Analyse thermique des circuits imprimés: le guide complet

Les propriétés physiques du substrat de votre circuit imprimé et des conducteurs en cuivre sont les principaux facteurs déterminant la température du circuit imprimé en fonctionnement. Les techniques d'analyse thermique des circuits imprimés visent à prédire où, quand et à quelle température la carte chauffera en utilisation régulière. Cette partie importante de l'analyse vise à garantir la fiabilité des composants et de la carte, et peut influencer de nombreuses décisions de conception.

En utilisant le meilleur logiciel de conception de circuits imprimés, vous pouvez facilement concevoir une carte à haute fiabilité et à faible température de fonctionnement. Altium Designer dispose des meilleurs outils de conception de circuits imprimés ainsi que d'une bibliothèque de matériaux pour garantir la fiabilité. Altium Designer vous offre tout ce dont vous avez besoin pour mettre en place les bonnes pratiques de gestion thermique dans le routage de votre circuit imprimé et votre empilage.

Cet article vous explique comment mieux comprendre l'analyse thermique de votre circuit imprimé pour concevoir ce dernier de manière à améliorer sa fiabilité.

Altium Designer

Un package de conception de circuits imprimés unifié intègre des fonctionnalités de routage avancées avec une bibliothèque complète de matériaux de substrats et des fonctionnalités de planification de la production.

Les matériaux de votre circuit imprimé et de vos composants détermineront les mouvements de chaleur sur la carte en fonctionnement. Malheureusement, les matériaux de substrat des PCB sont des isolants qui empêchent de dissiper la chaleur émise au niveau des composants chauds. Si les conducteurs en cuivre et les couches planes peuvent aider, certains choix de conception simples ont une influence directe sur la température d'équilibre de votre carte pendant son fonctionnement.

Ces décisions de conception concernent trois domaines:

• Conception de l'empilage des cartes du circuit imprimé
• Sélection des matériaux du substrat
• Sélection et le routage des composants

En plus des ventilateurs électriques et des radiateurs, d'autres options de conception simples peuvent vous aider à garantir un fonctionnement de votre carte à basse température et à éviter des défaillances précoces.

Avec les bons outils de conception, il est facile de mettre en œuvre les meilleures pratiques en matière de gestion thermique.

Utiliser l'analyse thermique pour concevoir la carte du circuit imprimé

L'analyse thermique d'une conception de circuits imprimés vise à déterminer si des mesures de refroidissement telles que l'ajout de ventilateurs, de radiateurs, de cuivre supplémentaire ou de vias thermiques sont nécessaires pour maintenir la température dans les limites. Le concepteur doit sélectionner la température maximale acceptable pour les composants de sa carte, puis examiner l'évolution de la température du composant en fonction de la puissance qu'il dissipe. Si la température du composant dépasse la limite de température acceptable, des mesures de refroidissement supplémentaires tels que des ventilateurs ou des radiateurs peuvent être nécessaires.

Pour commencer, il faut examiner l'impédance thermique d'un composant, que l'on trouve normalement dans la fiche technique des circuits intégrés. Elle varie entre environ 20 °C/W pour des amplificateurs ou les circuits intégrés de faible puissance et 200 °C/W pour des microprocesseurs puissants. Pour déterminer la température de fonctionnement, il suffit de multiplier la consommation électrique du composant par son impédance thermique.

Vous trouverez ci-dessous un exemple avec un MOSFET dans un package SOT.

Température d'un composant, définie en fonction de son impédance thermique.

Si la température du composant est trop élevée, le concepteur peut prendre certaines mesures pour dissiper la chaleur du composant afin de réduire son impédance thermique dans le routage du circuit imprimé :

• Ajouter des vias thermiques avec un remplissage en polygone mis à la terre sous le composant
• Utiliser un matériau de substrat de Circuit Imprimé avec une conductivité thermique plus élevée
• Ajouter un radiateur au composant
• Inclure davantage de cuivre sous le composant, comme par exemple une couche de plan
• Utiliser un ventilateur pour faire circuler l'air frais dans l'emballage du composant
• Fixer la carte directement à un boîtier métallique avec un matériau d’interface thermique

Quelle que soit la solution choisie, la fiabilité thermique requiert de concevoir un empilage de circuits imprimés adéquat à l'aide du meilleur logiciel de conception de circuits imprimés.

Commencer avec le meilleur empilage de circuits imprimés

Avant d'implémenter d'autres mesures de refroidissement dans le routage de votre circuit imprimé, utilisez le meilleur ensemble d'outils de conception de circuits imprimés pour créer l'empilage approprié. Le gestionnaire d'empilage de couches d'Altium Designer vous permet de combiner les couches des plans de cuivre et leurs épaisseurs pour garantir la conductivité thermique élevée du substrat du circuit imprimé. Les vias traversants peuvent être définis et répartis à l'arrière de la carte sous les composants chauds dans le gestionnaire d'empilage de couches.

Ces considérations de base pour la conception de circuits imprimés contribuent grandement à dissiper la chaleur des composants chauds.

Altium Designer offre également à ses utilisateurs l'accès à une bibliothèque de matériaux d'empilage de circuits imprimés dont les propriétés diélectriques sont connues pour les plus courants. Les concepteurs disposent ainsi d'un contrôle total sur la conception de leur empilage dans leur logiciel de conception de circuits imprimés, ce qui s'avère être d'une grande aide pour les applications telles que les cartes haut débit et à courant élevé pour les systèmes d'alimentation. Concevez tous vos empilages et sélectionnez le matériau adapté à votre circuit imprimé dans Altium Designer.

• Le matériau de votre substrat jouera un rôle déterminant pour la fiabilité. Le matériau adéquat avec une conductivité thermique élevée peut aider à dissiper la chaleur des composants haute puissance et à maintenir une température basse lorsque vos composants fonctionnent.

  Découvrez comment choisir le matériau de substrat adéquat.

• Les matériaux en céramique ont une conductivité thermique nettement supérieure à celle des substrats FR4 standard. Ainsi, ils sont parfaitement adaptés aux environnements à haute température.

  Découvrez comment concevoir des circuits imprimés avec des substrats en céramique.

• Quel que soit le type de matériaux que vous souhaitez utiliser pour le substrat de votre carte, vous aurez besoin du meilleur gestionnaire d'empilage de couches pour créer l'empilage de votre circuit imprimé.

  Découvrez comment concevoir votre empilage de couches dans Altium Designer.

Conception d'empilage dans Altium Designer

Techniques de gestion thermique standard pour les circuits imprimés

La définition de votre empilage est une étape importante de la conception de votre carte. Une fois l'empilage défini dans votre logiciel de conception de circuits imprimés, vous pouvez commencer à utiliser vos outils de routage de circuits imprimés pour disposer des plans de masse, des parties cuivrées, des radiateurs et des vias thermiques. Les outils de CAO de votre logiciel de routage sont utilisés pour définir ces fonctionnalités dans votre circuit imprimé. Vos bibliothèques de circuits imprimés doivent également se connecter à la chaîne d'approvisionnement électronique pour vous donner accès aux modèles CAO des ventilateurs et des radiateurs. Vous pouvez ainsi facilement rechercher, télécharger et disposer les composants dont vous avez besoin pour la gestion de la chaleur dans le routage de votre circuit imprimé.

En plus de l'ajout d'éléments tels que des vias thermiques, des ventilateurs et des radiateurs, la disposition des plans et des pistes sur chaque couche de votre circuit imprimé contribuera à dissiper la chaleur grâce à la résistance inhérente aux conducteurs en cuivre de votre circuit imprimé. Lorsque vous cherchez à savoir comment utiliser le cuivre dans l'empilage de circuits imprimés, les simulations CC permettent de vérifier si des points chauds peuvent apparaître selon le positionnement de votre PDN.

Utiliser des simulations de l'intégrité de l'alimentation en courant continu pour identifier les points chauds

Un simulateur d'intégrité de l'alimentation CC peut s'avérer utile pour repérer les zones du PDN à forte densité de courant, autrement dit celles qui chaufferont. Si ces zones chaudes du circuit imprimé se trouvent à proximité d'un composant chaud, il peut être nécessaire d'ajouter un radiateur ou du cuivre supplémentaire pour aider à maintenir une température basse. De plus, la disposition du cuivre dans la région identifiée du PDN peut aussi être revue afin de réduire la résistance au courant continu dans cette zone.

• Dans le cadre d'une stratégie de refroidissement passif pour les composants actifs, un tampon ou une pâte thermiques doivent être utilisés pour raccorder un radiateur aux composants chauds afin d'évacuer efficacement la chaleur hors du composant.

  Découvrez les tampons et la pâte thermiques.

• Chaque composant actif de votre circuit imprimé se comporte comme une source de chaleur qui dissipe un peu de chaleur dans le boîtier et dans le cuivre à proximité du PDN. Si votre conception compte un grand nombre de composants actifs, vous serez peut-être amené à utiliser des ventilateurs pour refroidir vos composants.

  Découvrez comment utiliser des composants de refroidissement actifs dans votre routage de circuit imprimé.

• L'extension PDN Analyzer d'Altium Designer est facile d'accès et d'utilisation. Elle permet d'analyser les données de routage de votre circuit imprimé de manière à créer des simulations de haute qualité pour l'intégrité de l'alimentation CC.

  Découvrez l'extension PDN Analyzer d'Altium Designer pour les simulations CC.

Les simulations d'intégrité de l'alimentation CC peuvent vous aider à identifier les points chauds dans un PDN sur une seule ou plusieurs couches simultanément.

Meilleur logiciel pour l'analyse thermique et le routage des circuits imprimés

Vous aurez du mal à gérer efficacement la chaleur dans le routage de votre circuit imprimé si vous ne disposez pas de l'ensemble d'outils de routage de circuits imprimés adéquat. Les meilleures applications de conception de circuits imprimés ne se contentent pas d'offrir un ensemble d'outils de CAO pour les tâches de routage de circuits imprimés. Vous aurez besoin du meilleur utilitaire de conception d'empilage, d'un éditeur de schémas complet, de fonctionnalités de simulation de signaux mixtes, et bien plus encore. Une fois que vous êtes prêt à envoyer votre carte à la fabrication, vous devez créer la documentation relative à votre conception dans des formats de fichiers standard. Votre logiciel de conception de circuits imprimés doit regrouper toutes ces fonctionnalités dans une seule application, plutôt que de les séparer dans différents programmes.

Altium Designer est la seule solution complète de conception de circuits imprimés qui s'adapte à toutes les applications, allant des cartes CC haute puissance aux produits numériques haut débit et aux systèmes RF haute fréquence. Altium Designer comprend un gestionnaire d'empilage de couches de premier ordre vous permettant d'importer des matériaux standard, de définir l'arrangement de couches de votre choix et d'importer des matériaux uniques. Vous aurez également accès à un ensemble complet de fonctionnalités de routage avec des outils pour concevoir des vias et des polygones. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir des circuits imprimés fiables est disponible dans Altium Designer.

Concevez les circuits imprimés les plus fiables dans Altium Designer

La puissance d'Altium Designer réside dans son environnement de conception basé sur les règles. Si d'autres plateformes de conception séparent vos outils de conception importants en différents programmes, Altium Designer a l'avantage de favoriser votre productivité avec une seule application. Les fonctionnalités de conception de circuits imprimés d'Altium Designer sont conçues pour fonctionner ensemble dans un seul package et vous aider à repérer les erreurs lorsque vous créerez votre conception. Aucune autre application de conception de circuits imprimés ne vous donne accès à ces nombreuses fonctionnalités pour l'analyse thermique, le routage et la fabrication des circuits imprimés.

• Altium Designer est le package idéal pour les équipes professionnelles de conception de circuits imprimés souhaitant disposer d'un ensemble complet d'outils de conception dans une seule application.

  Découvrez l'environnement de conception unifié d'Altium Designer.

• L'extension PDNA pour Altium Designer est accessible dans le routage du circuit imprimé et peut vous aider à repérer les zones de votre routage qui seront trop chaudes en fonctionnement.

  Découvrez l'extension PDNA pour Altium Designer.

• Lorsque vous avez besoin de partager vos conceptions de circuits imprimés avec d'autres concepteurs de circuits imprimés ou avec votre fabricant, vous pouvez instantanément partager vos données de conception et de production via la plateforme Altium 365.

  En savoir plus sur le partage des données de votre projet de PCB avec Altium 365.

Vue 3D d'un système multi-cartes avec un grand ventilateur de refroidissement

Une fois que vous avez effectué l'analyse thermique de votre carte de circuit imprimé et identifié des problèmes potentiels dans votre routage, utilisez Altium Designer pour mettre en place les bonnes pratiques qui éviteront à votre carte de sortir des limites de température. Aucune autre application de conception ne fournit un ensemble complet de fonctionnalités de conception, de partage et de vérification de conception dans une seule application.

En permettant aux concepteurs de travailler de chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité sans précédent, la solution Altium Designer disponible sur Altium 365^® offre à l'industrie électronique un degré d'intégration inégalé qui était jusqu'à présent réservé au secteur informatique.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Consultez notre page produit si vous souhaitez en savoir plus sur nos solutions ou visionner l'un de nos webinaires à la demande.