Le comportement thermique d’un circuit imprimé

Le comportement thermique du système est un élément qui doit être pris en compte tout du long du développement d’un produit, afin que nous utilisions au mieux les différentes techniques mises à notre disposition pour participer à la dissipation des calories excédentaires. Lors de la revue de schéma, de nombreux points doivent être IMPERATIVEMENT évoqués, compris et validés pour que la conception du PCB soit conforme aux attentes.

Tout d’abord, le cuivre est un excellent conducteur électrique et thermique. Tout le monde le sait ! Le problème étant que le cuivre n’est pas un conducteur parfait. Il est donc (un peu) résistif. Et s’il est résistif, il se comporte comme toute résistance parcourue par un courant électrique : il chauffe. Ceci étant posé, quelle élévation de température maximum doit être respectée pour un fonctionnement correct du système ?

Grâce à l’IPC qui nous a fourni une petite formule arithmétique bien pratique, nous sommes à même de calculer le volume d’une piste pour limiter son élévation de température aussi bien en couche externe qu’en couche interne juste en faisant varier un coefficient de derating… Scolaire.

N’oublions pas les vias qui transportent les calories d’un plan à l’autre et qu’il va falloir également calculer finement. Les approximations de  IPC encore une fois nous rendent bien service pour transformer le ThroughVia basic en cet élément indispensable à l’électronique de puissance qu’est le ThermoVia. Attention à la température qui fait varier la conductivité du cuivre, Il faudra y penser.

Mais deux éléments viennent fausser ce simple calcul : L’effet de peau qui va réduire le volume utile de la piste et la circulation de calories excédentaires voyageant d’un point “chaud” vers un point “froid” qui vont venir s’additionner au bilan thermique de la piste. Un simulateur de comportement thermique tel que TRM (Thermal Risk Management) de notre ami Johannes Adam permettra de mieux appréhender tout cela.

Les calories en provenance du circuit intégré (Die) sont d’une part part évacuées par le boîtier au contact de l’air ambiant et d’autre part par les connexions au circuit imprimé. Les pistes et les plans sont de très bons caloporteurs, pour peu qu’on en tienne compte.

La technologie “Via In Pad” permet de maximiser le transfert thermique du silicium vers le PCB, de réduire les couplages inductifs et accessoirement d’augmenter les capacités de routage sous les circuits BGA. Un nombre très important de paires de connexions d’alimentations (VCC-GND par ex.) est implantés pour prendre en compte ces phénomènes (Voir à ce sujet l’intégrité du signal et des Réseaux de Distribution d’Alimentations ou Power Distribution Networks)

Le coefficient de transfert thermique entre une surface de cuivre et l’air ambiant n’est pas formidable mais peut rendre des services inestimables. il est ainsi possible d’évacuer 1,5W à 70°C ambiant pour une température de puce ne dépassant pas 105°C avec une plage de cuivre de 49cm².

Bien sûr, réserver de larges plages de dissipation thermique en couches externes pour profiter de cette aubaine cela peut sembler impossible, mais en y réfléchissant bien, en remplissant les couches externes avec un plan de masse GND “Parfait” on arrive très vite à réaliser un dissipateur avec des zones qui autrement auraient été laissées à leur triste état d’isolant. Mieux encore, il n’y a plus qu’à “coudre selon λ/4” nos ThermoVias sur le pourtour du PCB pour réaliser un blindage électromagnétique parfait.

Cerise sur le gâteau, en éliminant les freins thermiques des connexions GND, on améliore encore très sensiblement la qualité du Réseau de Distribution des Alimentations (PDN) et donc l’intégrité du signal et des plans. Voir à ce sujet l’excellent logiciel ICD Stackup Planner de notre ami Barry Olney.

Revenons à l’IPC qui nous apprend dans sa recommandation IPC-2226 HDI PWB qu’il est possible avec une construction de type IV d’empiler les couches traditionnelles du stackup sur un substrat passif, pré-percé et chargé d’évacuer les calories excédentaires vers la périphérie du circuit et assure par la même occasion la fonction de blindage passif ! N’oublions pas que le substrat n’assure pas la fonction de conducteur électrique, uniquement de drain thermique ou de blindage passif.

Une autre méthode : en employant un radiateur passif externe pour évacuer l’énergie thermique dissipée par un boîtier (Ici un BGA haute densité). L’évacuation des calories sur ce boîtier BGA est réalisée par une première couche de Vias laser (Microvias), couplée à des vias enterrés (Buried Vas), puis à une seconde couche de vias laser connectés à la couche inférieure, servant de transfert thermique vers un radiateur aluminium collé à l’aide d’un adhésif de faible épaisseur. Le radiateur aluminium augmente très sensiblement les capacités de dissipation du PCB.

(Construction de type II selon IPC-2226, documentation Würth Electronic)

La formation « Techniques et méthodes de conception avancée d’une carte électronique comportant des signaux rapides » permet de transmettre la compréhension des phénomènes électromagnétiques impactant le tracé du circuit imprimé, et de fournir des éléments de quantification de ceux-ci. Ceci permet également d’établir des spécifications circonstanciées et justifiées qui sont alors plus simples à respecter parce que comprises et acceptées.

Prochaines dates de formation :

29/11/2022 au 01/12/2022 – 9 h 00 à 17 h 00

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