En général, la gestion de la température dans les circuits imprimés se concentre sur le problème de la chaleur excessive générée, et le phénomène inverse est souvent négligé : les situations dans lesquelles il est judicieux d’élever la température au-dessus d’une valeur minimale, c’est-à-dire de chauffer le circuit imprimé, afin de ne pas faire sortir les composants électroniques de leur plage de fonctionnement inférieure.

Il existe donc différents cas d'utilisation en matière de gestion thermique :

• Le scénario le plus courant consiste à dissiper la chaleur générée dans le circuit imprimé afin que les composants et les matériaux du circuit imprimé conservent leur intégrité et puissent fonctionner dans les limites de température maximales.
• Le second scénario consiste à chauffer délibérément le circuit imprimé pour maintenir le système dans ses limites de fonctionnement, à une température supérieure à la température minimale de fonctionnement.

Par exemple, la température de l'atmosphère à 10 km d'altitude chute d'environ 65 °C par rapport au niveau de la mer. Cela signifie que les systèmes électroniques d'un aéronef évoluant à cette altitude doivent être chauffés d'une manière ou d'une autre pour assurer leur bon fonctionnement. Il en va de même pour les applications en environnements extrêmes : Antarctique, satellites, etc. Même avec des composants conçus pour résister à des températures de qualité militaire (entre -55 et 125 °C), les limites de fonctionnement peuvent être dépassées.

Les cartes de circuits imprimés (PCB) présentent deux sources de chaleur : les composants électroniques et les conducteurs en cuivre qui les relient. Concernant les composants, nous examinerons les techniques de dissipation thermique qu’ils génèrent et formulerons des recommandations pratiques pour une conception optimale des PCB en matière d’évacuation de la chaleur. Quant à la chaleur générée par le passage du courant dans les pistes, la norme IPC-2152 est décrite et un cas pratique est étudié, avec présentation des résultats obtenus.

Normes IPC et contrôle de la température

Les premières données expérimentales relatives à l'échauffement des pistes de circuits imprimés remontent au milieu du siècle dernier. Ces mesures ont été effectuées en examinant la température des pistes externes sous différents courants, tandis que pour les pistes internes, on s'est basé sur l'intuition et on a supposé que leur température serait environ deux fois supérieure à celle des pistes externes.

Ces résultats, condensés dans la norme MIL-STD-1495, ont été publiés des années plus tard dans le cadre de la norme IPC-D-275. Ils ont ensuite été de nouveau intégrés à la norme IPC-2221, et la conception des circuits imprimés s'en est inspirée jusqu'à récemment.

Finalement, l’IPC a commandité une étude exhaustive sur le sujet, et ces données ont permis d’établir les nouveaux tableaux publiés en 2009 dans la norme IPC-2152. Ces nouvelles valeurs, beaucoup plus détaillées que celles disponibles jusqu’alors et couvrant des situations très différentes, ont entraîné certains changements :

• Pour les couches externes, les données de température ont été corrigées à la baisse d'environ 25 %.
• Concernant les couches internes, la surprise fut de constater qu'elles refroidissent presque aussi bien, voire mieux, que les couches externes. Ceci s'explique par le fait que les matériaux internes du circuit imprimé dissipent mieux la chaleur des pistes que l'air.

Le tableau principal de la norme IPC-2152, qui sert de base à tous les autres calculs, est le graphique bien connu de la figure 5-2. Ce graphique établit la relation entre les courants et les sections des pistes pour différentes incréments de température au-dessus de la température ambiante. Ce tableau s'applique aux circuits imprimés d'une surface ≥ 3 x 3 pouces. Pour les circuits imprimés plus petits, on utilise le tableau plus conservateur de la figure 5-1.

Graphique équivalent à la figure 5-2 de la norme IPC-2152

Les autres caractéristiques initiales de ce « tableau universel » sont qu'il est établi pour une épaisseur de cuivre de 3 oz et sur un substrat en polyamide d'une épaisseur de 70 mils (1,77 mm).
À partir de ce tableau générique, la norme établit plusieurs tableaux auxiliaires comportant des facteurs de correction pour les valeurs « universelles », basés sur différents paramètres :
• Ajustement en fonction de l'épaisseur de cuivre de base : des facteurs de correction sont générés pour des épaisseurs de 0,5 oz, 1 oz et 2 oz (3 oz étant la valeur initiale).
• Ajustement en fonction du plan le plus proche de la piste générant la chaleur. Ce plan a la plus grande influence sur la dissipation thermique, car il constitue la principale surface dissipative ; des facteurs de correction sont générés pour des plans situés à des distances de 5, 20 et 40 mils.
• Ajustement en fonction du type de matériau isolant, consistant en un facteur supplémentaire pour les circuits imprimés en FR4.
• Ajustement en fonction de l'épaisseur totale du circuit imprimé, avec des facteurs de multiplication pour des épaisseurs de 38 et 59 mils (70 mils étant la valeur initiale).

Les différents graphiques et leurs facteurs de correction permettent de calculer avec une précision raisonnable l'élévation de température que subira le circuit imprimé par rapport à la température ambiante.
En ajoutant à cette température la marge de sécurité que nous souhaitons intégrer à notre projet, nous obtenons la température de transition vitreuse (Tg) minimale du matériau utilisé pour la fabrication de notre circuit imprimé.

Chaleur générée par des composants discrets

Dans certains cas, un composant discret peut fonctionner dans sa propre plage de fonctionnement sûre, et en même temps la température atteinte par son boîtier est considérablement supérieure à la valeur Tg du matériau du circuit imprimé (Note de l'auteur : cet auteur peut témoigner avoir vu comment un transistor CMOS a fait fondre l'étain de ses joints de soudure tout en maintenant un fonctionnement stable et sans être détruit... bien que l'on ne puisse pas en dire autant du circuit imprimé sur lequel il était monté).

Voici le cas d'utilisation le plus courant : la dissipation de chaleur excessive. Pour résoudre ce problème, on utilise traditionnellement la loi d'Ohm thermique. Cette loi établit une relation entre la puissance dissipée par le composant (W) et le courant (A) dans un circuit de résistances en série classique. La chaleur excédentaire à absorber (°C) est « dissipée » à travers les différentes résistances thermiques (Rth en °C/W), de la même manière que la tension (V) est distribuée dans notre circuit « virtuel » proportionnellement aux résistances électriques (en ohms).

Le développement de cette méthode de base est largement connu, et il est facile de trouver des informations à son sujet en recherchant en ligne les termes « loi d'Ohm thermique dans les circuits imprimés ». Un circuit thermique qui n'est plus aussi facile à résoudre est celui représenté sur la figure ci-jointe, qui rappelle les exercices d'électronique de base complexes de mes années d'études :

Ce cas ne sera pas examiné en détail ici, car nous souhaitons que cet article soit accessible au plus grand nombre. Cependant, les différentes résistances thermiques entre les plans conducteurs, les chemins thermiques vers la couche inférieure et les autres résistances thermiques déjà présentes dans l'exemple de base sont clairement visibles. Le schéma représente les différents chemins et mécanismes de propagation de la chaleur au sein du circuit imprimé.

Dans tous les cas, nous pouvons fournir des recommandations pratiques tirées de la littérature technique pour parvenir à une bonne conception thermique (bien que celles-ci ne puissent jamais surpasser les programmes de simulation modernes) :

Sur un circuit imprimé double face en cuivre massif, sans dissipateur thermique et avec convection naturelle (sans ventilateur), la surface minimale requise pour dissiper 1 W de
puissance pour une élévation de température de 40 °C est de 15,3 cm². L'épaisseur du cuivre n'est pas prise en compte ici, la dissipation thermique se faisant par convection et non par conduction. Cependant, certaines conditions sont supposées : une circulation d'air libre sur les deux faces du circuit imprimé (celui-ci n'étant pas enfermé dans un boîtier) et une conception thermique optimisée, répartissant la chaleur de la puce source vers les bords. Les points suivants permettent d'optimiser cette seconde condition.

• Plus la couche de cuivre est épaisse, meilleure est la conduction thermique. Une couche de cuivre de 2 oz présente une résistance thermique inférieure de 25 % à celle d'une couche de 1 oz (soit une dissipation thermique améliorée de 25 %).
• Le plan de cuivre par lequel la chaleur se propage doit être étendu, et les découpes perpendiculaires à la direction de propagation de la chaleur doivent être évitées.
• Si possible, placez le dissipateur thermique le long du chemin de moindre résistance thermique vers la jonction de la puce à refroidir. Un boîtier avec un espace thermique inférieur présente une résistance thermique plus faible vers la jonction à cet endroit ; un résultat plus favorable est donc obtenu en plaçant le dissipateur thermique sur la face inférieure du circuit imprimé.
• En présence de plusieurs sources de chaleur sur le circuit imprimé, il est recommandé d'appliquer le principe de superposition. Cela consiste à calculer séparément l'élévation de température induite par chaque source de chaleur aux emplacements des autres sources, puis à additionner toutes les contributions individuelles. On obtient ainsi une bonne estimation de l'élévation de température en chaque point.

En suivant ces recommandations, nous listons maintenant différents effets sur la valeur finale de la résistance thermique jonction-ambiante θja pour une puce déjà montée sur un circuit, avec différentes configurations de PCB :

• L'augmentation du nombre de couches améliore la dissipation thermique globale : le gain de résistance thermique entre un circuit imprimé double face et un circuit imprimé quatre couches avec plans internes peut atteindre 40 % (la résistance thermique finale θja diminue de 40 %).
• La présence de plans séparés sur les faces supérieure et inférieure, reliés à la zone de support de la puce (ou « os de chien »), améliore également sa dissipation thermique jusqu'à 20 %.
• La structure en cuivre de ces plans supérieur et inférieur influence aussi la résistance thermique finale : une couverture de cuivre réduite à 50 % de sa surface maximale idéale (un plan de cuivre sans discontinuités) dégrade la dissipation thermique d'environ 3 %.
• Le vernis épargne sur les plans supérieur et inférieur améliore la dissipation thermique d'environ 4 à 5 % (la résistance thermique finale θja diminue d'autant). Le vernis épargne présente une meilleure dissipation thermique que le cuivre, bien que cela puisse paraître paradoxal.
Le placement des vias thermiques dans la zone en forme d'os de chien (sous le boîtier de la puce), ainsi que leur dimensionnement, améliorent considérablement la dissipation thermique et réduisent la température finale de θja. Le diamètre de via recommandé est de 12 à 13 mils (0,30 à 0,33 mm), ce qui peut réduire la température finale de θja de 15 à 25 %.

Un via traversant de 0,3 mm (12 mil) de diamètre et de parois en cuivre de 18 µm présente une résistance thermique de 261 °C/W. Il est recommandé d'en placer autant que possible (leur nombre est crucial) en formant un réseau espacé de 1 mm sur la pastille thermique exposée.

• Facteurs ayant peu d'influence sur l'ensemble total θja :
✔ Emplacement des vias dans la zone de connexion en forme d'os de chien.
✔ Emplacement des vias dans la zone environnante, en dehors de la zone de connexion en forme d'os de chien.
✔ Construction du boîtier du composant dans la zone de support.
✔ Matériaux des fils de connexion (internes à la puce).

Facteurs importants :
✔ La taille de la puce et de la surface de contact est importante ; plus elles sont grandes, mieux c’est.
✔ Le pourcentage de la surface du circuit imprimé recouvert de vernis épargne est également important : plus ce pourcentage est élevé, mieux c’est. La résistance totale θja n’est pas significativement affectée si la réduction par rapport à la valeur maximale possible (100 % de la surface du circuit imprimé recouverte de vernis épargne) est inférieure à 50 % (la dégradation de θja est inférieure à 5 %). Cependant, lorsque le taux de recouvrement descend en dessous de ce seuil, le comportement thermique se dégrade considérablement (jusqu’à 35 % si le taux de recouvrement du vernis épargne tombe à 5 %).

Compte tenu de toutes ces considérations, nous pourrions les résumer sous la forme d'un ensemble de recommandations pour une conception optimisée des circuits imprimés d'un point de vue thermique :

• Utilisez des surfaces de circuit imprimé (PCB) aussi grandes que possible avec les couches de cuivre les plus épaisses possibles (au moins quatre côtés, 76 mm x 76 mm, et des épaisseurs de 56 g/28 g/28 g/28 g).
• Utilisez des vias thermiques dans la zone de masse des composants à refroidir, en reliant les couches de masse supérieure, interne et inférieure.
• Placez les vias thermiques près du périmètre des pastilles exposées si le nombre maximal de vias ne peut être placé sur toute la surface.
• Créez un plan de masse aussi grand que le permet la topologie du PCB, en particulier près du boîtier à refroidir, sur les couches supérieure, inférieure et intermédiaire.
• Connectez le plan de masse à la pastille de masse inférieure des boîtiers de circuits intégrés « thermiques ».
• Connectez les broches appartenant à la même connexion sur chaque boîtier de puce, telles que la masse, l'alimentation (PVIN) et la sortie (POUT). Cela maximisera la surface de cuivre à proximité immédiate des boîtiers.
• Allongez autant que possible les pistes de connexion, car elles servent à conduire la chaleur vers l'extérieur des puces à refroidir.

Chaleur générée par les pistes du circuit imprimé

Pour caractériser l'échauffement d'un circuit imprimé dû au courant circulant dans ses pistes conductrices, la norme de référence la plus pertinente est la norme IPC-2152.
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configurations

À l'aide des graphiques fournis dans cette norme, l'élévation de température par rapport à la température ambiante est calculée, ce qui permet de déterminer la température finale du circuit. Cette valeur ne doit pas dépasser la température critique de transition vitreuse (Tg) du matériau du circuit imprimé.

Si la surface du circuit imprimé analysé ou conçu est supérieure à 3 x 3 pouces carrés (un carré de 76,2 mm de côté), on utilise le tableau « universel » de la norme comme point de départ. Si la surface du circuit imprimé est inférieure, on utilise le tableau « conservateur ».

Ces graphiques illustrent directement la section transversale d'une piste de cuivre pour un courant donné et une élévation de température prévue. Comme indiqué précédemment, ces graphiques sont générés dans des conditions de fonctionnement spécifiques. Par conséquent, des facteurs de correction doivent être appliqués pour adapter les résultats aux spécifications réelles de notre circuit :
• Une correction est appliquée pour tenir compte des différences d'épaisseur du cuivre (le graphique original a été obtenu pour des pistes de 3 oz d'épaisseur).
• Une correction supplémentaire est appliquée en fonction de la présence et de la surface des plans conducteurs à proximité de la piste, car ceux-ci contribuent significativement à la dissipation thermique. Le graphique original a été obtenu sans ces plans.
• Un autre ajustement doit également être appliqué en fonction de l'épaisseur totale finale du circuit imprimé.
Le graphique universel est obtenu pour une épaisseur totale de 70 mils (1,778 mm).
• Si le circuit imprimé est réalisé en FR-4 au lieu de polyimide, un facteur de correction supplémentaire doit également être appliqué.

Tous ces facteurs correctifs sont répertoriés dans la norme, et grâce à eux, nous pouvons ajuster la section transversale du conducteur qui produit l'augmentation de température attendue dans notre circuit imprimé.

Il convient de noter que les graphiques de la norme reposent sur l'hypothèse que les pistes analysées sont séparées par une distance supérieure à 25,4 mm (1 pouce), ce qui est souvent irréalisable en pratique. Si les pistes sont plus rapprochées, leur température augmente. Pour tenir compte de cet effet, il faut utiliser le courant total de toutes les pistes.

À titre d'exemple, nous résumons le processus de conception d'un élément chauffant réalisé concrètement sur les pistes internes d'un circuit imprimé à 6 couches. Les pistes assurant la fonction chauffante sont situées sur les couches L3 et L4, entourées respectivement par les plans de masse et d'alimentation sur les couches L2 et L5. Le circuit imprimé est réalisé en FR-4, avec une épaisseur de piste de 0,5 oz sur toutes les couches internes. La surface du circuit imprimé étant supérieure à 3 x 3 pouces, nous pouvons utiliser le tableau universel et appliquer les différents facteurs de correction.

L'épaisseur totale du circuit imprimé est de 1,55 mm (61 mils), les deux noyaux internes mesurant 0,55 mm (21,65 mils) d'épaisseur. Un espace de 0,108 mm les sépare (obtenu grâce à une couche de préimprégné 2116 de 4,28 mils d'épaisseur). La structure est détaillée dans la figure suivante.

Chaque piste constituant l'élément chauffant L3 et L4 présente un plan à environ 21,65 mils et un autre plan, situé du côté opposé et plus éloigné, à 25,94 mils (21,65 + 4,28). Ceci induit un double refroidissement pour chacune des couches de pistes radiantes de notre élément chauffant. En considérant ces deux effets séparément, nous appliquerons la norme IPC pour calculer l'effet individuel de chaque plan proche des pistes radiantes. Ensuite, par superposition, nous calculerons la résistance thermique totale équivalente « parallèle » des deux résistances thermiques. L'effet est identique pour les deux couches de pistes thermiques L3 et L4.

Pour commencer, nous voulons que l'élément chauffant augmente la température du circuit imprimé d'environ 15 °C, avec un courant disponible de 9 A conformément à sa conception.

En utilisant l'approche du circuit équivalent pour les résistances thermiques, présentée dans la section précédente, et puisque la chaleur générée se dissipe par deux chemins simultanés, l'effet produit par les deux plans correspond à la présence de deux résistances thermiques approximativement égales en parallèle. On sait que la résistance résultante de deux résistances connectées en parallèle est inférieure à la plus petite des deux, et que si elles sont égales, la résistance résultante est égale à la moitié de leur valeur. Appliqué à la dynamique de la température, cela signifie concrètement que le circuit imprimé refroidira environ deux fois plus vite que s'il ne comportait qu'un seul plan. Par conséquent, nous effectuerons nos calculs pour chaque plan individuel en considérant une élévation de température souhaitée de 30 °C, en supposant que la température finale sera approximativement égale à la moitié de cette élévation, soit 15 °C.

À partir de là, nous utilisons les tableaux standard IPC en supposant qu'il n'y a qu'un seul plan de refroidissement au lieu de deux, et nous supposerons, comme nous l'avons dit, une augmentation de température initiale de 30 °C.

Nous présentons ci-dessous un exemple d'itération effectuée lors des calculs.

En incluant les variables connues sans inclure aucune compensation, dans le tableau universel, nous obtenons la valeur initiale de la section transversale du cuivre (Ac) de 299,7 mil², ce qui est équivalent à une largeur de piste (W) de 76,8 mils pour des pistes de 3 oz d'épaisseur, comme prévu par le tableau universel.

Ac = 299,7 mil², W = 76,8 mil à 3 oz, augmentation de température de 30 °C

Nous intégrons désormais les facteurs de compensation suivants :
• Pistes de 1/2 oz au lieu de 3 oz : coefficient multiplicateur de 0,858 selon le tableau de compensation d’épaisseur du cuivre. Ac = 257,3 mils²
• Épaisseur totale du circuit de 61 mils au lieu de 70 mils : coefficient multiplicateur de 1,084 selon le tableau d’épaisseur. Ac = 279 mils²
• Plan de 1/2 oz à 21,65 mils des pistes : coefficient multiplicateur de 0,53 selon le tableau de proximité des plans. Ac = 147,5 mils²
• Plan servant de dissipateur thermique d’une surface supérieure à 3 x 3 po² : coefficient multiplicateur de 0,95. Ac = 140,4 mils²
• Utilisation de FR-4 au lieu de polyimide : coefficient multiplicateur de 1,02 selon le tableau des matériaux. Ac = 143,2 000², W = 209,11 000²

Nous avons ensuite répété l'opération pour notre dissipateur thermique suivant, situé à 25,94 mils des pistes chauffantes. La section transversale et la largeur de la piste obtenues sont les suivantes : Ac = 146,37 mils², W = 213,73 mils

Il nous faut maintenant effectuer plusieurs itérations jusqu'à obtenir la même surface dans les deux cas. Pour ce faire, nous modifions légèrement les
incréments de température considérés dans chaque cas jusqu'à obtenir la même largeur de piste. Dans notre cas, nous obtenons la valeur d'équilibre pour le résultat suivant :

Ac = 142,9 mil², W = 208,6 mil, valeurs obtenues pour les paramètres de départ :

• Augmentation de température de 31,36 °C pour un écartement des plans de 21,65 mils.
• Augmentation de température de 32,20 °C pour un écartement des plans de 25,94 mils.

Si l'on calcule l'augmentation de température finale produite par ces deux résistances thermiques en parallèle, on obtient un résultat de 15,88 °C, une valeur suffisamment proche de la valeur de conception initiale recherchée.

D'autre part, en reprenant les données initiales de notre exemple, nous avons supposé que notre radiateur fonctionnait avec un courant de chauffage de 9 A. En pratique, nous n'allons pas concevoir un circuit imprimé avec une seule piste de 14 g/cm d'épaisseur par pouce d'espacement et de 5,3 mm de largeur pour le passage de ce courant. Nous allons plutôt considérer l'effet cumulatif des pistes sur une surface de 2,54 cm, l'espacement établi par la norme IPC-2152 ayant servi à générer tous les tableaux utilisés lors de la conception.

La topologie de traçage du maillage a été utilisée pour prendre en compte l'effet de chauffage additif qu'ils produisent, en additionnant le courant de chacun d'eux par pouce de surface.

À cette fin, nous avons créé un maillage le long des deux couches internes comme indiqué sur la figure, en plaçant des pistes horizontales sur la couche L3 et des pistes verticales sur la couche L4.

Cette disposition permet d'obtenir la répartition des pistes illustrée dans les figures suivantes, avec un total de 16 pistes réparties sur une surface de
1 pouce de côté. En divisant ensuite la largeur totale des pistes par le nombre de pistes (16) qui contribuent au chauffage de la zone, on obtient une largeur par piste de 208,6/16 = 13,04 mils (0,33 mm).

Avec cette largeur de piste, une épaisseur de ½ oz et une longueur totale de 8,6 m, la résistance résultante est de 21,3 Ω, ce qui, lorsqu'elle est connectée à la sortie d'un régulateur de tension de 12 V, produit un courant de 0,562 A. En calculant le courant accumulé circulant dans notre espace latéral de 1 pouce, nous obtenons les 9 A que nous avons utilisés dans nos calculs initiaux.

La répartition de cette longueur totale de piste au sein du circuit imprimé est réalisée conformément à la séparation établie pour obtenir 16 pistes/pouce, et les résultats finaux du fonctionnement du système sont présentés dans les figures suivantes, obtenues à l'aide d'une caméra thermique.

Vue 3D du circuit imprimé

Détail des rails servant de chauffage

Image thermique à 25 °C

Image thermique à 31 °C

Image thermique à 35 °C

Image thermique à 40 °C

Conclusion

Une analyse des éléments à prendre en compte pour
prédire le comportement thermique d'un circuit imprimé a été réalisée, en mettant l'accent sur la norme IPC-2152, et en présentant un exemple d'utilisation de cette norme dans la conception d'un élément chauffant
intégré à un circuit imprimé, tirant parti du chauffage induit par le passage du courant électrique à travers ses pistes.

Nous espérons que ces lignes directrices de conception pourront servir de point de départ pour votre conception thermique, et dans tous les cas, chez NCAB, nous serons heureux de vous aider à répondre à toutes vos
questions techniques afin d'aborder en toute confiance la conception thermique de votre circuit imprimé.

Auteur : Par : Juan Luis Tébar García, Groupe NCAB http://www.ncabgroup.com/