour fonctionner à 3 GHz subira une baisse de 10% à 15% pour chaque augmentation de 10°C de la température optimale.
• Fiabilité réduite : La chaleur élevée peut augmenter le taux de presque toutes les réactions chimiques dans un appareil, entraînant ainsi un vieillissement précoce et un taux de défaillance accru. Des études indiquent que le taux de défaillance de nombreux composants électroniques est multiplié par deux pour chaque augmentation de 10°C de la température. L'équation d'Arrhenius est celle qui décrit le mieux la relation entre la température et la durée de vie des composants ; dans la pratique, ces composants tombent souvent en panne. Un condensateur électrolytique peut avoir une durée de vie de 10 000 heures à 85°C, mais à une température constante de 105°C, il peut atteindre le point de défaillance beaucoup plus rapidement.
• Durée de vie réduite : Nous pouvons observer le terme de dégradation cumulative, qui fait référence à une abrasion des performances, de la fiabilité et de la durée de vie d'un appareil électronique. On peut dire que les appareils ont toujours une durée de vie limitée. Les composants qui sont exposés à des températures élevées pendant des périodes prolongées ont une forte probabilité de tomber en panne. Une fois que cela se produit, l'appareil est inutilisable. Ce scénario entraîne non seulement une hausse des coûts de réparation sous garantie et une baisse du taux de satisfaction des clients, mais il constitue également un défi de taille pour de nombreux secteurs où la durée de vie utile d'un appareil est essentielle, comme l'aérospatiale, le secteur médical et les systèmes de contrôle industriels.
• Augmentation de la consommation d'énergie : Lorsque l'appareil surchauffe, il consomme invariablement plus d'énergie. Cette chaleur excessive doit être gérée et les systèmes de refroidissement doivent faire des heures supplémentaires. C'est le cas de la plupart des appareils rechargeables qui dépendent de batteries pour leur alimentation, car la gestion de la chaleur a une conséquence directe sur la durée de vie de la batterie.
• Problèmes de sécurité : Si des mesures actives ne sont pas prises, la surchauffe peut devenir un danger et, dans les cas extrêmes, entraîner un emballement thermique ou des incendies dans des matériaux inflammables.

Il ressort de ce qui précède que la conception de tout circuit imprimé doit intégrer des techniques efficaces de dissipation de la chaleur. Ces techniques doivent, au minimum, garantir que les produits électroniques conservent la fonctionnalité, la durabilité et la sécurité requises.

Méthodes avancées de dissipation de la chaleur

Pour résoudre le problème de la surchauffe des circuits imprimés, de nombreuses méthodes sophistiquées et avancées de dissipation de la chaleur ont été mises au point et sont couramment utilisées dans le processus de conception électronique. Ces méthodes peuvent être regroupées en deux catégories : celles qui intègrent une meilleure conduction de la chaleur à partir des composants et celles qui incluent le rayonnement et la convection de la chaleur vers l'espace ambiant. Une conception thermique globale utilise généralement plusieurs techniques de contrôle de la chaleur simultanément.

Mise en œuvre des dissipateurs thermiques

Les dissipateurs de chaleur, en revanche, sont des dispositifs passifs qui fonctionnent de manière plus avancée. Les dissipateurs sont des dispositifs de gestion thermique dont l'objectif est d'augmenter la surface disponible pour le transfert de chaleur vers l'air ambiant. Ils sont presque toujours fabriqués à partir de matériaux à haute conductivité, comme l'aluminium ou le cuivre, et ils ont des formes et des tailles différentes, généralement avec des ailettes pour augmenter la surface.

Tous les composants électroniques émissifs qui diffusent de l'énergie subissent une augmentation de température pendant leur fonctionnement. Dans le cas de la production de chaleur, un dissipateur thermique est utilisé pour recevoir l'énergie d'un dispositif et augmenter la quantité d'énergie dissipée dans le milieu environnant. Ces dispositifs maximisent la surface de contact grâce à l'utilisation de surfaces à ailettes et supportent le flux d'air de refroidissement qui peut être forcé ou circuler naturellement autour du dissipateur thermique. Son efficacité dépend des matériaux, de la surface, de la configuration des ailettes et de la résistance thermique de l'interface entre le composant et le dissipateur thermique. L'utilisation de matériaux d'interface thermique (MIT), tels que la pâte thermique et les coussinets, permet de fixer correctement l'interface et de réduire la résistance thermique de l'interface pour un transfert de chaleur adéquat. Par exemple, un dissipateur thermique en aluminium d'une surface de 50 cm² peut refroidir passivement plusieurs watts de chaleur par convection naturelle, ce qui est nettement plus qu'une pièce chaude sans dissipateur thermique. Dans les applications à haute puissance, des dissipateurs de chaleur plus grands et plus finement divisés sont nécessaires.

Utilisation des vias thermiques pour améliorer le flux de chaleur

Les vias thermiques consistent en un trou traversant plaqué rempli d'un matériau thermoconducteur, le plus souvent du cuivre, qui sert de via pour le transfert de chaleur dans le sens vertical d'une couche du circuit imprimé à l'autre. Lorsqu'ils sont utilisés dans des circuits imprimés multicouches, ils sont essentiels pour déplacer la chaleur des dispositifs montés en surface vers les plans de cuivre intérieurs, qui diffusent ensuite la chaleur tout autour du circuit.

Pour maximiser les performances des vias thermiques, il convient de les placer stratégiquement sous les composants générateurs de chaleur. Le nombre de vias thermiques nécessaires dépend de la conductivité thermique du matériau du circuit imprimé et de la quantité de chaleur dissipée. Par exemple, un réseau dense de vias thermiques, de 10 à 20 par exemple, d'un diamètre de 0,3 mm, peut réduire considérablement la valeur de la résistance thermique entre un composant de surface et un plan de cuivre intérieur. Les politiques de gestion thermique efficaces doivent se concentrer sur l'optimisation de la quantité et de la configuration de ces vias thermiques.

Optimisation des tracés et des plans en cuivre pour la conduction de la chaleur

Dans une structure de circuit imprimé, le cuivre est le meilleur conducteur thermique et, en raison de sa conductivité thermique élevée, il peut être utilisé stratégiquement pour améliorer le taux de dissipation de la chaleur, ce qui permet d'obtenir la meilleure dissipation de la chaleur dans les applications à haute puissance. Outre la réduction de la résistance électrique, une augmentation de la largeur et de l'épaisseur des traces de cuivre transportant des courants élevés améliore à la fois la résistance de la trace de cuivre et sa capacité à dissiper la chaleur des composants. En outre, les plans de cuivre de grande surface ont également la capacité de diffuser la chaleur, en particulier les plans de masse et d'alimentation, car ils se trouvent directement au-dessus du circuit imprimé et peuvent chauffer les constituants du plan sur une large zone.

Le fait de réserver des couches entières ou de grandes portions de couches pour les plans de cuivre dans les applications à haute puissance peut grandement contribuer à la gestion thermique. La conductivité thermique du cuivre est de près de 400 W/m-K, ce qui est beaucoup plus élevé que celle du FR-4 commun, qui est d'environ 0,2 W/m-K en raison de sa faible conductivité thermique. Cette différence souligne la nécessité d'utiliser le cuivre pour la dissipation de la chaleur et doit être prise en compte dans le cadre de votre stratégie de conception thermique. Par exemple, si l'on multiplie par deux l'épaisseur de la trace de cuivre d'un côté, la résistance thermique sera réduite d'environ 50 %.

La technologie des caloducs et son application aux circuits imprimés

Le principe d'un caloduc repose sur le transfert de chaleur par le processus séquentiel d'évaporation et de condensation du fluide de travail dans un tube scellé. Un caloduc est défini comme un dispositif qui transfère la chaleur avec une perte de température minimale sur des distances considérables. Dans le passé, les utilisations étaient plutôt limitées, par exemple, le refroidissement des ordinateurs portables. La diffusion des caloducs installés dans les circuits imprimés qui nécessitent une puissance importante est de plus en plus courante, car les caloducs sont facilement intégrés et constituent l'une des meilleures stratégies de gestion thermique disponibles dans l'électronique moderne.

Le refroidissement actif des cartes de circuits imprimés (PCB) peut inclure l'intégration de caloducs dans les PCB, la fixation directe aux composants des PCB ou l'application de caloducs miniaturisés. Les caloducs sont extrêmement efficaces pour déplacer des flux de chaleur concentrés d'un point chaud vers une zone conçue où la chaleur peut être dissipée. Cela est rendu possible par la construction miniaturisée du tuyau, qui se traduit par une conductivité thermique considérablement plus élevée que celle du cuivre massif.

Par exemple, la conductivité thermique efficace des petits caloducs peut être supérieure de plusieurs ordres à celle du cuivre solide. Les petits caloducs conviennent donc parfaitement à tout type d'appareil électronique présentant des niveaux élevés de production de chaleur concentrée.

Utilisation de ventilateurs de refroidissement pour la convection d'air forcé

Les ventilateurs de refroidissement fonctionnent comme des dispositifs actifs de gestion thermique qui déplacent dynamiquement l'air à travers le circuit imprimé et les dissipateurs thermiques, améliorant ainsi le transfert de chaleur par convection. Ils sont particulièrement efficaces dans les applications où les méthodes de refroidissement passif ne suffisent pas à maintenir la température des composants dans des limites acceptables, et constituent l'une des stratégies les plus utilisées pour gérer la chaleur dans divers appareils de l'industrie électronique.

La configuration du ventilateur est déterminée par le volume de chaleur à évacuer, l'espace disponible pour le ventilateur, le débit d'air requis et le niveau de bruit admissible. Les caractéristiques de débit d'air et de pression diffèrent d'un ventilateur à l'autre : ventilateurs axiaux et des ventilateurs de soufflage, chacun fournissant différents types de flux d'air et de pression.

Les ventilateurs radiaux, également connus sous le nom de ventilateurs soufflants, sont souvent utilisés lorsqu'il est nécessaire de diriger le flux d'air sur un point spécifique ou à travers un volume confiné, contrairement aux ventilateurs centrifuges. ventilateurs axiauxqui sont mieux à même de fournir un flux d'air général à travers la carte de circuits imprimés. Par exemple, la capacité d'un dissipateur thermique à dissiper la chaleur peut augmenter de 50-100% lorsque la vitesse de l'air circulant sur le dissipateur thermique passe de 1m/s à 3m/s.

Stratégies de placement des composants pour une meilleure gestion thermique

Le placement stratégique des composants sur la carte de circuit imprimé en ce qui concerne les systèmes de refroidissement est un domaine qui nécessite de l'innovation. Les concepteurs peuvent améliorer la dissipation de la chaleur en examinant attentivement les propriétés thermiques des différents systèmes, leur position dans le système et les méthodes de refroidissement disponibles.

• Composants haute puissance séparés : Les composants produisant de la chaleur doivent être placés à une certaine distance les uns des autres afin d'éviter les points de température localisés élevés et de réduire le couplage thermique.
• Orienter les composants pour la circulation de l'air : Pour les systèmes refroidis par air forcé, les composants doivent être positionnés de manière à permettre un refroidissement par air unidirectionnel pour la majorité des surfaces criblées. Par exemple, les dissipateurs thermiques à ailettes doivent être orientés parallèlement à la direction du flux d'air de refroidissement.
• Composants sensibles à la chaleur : Les composants sensibles au refroidissement doivent être placés en dehors des zones de composants puissants et dans les régions refroidies.
• Utilisation des bords de la planche : Les composants de forte puissance peuvent être montés sur les bords de la carte de circuit imprimé de manière à ce que la chaleur puisse être déplacée dans le châssis ou le boîtier.
• Symétrie thermique : Essayer d'équilibrer la distribution des dispositifs produisant de la chaleur sur une carte de circuit imprimé peut contribuer à abaisser la température des zones localisées sur une carte de circuit imprimé en raison de la diminution des points chauds et de l'amélioration de la norme de température de l'air sur la carte de circuit imprimé.

Meilleures pratiques pour la mise en œuvre des techniques de dissipation thermique des circuits imprimés

En fonction de l'étape du processus de conception, la gestion de la chaleur sur les cartes de circuits imprimés (PCB) doit être effectuée de manière systématique, depuis l'identification du problème jusqu'à la résolution des difficultés liées à la gestion de la chaleur.

Analyse et simulation thermique à un stade précoce

Dès les premières étapes du cycle de conception, il convient de procéder à une évaluation et à une simulation afin d'atténuer tout risque de surchauffe et de tester l'efficacité d'autres techniques de contrôle de la chaleur avant la construction de prototypes physiques. Les programmes qui utilisent des processus tels que l'analyse par éléments finis (FEA), qui simulent la façon dont une carte de circuit imprimé génère de la chaleur et comment la chaleur est transmise en son sein, permettent aux ingénieurs d'améliorer le positionnement des composants, des sections de refroidissement ou des ventilateurs de refroidissement. Le fait de pouvoir corriger ces problèmes avant que le produit ne passe au stade ultérieur du développement permet d'économiser beaucoup de ressources et de temps.

Considérations relatives aux différents environnements d'application

Les conditions d'utilisation d'un appareil électronique ont un impact important sur la qualité de l'air. gestion thermique les stratégies à adopter. Les appareils qui fonctionnent à des températures élevées ou dans des espaces fermés qui limitent la circulation de l'air auront besoin de solutions de refroidissement plus complexes que les appareils qui fonctionnent à des températures basses et dans des environnements bien ventilés.

En outre, l'altitude, l'humidité et la présence de poussière et d'autres contaminants peuvent également avoir un impact sur les performances thermiques des appareils. Ces facteurs doivent être équilibrés lors du choix et de la conception des méthodes de dissipation thermique des circuits imprimés. Par exemple, un appareil destiné à être utilisé à l'extérieur dans des climats chauds peut nécessiter des ventilateurs de refroidissement plus puissants et des dissipateurs de chaleur plus grands que le même appareil utilisé dans des conditions intérieures contrôlées par l'air.

Combiner plusieurs techniques pour une efficacité maximale

Dans la plupart des cas, la meilleure approche pour parvenir à une gestion thermique efficace consiste à adopter plusieurs techniques. Par exemple, la combinaison d'un dissipateur thermique sur un composant de haute puissance, d'un répartiteur de chaleur et de vias thermiques stratégiquement placés, ainsi que d'un refroidissement par air forcé sur un composant de haute puissance, refroidira l'appareil beaucoup plus efficacement que l'utilisation d'une seule technique.

La méthode ou les techniques de refroidissement utilisées dépendent des paramètres propres à l'application, tels que la chaleur produite, la surface disponible, le coût en termes d'investissement et la fiabilité requise.

Conseils ACDCFAN : Quand faut-il envisager l'utilisation d'un ventilateur de refroidissement dans la conception d'un circuit imprimé ?

Dans la plupart des cas, l'utilisation d'un ventilateur dans un circuit imprimé est un compromis entre la fonction, le coût, le bruit et la fiabilité du système. Voici quelques signes importants qui peuvent suggérer la nécessité d'un refroidissement par ventilateur actif :

• Dissipation de puissance élevée : Ians le cas où un ou plusieurs composants montés sur la carte dissipent beaucoup d'énergie (par exemple, >10W), l'utilisation d'un refroidissement passif tel que des dissipateurs de chaleur ne garantit pas à elle seule des températures de fonctionnement sûres, en particulier si l'environnement est compact.
• Températures ambiantes élevées : Lorsque l'appareil doit fonctionner dans des régions où les températures ambiantes sont élevées (par exemple, >40°C), la différence de température qui alimente le transfert de chaleur passif est inférieure à ce qui est nécessaire, d'où la nécessité d'un refroidissement actif.
• Convection naturelle limitée : Ces systèmes encapsulés, mal ventilés et à circulation d'air restreinte, peuvent entraîner une accumulation de chaleur qui peut nécessiter un refroidissement par air forcé au moyen d'un ventilateur.
• Exigences strictes en matière de performances : Si l'application en question exige que certains processeurs ou GPU soient constamment opérationnels au maximum de leurs performances, le refroidissement actif peut contribuer à garantir des températures de fonctionnement optimales et à éviter les conséquences de l'étranglement thermique.
• Haute densité de composants : Les circuits imprimés à montage dense peuvent accumuler de grandes quantités de chaleur, ce qui rend difficile le contrôle de la température par des méthodes de refroidissement passives.
• Problèmes de fiabilité : Le refroidissement actif peut aider les composants importants à durer plus longtemps en réduisant la température de fonctionnement. Il est donc idéal pour les applications nécessitant une fiabilité à long terme.

Techniques de refroidissement passives et actives

Les stratégies de gestion de la chaleur employées pour les PCB peuvent être divisées en méthodes passives et actives, chacune contribuant différemment à la gestion thermique globale des dispositifs électroniques avancés :

Dans le cas du refroidissement passif, la chaleur est extraite sans énergie externe. Les exemples incluent les dissipateurs de chaleur, les vias thermiques, l'optimisation de la couche de cuivre et la sélection des matériaux pour les circuits imprimés. Ces techniques sont généralement moins complexes, plus fiables car elles ne comportent pas de pièces mobiles et ne nécessitent pas d'énergie supplémentaire. En revanche, leur potentiel de refroidissement est limité en raison de la méthode passive d'extraction de la chaleur. Le placement stratégique des composants actifs dans un circuit imprimé peut également être considéré comme une technique de refroidissement passif, le placement des composants étant effectué de manière à minimiser les interférences thermiques entre les composants voisins.

Les techniques actives de refroidissement sont celles qui utilisent un dispositif externe alimenté en énergie pour éloigner la chaleur du circuit imprimé. Le type le plus répandu de ces méthodes implique l'utilisation de ventilateurs de refroidissement pour pousser l'air sur les dissipateurs de chaleur et la surface du circuit imprimé. D'autres exemples de méthodes actives qui peuvent être employées sont les systèmes de refroidissement par liquide, qui ont une plus grande capacité de refroidissement mais tendent à être plus complexes et plus coûteux. Bien que les méthodes actives et passives aient chacune leurs avantages, les méthodes de refroidissement actives permettent d'améliorer considérablement la dissipation de la chaleur, ce qui les rend beaucoup plus avantageuses pour les applications utilisant de l'électronique de puissance ou dans les zones où la convection naturelle est faible, voire inexistante. Cependant, ces solutions actives présentent certains inconvénients, tels que l'introduction de sons indésirables, une consommation d'énergie supplémentaire et une durée de vie limitée en fonction de la fiabilité de leurs parties actives.

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En tant qu'entreprise certifiée ISO (ISO9001, ISO14001), ACDCFAN adhère aux normes les plus strictes en matière de qualité et d'environnement. Nos ventilateurs de refroidissement sont conformes à la directive RoH, ce qui garantit la sécurité du produit et répond aux normes de sécurité internationales telles que UL, CE, TUV, ainsi qu'aux restrictions Iso, confirmant qu'aucun polluant n'est utilisé.

Pour les circuits imprimés avec une dissipation de puissance élevée, une disposition compacte des composants ou des conditions thermiques difficiles, ACDCFAN propose des systèmes de refroidissement fiables qui peuvent être adaptés à vos besoins et garantissent des performances optimales. Il en résulte une fiabilité et une durée de vie accrues de vos produits électroniques. Joignez-vous à nous pour répondre à vos besoins urgents en matière de refroidissement de circuits imprimés.

Conclusion

Les techniques de dissipation de la chaleur des circuits imprimés ne sont plus des considérations facultatives. Elles sont devenues indispensables pour améliorer la fiabilité et les performances des appareils électroniques. Les risques de surchauffe et d'érosion du produit peuvent être résolus par une solide compréhension de la gestion thermique et la mise en œuvre de méthodes de refroidissement sophistiquées, l'optimisation de la disposition des composants et le respect des meilleures pratiques.

Que vous préfériez les solutions de refroidissement passif ou les solutions de refroidissement actif plus agressives offertes par les ventilateurs, il est essentiel d'avoir une approche cohérente de la gestion thermique. Lors de la conception de l'électronique, n'oubliez pas que la coopération avec des fournisseurs de solutions de refroidissement expérimentés, tels qu'ACDCFAN, vous aidera à résoudre les problèmes de dissipation thermique de vos circuits imprimés.