1. Agrandissement de la zone de cuivre et coulée de cuivre sur une grande surface
Principe fondamental: Le cuivre a une conductivité thermique d'environ 401 W/(m·K), des milliers de fois supérieure à celle du substrat FR‑4 (~0,3 W/(m·K)). L'expansion de la zone de feuille de cuivre autour des composants générateurs de chaleur crée une section transversale plus grande pour la propagation de la chaleur et réduit efficacement la résistance thermique de la jonction à la température ambiante.
Points clés de l'ingénierie:
Les broches d'alimentation et de terre des circuits intégrés à forte intensité thermique doivent être connectées directement aux grands plans de cuivre ; évitez les traces étroites qui limitent le flux de chaleur.
Versez du cuivre sur les couches supérieure et inférieure et couplez-les thermiquement via des vias pour obtenir un doublement équivalent de l'épaisseur de cuivre.
Une coulée de cuivre plus importante n’apporte pas toujours des avantages proportionnels. Le gain thermique diminue au-delà de 3 à 5 fois la taille de la puce. Équilibrez les performances thermiques par rapport aux EMI et à l’intégrité du signal.
Pour les appareils BGA/QFN dotés de coussinets thermiques inférieurs, maintenez le cuivre continu sans segmentation directement sous la puce.
2. Réseau de vias thermiques
Principe fondamental: Lorsque le tampon thermique d'un composant se trouve sur la couche supérieure alors qu'une dissipation thermique importante se produit sur les couches inférieures ou internes, la résistance thermique verticale est dominée par le diélectrique FR-4. Les vias thermiques forment des canaux en cuivre à travers les couches de PCB, transférant rapidement la chaleur des plots supérieurs vers la couche inférieure en cuivre ou les dissipateurs thermiques. Ils représentent l’un des moyens les plus efficaces pour réduire la résistance thermique verticale.
Points clés de l'ingénierie:
La quantité compte plus que le diamètre d’un seul via. Plusieurs petits vias surpassent un grand via. Mise en œuvre typique : vias de 0,3 à 0,5 mm de diamètre disposés en réseaux avec un pas de 1,0 à 1,5 mm sous les coussinets thermiques.
Empêche la soudure de s'évacuer : les vias atterrissant directement sur les plots peuvent entraîner la soudure. Pour la production de masse, adoptez le VIPPO (Via‑in‑Pad Plaqué‑Over) avec remplissage via et bouchage en cuivre.
Associez des vias thermiques à des plans de masse ou d'alimentation de couche interne solide pour créer une structure de dissipation thermique 3D combinant des vias et des plans.
Pour les appareils d'une consommation électrique supérieure à 5 W, utilisez au moins 9 vias thermiques et validez les résultats via une simulation thermique.
3. Coussin thermique et tampon exposé (EPAD)
Principe fondamental: Les boîtiers tels que QFN, DFN et SOIC‑EP comportent un plot de puce métallique exposé en bas, directement lié à la puce. Un plot de cuivre correspondant conçu sur le PCB permet à la chaleur de s'échapper de l'arrière de la puce plutôt que uniquement par les câbles des composants.
Points clés de l'ingénierie:
Les dimensions du PCB EPAD doivent suivre les recommandations de la fiche technique, généralement légèrement plus grandes (marge de 0,1 à 0,25 mm de chaque côté) que la plage exposée du boîtier.
Acheminer l'EPAD vers les grands plans de cuivre inférieurs ou internes à travers des réseaux thermiques ; Le cuivre de la couche supérieure offre à lui seul une capacité de refroidissement limitée.
Concevez un pochoir avec plusieurs petites ouvertures (au lieu d'une grande ouverture solide) sur l'EPAD pour contrôler le volume de pâte à souder et empêcher les composants de flotter ou de se ponter.
L'EPAD bien mis en œuvre peut atteindre une résistance thermique aussi faible que 1 à 2 degrés/W, offrant ainsi un rapport coût-performance élevé pour la conception thermique.
4. PCB à noyau métallique (MCPCB / PCB à base d'aluminium)
Principe fondamental: Les substrats standard FR‑4 ont une mauvaise conductivité thermique. Le MCPCB utilise de l'aluminium ou du cuivre comme noyau avec une fine couche diélectrique thermoconductrice (50 à 100 μm). Sa conductivité thermique globale atteint 1 à 8 W/(m·K), plusieurs fois supérieure à celle du FR-4. Transferts de chaleur des plots des composants à travers la couche diélectrique jusqu'au noyau métallique puis au boîtier.
Points clés de l'ingénierie:
Applications typiques : éclairage LED haute puissance, électronique automobile, modules de puissance. Le contrôle de la température de jonction des LED repose largement sur des PCB à base d'aluminium.
La couche diélectrique constitue le principal goulot d’étranglement thermique. Donnez la priorité à la conductivité thermique diélectrique plutôt que de vous concentrer uniquement sur les matériaux métalliques de base lors de la sélection des composants.
Coût plus élevé que FR‑4. Un traitement complexe est requis en raison du noyau métallique conducteur ; Le MCPCB multicouche est techniquement difficile.
Alternative : pièce de monnaie en cuivre partielle / incrustation de cuivre intégrée à l'intérieur des cartes FR‑4 pour un coût et des performances thermiques équilibrés.
5. Dissipateurs de chaleur externes et matériaux d'interface thermique (TIM)
Principe fondamental: Lorsque la dissipation thermique intrinsèque du PCB atteint ses limites, la chaleur doit être conduite vers des dissipateurs thermiques externes plus grands. Les composants générateurs de chaleur ou le cuivre du PCB à l'arrière entrent en contact avec les dissipateurs thermiques via les TIM, remplissant les espaces microscopiques et déplaçant l'air (conductivité thermique de l'air ~0,026 W/(m·K), un mauvais conducteur thermique).
| Taper | Conductivité thermique | Épaisseur | Scénarios d'application |
|---|---|---|---|
| Graisse thermique | 2‑8 W/(m·K) | Très mince (<0.1 mm) | IGBT, processeur ; applications permettant le remontage à pression contrôlée |
| Coussin d'écart thermique | 1‑6 W/(m·K) | 0,5 à 5 mm | Compensation de différence de hauteur, isolation électrique, absorption des chocs |
| Adhésif thermique à deux composants | 1‑3 W/(m·K) | En fonction de l'application | Scénarios nécessitant à la fois un contact thermique et une liaison mécanique |
| Matériau à changement de phase | 3‑6 W/(m·K) | 0,1 à 0,25 mm | Fond à haute température pour combler les espaces, bonne fiabilité à long terme |
6. Optimisation de la disposition des composants et conception des conduits d'air
Principe fondamental: Les cinq méthodes précédentes se concentrent sur la conduction thermique. En fin de compte, la chaleur doit se dissiper vers l’ambiante par convection et rayonnement. Une disposition et une conception appropriées du flux d'air peuvent réduire considérablement la résistance thermique du système sans coût de nomenclature supplémentaire.
Résumé : Pensée systématique pour la conception thermique
La conception thermique des PCB ne consiste pas simplement à empiler des astuces individuelles, mais à optimiser systématiquement toute la chaîne de résistance thermique :
Jonction de puce → Emballage → Plaque de soudure → Cuivre PCB → Vias / Noyau métallique → Dissipateur thermique → Environnement ambiant
La résistance thermique de chaque segment nécessite une évaluation quantitative. Flux de travail recommandé :
Estimez la consommation électrique et la température de jonction maximale autorisée pour chaque dispositif générateur de chaleur.
Calculez la résistance thermique totale admissible : θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
Allouez un budget de résistance thermique pour le boîtier, le PCB et le dissipateur thermique et identifiez les goulots d'étranglement.
Combinez les méthodes mentionnées ci-dessus. L'EPAD plus les vias thermiques et la grande couche inférieure de cuivre offrent la base de référence la plus rentable. Ajoutez des dissipateurs thermiques ou des cartes à noyau métallique pour les scénarios haute puissance.
Validez par simulation thermique (FloTHERM, ANSYS Icepak etc.) et calibrez avec des mesures d'imagerie thermique infrarouge.
