L'objectif global de la gestion thermique, tant sur la carte nue que dans l'assemblage, est de conduire la chaleur des composants générateurs de chaleur vers un dissipateur thermique externe. Un meilleur échange thermique se traduit par un temps moyen entre les pannes (MTBF) plus court et, dans certains cas, constitue un facteur déterminant pour le respect des spécifications de conception d'un produit donné. Technologie MCPCB
Une solution simple pour gérer la chaleur consiste à remplacer le FR4, matériau standard des circuits imprimés multicouches, par des matériaux diélectriques à conductivité thermique différente, liés à un noyau métallique solide (MCPCB). Cette approche améliore considérablement les performances thermiques du circuit imprimé. Le principe du MCPCB repose sur une pré-imprégnation thermoconductrice entre les couches de cuivre conductrices, qui attire la chaleur vers le noyau métallique et l'éloigne des composants. La technologie MCPB peut être mise en œuvre sous forme de couche unique sur un substrat métallique ou sous forme de multicouche sur les faces supérieure et inférieure de ce substrat.
L'illustration ci-dessous représente une structure MCPCB à deux couches, montrant le transfert de chaleur du composant monté en surface vers le substrat métallique. Cette structure permet d'atteindre une conductivité thermique de 12 W/mK, mais cette solution n'offre actuellement pas d'amélioration significative. Pour obtenir une conductivité thermique supérieure, nous recommandons une autre technologie, comme l'utilisation d'un composant en cuivre.
Les circuits imprimés à base de cuivre, une technologie en pleine expansion
Dans cet article, nous allons explorer la technologie des composants de circuits imprimés en cuivre. Les échanges thermiques sont plus rapides avec des matériaux à haute conductivité thermique. Le cuivre est un excellent conducteur, offrant une conductivité de 400 W/mK et plus, tout comme d'autres matériaux tels que le diamant, qui peut être jusqu'à cinq fois plus conducteur. Mais
qui voudrait utiliser du diamant dans ses circuits imprimés ? Le cuivre est l'un des meilleurs matériaux pour gérer la chaleur tout en conservant une conductivité électrique et thermique optimale.
Ce que l'on appelle une « pièce de cuivre » pour circuit imprimé est simplement une pièce de cuivre généralement placée sous les composants nécessitant un refroidissement. Cette pièce de cuivre peut fournir une capacité de refroidissement deux fois supérieure à celle d'un réseau de vias. De plus, au lieu d'utiliser des matériaux thermoconducteurs, la pièce de cuivre assure un contact direct entre le support du composant générant de la chaleur et le dissipateur thermique. La conductivité thermique du cuivre est, en moyenne, 30 à 200 fois supérieure à celle de n'importe quel diélectrique pré-imprégné disponible.
La technologie des dissipateurs thermiques en cuivre est idéale lorsque la majeure partie de la chaleur est générée par un petit nombre de composants du circuit imprimé. Le dissipateur en cuivre offre la meilleure solution pour la dissipation thermique localisée sur un circuit imprimé, indépendamment du nombre de couches ou du matériau utilisé. Ce concept consiste à insérer à force un dissipateur en cuivre dans un logement prédécoupé sur la carte, directement sous un point chaud identifié. La chaleur est ainsi transférée directement au dissipateur à travers l'empilement de couches du circuit imprimé. Ce procédé contourne l'empilement de couches qui constituait traditionnellement un obstacle à la dissipation thermique.
La pièce en cuivre est intégrée au circuit imprimé et peut prendre diverses formes et configurations. La configuration choisie par l'ingénieur tiendra compte du compromis entre le routage, les exigences du plan d'alimentation et la proximité de la pièce en cuivre avec le composant à refroidir.
Les figures 1 et 2 montrent une pièce en cuivre massif s'étendant sur les couches 1 à 4, servant de support et assurant un échange thermique optimal pour un composant chaud.
Dans d'autres cas, si la taille du support est insuffisante et qu'il faut tenir compte du routage sous un support chauffant, la pièce de cuivre peut être insérée uniquement jusqu'à une couche spécifique et non
à travers toute la surface du circuit imprimé. Les figures 3 et 4 illustrent la mise en œuvre d'une pièce de cuivre située entre les couches L4 et L2, sans contact avec la couche L1.
Pièce de monnaie en cuivre
La figure 5 présente une pièce en cuivre en forme de T. Cette forme illustre comment exploiter les excellentes propriétés du cuivre lorsque le support générateur de chaleur ou le dissipateur thermique présente des surfaces différentes (par exemple, un petit support et un grand dissipateur, ou inversement).
Elle s'avère également utile lorsque les dimensions minimales de la
pièce en cuivre sont limitées. L'utilisation d'une pièce en forme de T permet de respecter les dimensions minimales requises tout en assurant le contact avec un support plus petit. Les pièces en forme de T offrent un excellent compromis entre performance et encombrement grâce à leur forme qui permet une grande flexibilité d'aménagement.
Bien que cette technologie soit relativement récente, nous avons constaté des résultats très satisfaisants lorsque le circuit imprimé est conçu de manière optimale. Chaque élément étranger supplémentaire complexifie considérablement le processus de fabrication, notamment en termes de précision et de tolérances. La partie en cuivre représente une solution d'échange thermique optimale, applicable directement sur la carte, sans composants supplémentaires. Que vous travailliez sur la conception d'un MCPCB ou d'une partie en cuivre, nous vous recommandons de collaborer étroitement avec votre fournisseur de circuits imprimés, en particulier pour les technologies de pointe.
Article fourni par NCAB Group Iberia
