Les véhicules électriques ont inspiré les concepteurs de circuits imprimés pour atténuer la chaleur à l'aide de PTFE renforcé de verre

Il y a dix ans, j'ai commencé mon premier emploi comme concepteur de cartes mères pour des jeux. J'avais beaucoup à apprendre, surtout dans le domaine de la performance thermique. J’ai très vite pris l’habitude d’ajouter des dissipateurs thermiques, des ventilateurs de refroidissement, et d'autres équipements que je savais nécessaires pour que mon circuit imprimé puisse fonctionner correctement. Juste au moment où je pensais maîtriser le problème de thermique, un ami m'a parlé de la façon dont les véhicules électriques tirent parti de solutions révolutionnaires dans ce domaine. En effet, les régulateurs de l’alimentation, les moteurs électriques et les unités de commande de moteur sont des composants qui produisent une énorme quantité de chaleur dans un véhicule électrique.

Contrairement aux cartes mères des consoles de jeux, les méthodes conventionnelles de dissipation de chaleur, qui nécessitent des composants montés en surface (CMS) volumineux et des ventilateurs, ne peuvent pas être utilisées pour ces cartes de petit format. J’ai trouvé tout cela très fascinant. J’ai donc demandé à mon ami comment son équipe avait fait pour gérer le problème. Ma question était : si nous ne pouvons pas utiliser des dissipateurs thermiques et des ventilateurs, que devons-nous utiliser ?

Les dissipateurs thermiques classiques comme celui-ci ne peuvent pas être utilisés dans les espaces limités des cartes pour véhicules électriques

Le circuit imprimé en céramique : la méthode de gestion thermique la plus performante et la plus économique 

Cette approche donne une toute nouvelle perspective aux concepteurs de matériel pour véhicules électriques. Le circuit imprimé doit lui-même être pris en compte dans l’équation thermique. Plus précisément, le support du circuit imprimé doit être un matériau fortement conducteur de chaleur. Les cartes qui dissipent efficacement la chaleur n’ont pas besoin de ventilateurs et utilisent des dissipateurs thermiques compacts. Dans ces conditions, le concepteur se rendra probablement compte qu’un circuit imprimé en céramique constitue la meilleure option. Comparativement aux cartes en résine standard de type « FR-4 », les céramiques sont jusqu'à 170 fois plus conductrices de chaleur et peuvent supporter des températures de fonctionnement pouvant aller jusqu'à 350 °C. En outre, elles sont bien plus solides et plus diélectriques que les cartes en résine. Pour les concepteurs de véhicules électriques, ce matériau constitue le support idéal  pour les cartes d'alimentation, qui sont des composants fondamentaux de ces véhicules.

Ces cartes sont conçues pour convertir la tension continue des batteries en une tension alternative haute fréquence utilisée par les moteurs. Cette application génère une quantité de chaleur importante et finit sur le long terme par griller les cartes non résistantes. Les céramiques sont également utilisées dans les circuits de charge et les régulateurs de tension pour les équipements basse tension (applications ayant des besoins similaires aux cartes d’alimentation). Les cartes en céramique constituent un bon choix pour le concepteur de circuits imprimés pour véhicules électriques.

Avant d'être utilisés dans les véhicules électriques, les supports en céramique constituaient le composant de prédilection pour les processeurs informatiques et les circuits intégrés, comme celui illustré. 

Le meilleur des deux mondes : le circuit imprimé en PTFE reforcé de verre

Les circuits imprimés en céramique vous semblent être la solution idéale, n’est-ce pas ? Et bien, c'est discutable. Ils sont très performants d'un point de vue thermique mais leur coût reste élevé. Les circuits imprimés en céramique sont fabriqués à l'aide d'un procédé de pressage et d'usinage avancé. En revanche, les cartes classiques utilisent un procédé de sérigraphie en couches qui évolue bien et qui est très rentable. Mon ami concepteur m’a dit qu’il aimerait bien utiliser des cartes en céramique pour tous ses projets professionnels : « cela faciliterait mon travail », m’a-t-il dit en souriant. Malheureusement, ce n'est pas possible. C'est pourquoi la céramique n'est utilisée que pour les composants les plus importants des véhicules électriques.

Ceci nous amène donc aux cartes en Polytétrafluoréthylène (PTFE) renforcé de verre, que les fabricants de véhicules électriques ont commencé à utiliser pour les circuits gérant la sécurité, le contrôle et l'éclairage. Les cartes en PTFE aux performances thermiques supérieures sont particulièrement privilégiées pour les feux à LED, qui produisent une chaleur fortement concentrée, mais pour lesquels l’utilisation d’une carte en céramique n’est pas justifiée. Comme les cartes en résine, elles utilisent un procédé de fabrication en couches, moins coûteux, et leur stabilité thermique est beaucoup plus performante. En fait, ces cartes peuvent être utilisées dans des applications très exigeantes car elles peuvent supporter des températures de fonctionnement allant jusqu'à 200 °C. Il n'est pas étonnant que le PTFE soit le même matériau utilisé sur les casseroles antiadhésives depuis un demi-siècle.

Outre les circuits imprimés résistant à de hautes températures,

le PTFE constitue le revêtement antiadhésif de la plupart des poêles à frire actuelles.

Voici donc deux possibilités classiques pour le concepteur de circuits imprimés pour véhicules électriques. Mais, elles ne sont pas les seules. Grâce aux nouveaux supports « hybrides », il est probable que d'autres options fassent leur apparition dans un avenir proche. Deux éléments essentiels doivent être pris en compte : la température de transition vitreuse et le coefficient de conductivité thermique.

La température de transition vitreuse est la température à laquelle le support de la carte cesse de se comporter comme un solide et commence à devenir visqueux. Je ne dirais pas que le support commence à fondre, mais vous voyez où je veux en venir. Cette limite de température absolue doit être compensé par un facteur de sécurité judicieux.

Le coefficient de conductivité thermique est la valeur qui vous indique à quel point la carte « absorbe » et dissipe la chaleur. Plus ce chiffre est élevé, plus la carte peut dissiper efficacement la chaleur des circuits intégrés et d’autres composants.

Faites attention à ces deux valeurs pour vous assurer que votre carte est capable de conduire la quantité de chaleur nécessaire sans se déformer ;  et que votre prochain projet sur véhicule électrique n’aura pas à subir les problèmes provoqués par des circuits imprimés avec des spécifications insuffisantes.

Même si vous ne travaillez pas dans le secteur passionnant des véhicules électriques, le suivi de l’impact de la chaleur et de la stabilité thermique est essentiel pour de nombreux projets de conception de circuits imprimés. Altium CircuitStudio intègre des outils remarquables de conception de circuits imprimés et de simulation de projets. Vous pourrez vérifier la conception et les performances de votre projet de circuit imprimé dans un environnement intuitif et détaillé. De plus, l'environnement natif 3D vous permettra d'évaluer et de modifier votre conception en toute simplicité. Transformez dès aujourd’hui votre prochain projet avec CircuitStudio.