INFOCUS:

A topic from NCAB Group about integrated PCB Production

No 1 2021

La gestion thermique des systèmes électroniques joue un rôle de plus en plus important

MORE ARTICLES ON THIS TOPIC:

Le besoin de solutions spéciales pour gérer l’excès de chaleur dans les produits électroniques ne cesse de croître. La rapidité des évolutions technologiques a accru les exigences, notamment en ce qui concerne les circuits imprimés. Dans ce numéro, les experts de NCAB décrivent les progrès dans ce domaine et les méthodes disponibles pour la gestion thermique.

Dans les systèmes électroniques d’aujourd’hui, plus particulièrement dans les applications de puissance, nous devons toujours prêter attention à deux principaux aspects : l’efficacité et la gestion thermique. L’efficacité détermine la part de l’énergie qui est réellement transférée sans perte. La gestion thermique vise à assurer le bon fonctionnement des dispositifs du système tout en maintenant une température acceptable. Fondamentalement, la gestion thermique fait référence aux méthodes utilisées pour transférer l’excès de chaleur d’un emplacement à un autre. Auparavant, on obtenait ce résultat en insérant un dissipateur thermique externe sur un composant particulier qui générait une chaleur excessive. Mais comment faire lorsque c’était le PCB lui-même qui générait la chaleur ? Ou que se passait-t-il si la partie supérieure du composant ne permettait pas mécaniquement d’y accueillir un dissipateur thermique ?

Un courant qui n’est pas conduit correctement se transforme inévitablement en énergie thermique.
Cette énergie thermique doit être évacuée, afin d’éviter une augmentation de la température des dispositifs. Une évacuation de chaleur insuffisante peut endommager les composants ou, pour le moins, réduire leur durée de vie.

En ce qui concerne les dispositifs électroniques et les circuits imprimés, l’objectif est d’éloigner l’excès de chaleur du composant en le dissipant à l’intérieur du PCB ou de part et d’autre de celui-ci. Pour ce faire, nous combinons cette action avec des solutions actives telles que la ventilation, par un dissipateur externe ou un refroidissement liquide.

« Il faut faire preuve de créativité et trouver de nouvelles approches pour dissiper ou rediriger l’excès de chaleur. »

Jeffrey Beauchamp
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

L’innovation accroît le besoin de gestion thermique

Ces dernières années, nous avons constaté une hausse constante des besoins en solutions de gestion thermique dans les systèmes électroniques. Jeffrey Beauchamp, Technical Manager chez NCAB États-Unis et Mario Cianfriglia, Field Application Engineer chez NCAB Italie, expliquent comment ce besoin a été stimulé par les innovations techniques de l’industrie.

« Actuellement, l’une des tendances les plus marquantes de la fabrication électronique concerne la miniaturisation, avec des produits et des composants de plus en plus petits, et des PCB plus compacts. Cela rend de plus en plus difficile l’application de solutions traditionnelles telles que les dissipateurs thermiques car elles prennent trop de place. Il faut donc faire preuve de créativité et trouver de nouvelles approches pour dissiper ou rediriger l’excès de chaleur, » explique Jeffrey Beauchamp.

Autre nouveau facteur auquel sont confrontés les concepteurs : la gestion des températures plus élevées générées par les nouveaux composants qui exercent plus de fonctions et calculent à des vitesses plus élevées, car plus la vitesse de calcul est élevée, plus les composants chauffent.

« Essentiellement, les circuits imprimés doivent être miniaturisés pour permettre des composants électroniques toujours plus petits, dans lesquels les interconnexions ont évolué en ce qui concerne la densité. Cela permet d’accueillir la dernière génération de composants BGA dont le pas est de 0,4 mm voire moins, qui gèrent les signaux numériques et de puissance », explique Mario Cianfriglia.

« Essentiellement, les circuits imprimés doivent être miniaturisés, pour permettre l’utilisation de composants électroniques toujours plus petits. »

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

Le défi de la gestion thermique des applications

Mario Cianfriglia souligne également que les concepteurs doivent faire face à de nouveaux défis car l’électronique est intégrée dans un nombre sans cesse croissant d’applications.

« Dans certains cas, la gestion de la chaleur peut être extrêmement exigeante par exemple dans le secteur de l’énergie, dans les applications industrielles ou dans l’industrie automobile, plus particulièrement dans le domaine des véhicules électriques. Il en va de même pour des applications plus complexes, comme dans les télécommunications ou les systèmes radar », affirme-t-il. Avec le déploiement en cours de la 5G, la cinquième génération des communications mobiles, les articles électroniques vont intégrer un nombre croissant de composants fonctionnant à des vitesses encore supérieures et générant davantage de chaleur excessive. Parallèlement, il sera vital de garantir l’intégrité du signal dans les applications 5G.

« Les circuits imprimés sont actuellement capables de traiter des signaux de 3 à 5 GHz, mais lorsque la 5G sera pleinement fonctionnelle, ils devront traiter des signaux d’environ 25 GHz, voire au-delà. »

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

« C’est la frontière technologique ultime où l’intégrité du signal est essentielle. Les PCB sont actuellement capables de traiter des signaux de 3 à 5 GHz mais lorsque la 5G sera pleinement fonctionnelle, ils devront traiter des signaux d’environ 25 GHz, voire au-delà. Pour assurer l’intégrité du signal quelles que soient les conditions de fonctionnement, il est très important de disposer d’une gestion thermique adéquate. Les circuits imprimés intégrant des signaux à haute fréquence doivent être conçus avec un stack-up approprié, des matières premières spéciales, un design des pistes et des plans de masse spécifiques», explique Mario Cianfriglia.

« Nous commençons seulement à voir une hausse de la demande de gestion thermique et je pense que cette demande va continuer à progresser. Nous espérons qu’elle s’accompagnera de nouvelles mesures plus avancées pour gérer les problèmes de chaleur », affirme Jeffrey Beauchamp.

Quelquefois, la gestion thermique peut être extrêmement exigeante. C’est le cas, par exemple, dans le secteur de l’énergie, des applications industrielles ou de l’industrie automobile, notamment lorsqu’il s’agit de véhicules électriques, précise Mario Cianfriglia.

Les programmes d’analyse permettent de prévenir les problèmes

Dans le développement de produits, différentes techniques sont utilisées pour identifier les possibles problèmes liés à la chaleur. Des logiciels spéciaux ont été développés pour les analyses préventives. Il est important que tout soit correctement dimensionné dans les PCB dès le stade de la conception. Il faut déjà connaître les exigences des composants la largeur et l’isolement des pistes en fonction de ce qu’ils devront supporter, en termes de vitesse de signal et de puissance, et choisir l’épaisseur de cuivre et la matière de base appropriées.

Il existe également des outils d’analyse thermique. De nombreux logiciels permettent d’effectuer une étude préventive où tout peut être dimensionné au stade de la conception. Il est nécessaire de connaître les besoins des composants, de dimensionner les pistes et les isolements en fonction de ce qu’ils doivent supporter en termes de rapidité des signaux et de puissance, mais également de choisir la bonne épaisseur de cuivre et la matière première stratifiée.

Une inspection visuelle pour détecter des signes visibles de dommages a du sens sur des circuits imprimés simples, dédiés uniquement à l’alimentation. L’excès de chaleur entraîne avec le temps une détérioration du stratifié de base et conduit à la carbonisation des résines. Ainsi on peut constater dès la première étape un brunissement de la zone où se développe l’énergie thermique. Il est possible de simuler le fonctionnement de l’objet PCBA et de vérifier à l’aide de caméras infrarouges les emplacements où la température dépasse ce qui est autorisé. Mais à cette étape, nous avons déjà atteint un point de non-retour, où le projet est déjà défini. Il s’agit là uniquement d’une condition permettant d’identifier une anomalie. Nous suggérons d’être toujours impliqués dans la première phase du projet, lorsque votre fournisseur de PCB peut faire des propositions et mettre le concepteur en position de faire un excellent travail, » affirme Mario Cianfriglia

Facteurs qui stimulent le besoin de gestion de la chaleur

  • Miniaturisation, les composants étant plus petits et plus nombreux sur des PCB plus compacts
  • Électronique intégrée dans un nombre croissant d’applications
  • Composants de plus en plus rapides qui génèrent donc plus de chaleur
  • Nouvelles technologies entraînant une hausse des fréquences de signaux et de la puissance admissible, ce qui génère davantage de chaleur
  • Importance supérieure de l’intégrité des signaux avec la 5G, ce qui accroît la sensibilité à la gestion de la chaleur

Faire appel à des spécialistes à un stade précoce

« Les concepteurs « pointus » effectuent des simulations thermiques avant de construire les cartes et ils pressentent ce qu’ils vont constater. Mais parce que beaucoup d’entreprises n’ont pas les capacités suffisantes pour effectuer des calculs thermiques complexes ou pour utiliser les logiciels requis, elles se contentent d’appliquer les meilleures pratiques et ne posent des questions que lorsqu’un problème apparaît. Parfois, elles font appel à nous après avoir effectué des tests et détecté des problèmes liés à la chaleur », explique Jeffrey Beauchamp.

Les conceptions haute puissance ont souvent une demande de gestion thermique. Nous vous recommandons de concevoir la carte conformément à nos directives de conception pour garantir la fabricabilité. Nos règles de design pour les cartes multicouches, HDI, flex / flex-rigides et semi-flex sont disponibles en téléchargement ici.

Il recommande plutôt aux entreprises de s’adresser à des spécialistes tels que NCAB dès les premières étapes du processus de conception.

« Choisir la bonne alternative dès le départ permet de gagner beaucoup de temps, d’éviter les problèmes et d’économiser de l’argent. »

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

« Nous pouvons alors être à même de suggérer un empilement alternatif ou une autre matière afin d’éviter tout problème simplement et rapidement, » affirme-t-il, et de poursuivre : « Parfois, cela peut ne pas suffire et nous devons alors proposer une solution plus complexe. Mais il est toujours préférable de nous impliquer à un stade précoce car reconstruire une carte et la retester peut être à la fois long et coûteux. Chez NCAB, nous insistons toujours pour bien faire les choses dès le départ et ce principe est encore plus important lorsqu’il s’agit de gestion de chaleur car ces types de cartes sont plus coûteux à fabriquer. Choisir la bonne alternative dès le départ permet de gagner beaucoup de temps, d’éviter les problèmes et d’économiser de l’argent. »

Comment gérer l’excès de chaleur au niveau de la carte nue ?

Il existe plusieurs façons de gérer l’excès de chaleur au niveau de la carte nue. Nous avons posé un certain nombre de questions à ce sujet à Jeffrey Beauchamp et Mario Cianfriglia.

Quand doit-on envisager des solutions spéciales pour la gestion thermique au niveau de la carte nue et pas seulement au niveau de l’assemblage ?

Jeffrey Beauchamp (JB): « Au moment de l’assemblage, la chaleur qui en est extraite est évacuée dans l’atmosphère à l’aide de caloducs ou de dissipateurs thermiques, avec un système de refroidissement par ventilation ou liquide. Si cela ne résout pas le problème de chaleur, il convient de chercher des solutions au niveau de la carte nue. Le niveau de l’assemblage et celui de la carte nue vont de pair. En effet, au moment de l’assemblage, la chaleur est dissipée dans l’air ambiant alors qu’au niveau de la carte nue, elle traverse la carte via la face supérieure pour être dissipée par le système de refroidissement. »

L’image montre un dissipateur thermique utilisé en tant que solution de refroidissement passif externe. En raison de la tendance à la miniaturisation dans la fabrication électronique, avec des produits et des composants de plus en plus petits ainsi que des circuits imprimés plus compacts, il est plus difficile d’appliquer ces types de solutions de refroidissement traditionnelles.

Comment gérer l’excès de chaleur au niveau de la carte nue ?

Mario Cianfriglia (MC): « Dans un projet bien géré, on doit prendre en compte dès la phase de conception la manière dont les composants doivent être placés sur la carte et le dimensionnement des pistes. Il est également important de s’assurer que l’épaisseur du cuivre est suffisante pour éviter l’accumulation de chaleur au-delà des niveaux de tolérance définis. Les concepteurs doivent effectuer le suivi de toutes les données relatives aux composants de l’assemblage et aux matériaux de base utilisés. Ils doivent également connaître la température à laquelle le circuit imprimé devra fonctionner afin d’identifier la matière la plus appropriée en termes de Tg, la température de transition vitreuse, et de Td, la température de décomposition. Le PCB ne doit jamais s’approcher des températures auxquelles les matériaux pourraient se décomposer et entraîner une panne prématurée du circuit. »

JB: « Au niveau de la carte, il existe plusieurs méthodes pour déplacer l’excès de chaleur. Le plus simple est de coller le PCB à une plaque d’aluminium. En combinaison avec un matériau composite préimprégné thermique, on obtient une gestion thermique très élémentaire. L’étape suivante consisterait à inclure une base métallique isolée, appelée SMI, souvent présente dans l’éclairage industriel. Cette méthode est généralement utilisée dans les cartes simple face. Une plaque de base en métal, en général en aluminium, est ici recouverte d’une fine couche de préimprégné ou de résine, puis d’un feuillard de cuivre. Le SMI peut également être utilisé dans les cartes se composant de deux à quatre couches, bien que cela soit plus complexe en termes de conception. Certains systèmes d’éclairage automobiles de haute technologie sont fabriqués à l’aide de SMI à couche unique en métal flexible et conformé. »

« Le PCB ne doit jamais s’approcher des températures auxquelles les matériaux pourraient se décomposer et entraîner une panne prématurée du circuit. »

Mario Cianfriglia
Field Application Engineer, NCAB Group Italy

MC: « L’étape de gestion thermique suivante, au-delà du SMI, est le regroupement de vias. Nous entrons ici dans un domaine beaucoup plus complexe, notamment en raison des processus impliqués dans la production de ces objets. Toutes les technologies possibles entrent en jeu pour rendre les vias plus thermoconducteurs : du cuivre très épais est déposé sur la paroi des trous, avec un remplissage de résine conductrice et enfin une métallisation est effectuée en surface. Tout cela génère une couverture de vias capable de transporter de grandes quantités d’énergie thermique. Ici, le concepteur doit garder à l’esprit tous les paramètres opérationnels de l’objet et il faut comprendre où placer certains composants. »

JB:« Après le diamant, le cuivre est le deuxième matériau le plus thermoconducteur. On peut donc dire sans risquer de se tromper qu’il est optimal pour déplacer la chaleur. Avec le regroupement de vias, nous créons pour ainsi dire plus de voies pour évacuer la chaleur. »

Abonnez-vous à notre newsletter

Inscrivez-vous à notre newsletter InFocus pour recevoir des informations sur le monde du circuit imprimé. Celle-ci est envoyée trois fois par an.

MC: « Enfin, une méthode connue sous le nom de copper coin est la solution la plus avancée pour la gestion thermique. Il s’agit d’éléments en cuivre présentant des dimensions et des géométries prédéfinies, cylindriques ou cubiques et de hauteur variable. Ils sont souvent en forme de T pour transférer le plus de chaleur possible vers la face bottom de la carte. Cette technologie est utilisée pour refroidir les composants actifs tels que les QFD (Quad-edged Flat Package). Pour refroidir au maximum le composant, une pièce de cuivre est placée sous celui-ci selon une technique qui peut varier. Ces éléments peuvent être fixés à la surface ou dans des cavités, intégrés à l’intérieur du PCB pendant le processus de pressage multicouche ou ajustés à la presse. »

JB: : « La pièce de cuivre est une solution à envisager lorsque les autres n’ont pas fonctionné. Nous recevons parfois des questions sur cette technologie de la part de clients qui ont eu des problèmes de gestion thermique lors du test de cartes. Souvent, ils n’ont pas pris conscience de la difficulté et des coûts liés à l’introduction ce type de solution dans une construction existante. Il peut sembler facile d’insérer un morceau de cuivre pour permettre à la chaleur de se dissiper, mais les modifications structurelles requises peuvent être extrêmes. Il existe souvent des solutions plus simples. On n’a pas besoin d’un bazooka pour tuer un moustique. »

« Le copper coin est une solution à envisager lorsque les autres n’ont pas fonctionné. »

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Quels sont les avantages et les inconvénients des différentes méthodes de gestion thermique ?

MC: « En fin de compte, c’est l’application qui décide de la solution à choisir pour gérer les problèmes thermiques.  C’est probablement le coût qui dans la plupart des cas dicte le choix, coût qui est lui-même lié au niveau de complexité de la technologie en question. »

JB: « L’avantage de la pièce de cuivre, c’est que l’on obtient une excellente conductivité thermique. Le composant est fixé directement au cuivre et au dissipateur thermique. Mais comme je l’ai déjà dit, elle présente des inconvénients majeurs de par ses coûts élevés et sa complexité. Cette méthode impose des exigences élevées sur la conception et il n’y a que peu d’usines capables de produire de telles cartes.

« À l’inverse, l’avantage du regroupement de vias est qu’il est réalisable dans une majorité d’usines ; il s’agit simplement de percer des vias. Le coût de fabrication est donc relativement bas, cette technique n’impliquant pas d’énormes interventions dans la construction. On ajoute des vias, ce qui limite l’espace et l’emplacement pour de possibles routages sur la surface disponible, mais cela reste une solution plus facile à fabriquer que le copper coin. Un inconvénient du regroupement de vias est que l’on doit utiliser plus de cuivre lors de la métallisation, ce qui a un impact significatif sur le coût, compte tenu des prix actuels. En guise d’alternative, on peut employer des résines époxy conductrices thermiquement, mais cette solution est également assez coûteuse et ne présente pas une conductivité équivalente.

« Un inconvénient potentiel majeur est présent dans les deux solutions : elles offrent un tel transfert thermique que l’assemblage peut s’avérer difficile. Nous recommandons toujours à un concepteur de PCB de contacter également son fabricant ou la société qui effectue l’assemblage.

L’avantage du SMI est qu’il est simple, efficace et qu’il présente une faisabilité correcte. L’inconvénient est qu’il limite considérablement le nombre possible de couches. Les SMI simple face sont très courants. Les SMI à deux couches le sont moins car les styles de conception sont quelque peu limités. Les SMI à trois couche sont très rares. NCAB peut prendre en charge des SMI jusqu’à quatre couches, mais cela n’est pas facile. Ce concept reste moins cher qu’un PCB avec copper coin, mais il impose des exigences très spécifiques en matière d’empilement, de couches d’interconnexion, etc. »

« Nous pouvons prendre en charge tout l’éventail de la gestion thermique, du SMI et du regroupement de vias au copper coin, et ce quasiment partout où nous sommes présents géographiquement. »

Jeffrey Beauchamp,
Technical/Engineering Manager, NCAB Group USA

Que peut offrir NCAB dans ce domaine ?

MC: « Nous pouvons aider nos clients dans toutes les technologies où de nombreux paramètres doivent être pris en compte. De par notre grande expérience en matière de conception, nous pouvons recommander les choix les plus appropriés pour une application spécifique. Nous disposons également des usines qui peuvent fabriquer ces produits. Plus nous sommes impliqués tôt dans un projet, meilleures sont les conditions pour aider les clients à trouver la solution la plus adaptée. »

JB: « Nous pouvons prendre en charge tout l’éventail de la gestion thermique, du SMI et du regroupement de vias, au copper coin, et ce quasiment partout où nous sommes présents géographiquement. Nous pouvons fournir une aide dans tous les domaines, du prototypage à la production en série. La gestion de la chaleur est un domaine où les clients peuvent tirer un grand profit de notre expertise, notamment si l’on considère la demande croissante de solutions spéciales. Je doute que d’autres entreprises aient une expertise aussi approfondie que nous, qui travaillons tous les jours sur ces questions. »


Les trois principales méthodes pour gérer la chaleur dans les circuits imprimés

  • Le SMI (Support Métallique Isolé) où le PCB est constitué d’une plaque de métal, généralement en aluminium, présentant un feuillard de cuivre liée à un préimprégné ou à une résine spéciale conduisant la chaleur.
  • Le regroupement de vias qui utilise plus de trous, et où pour dissiper la chaleur on augmente la quantité de cuivre ou on emploie une résine époxy thermiquement conductrice.
  • Le copper coin où des éléments de cuivre supplémentaires sont liés à des composants spécifiques pour évacuer directement la chaleur.