Comment concevoir un prototype de PCB thermique

Les problèmes thermiques dans les PCB sont souvent négligés et ils peuvent ne pas être abordés avant qu'un design ait passé un cycle de prototypage. De toute évidence, le prototypage est coûteux et les équipes de conception ne peuvent pas dépenser des sommes infinies dans les versions de prototypes, mais elles peuvent déplacer une partie du travail de test sur des versions de prototypes moins coûteuses. Une manière d'aborder cela du point de vue thermique est de réaliser un prototype thermique.

Ces prototypes ne sont pas censés être élaborés ou coûteux ; ce sont des cartes bon marché qui comportent juste quelques composants, et ils sont spécifiquement conçus pour évaluer les demandes thermiques dans certains circuits. Ils servent également plusieurs objectifs dans certains cas, qui peuvent être liés aux tests environnementaux, aux tests mécaniques et aux tests fonctionnels de base.

Ce dont vous avez besoin dans votre prototype thermique

Un prototype thermique peut être construit comme un petit circuit imprimé qui contient un nombre limité de composants. Spécifiquement, il devrait contenir uniquement les principaux composants que vous souhaitez tester pour la performance et la fiabilité thermiques. L'objectif est de placer uniquement les circuits avec des profils thermiques inconnus afin que ceux-ci puissent être mesurés directement.

Lorsque la charge thermique dans un système est inconnue, il y a toujours certaines questions sans réponse concernant la construction de la carte. Quel poids de cuivre devrait être utilisé ? Des plans sont-ils nécessaires sur des couches spécifiques ? Un matériau avancé à haute conductivité thermique est-il nécessaire, ou les matériaux de grade FR4 génériques suffiront-ils pour répondre aux spécifications ? Les prototypes thermiques vous permettent d'explorer ces points et bien plus encore.

• Duplication de circuits de test thermiques avec des composants variant
• Beaucoup de points de test sur des broches inutilisées, des composants de puissance importants, etc.
• Connecteurs ou en-têtes pour accéder à tout signal de configuration et interfaces requis
• Tout composant de support pouvant également générer une chaleur excessive
• Pour les composants passifs ou inductifs, choisissez des pièces avec un emballage commun pour faciliter l'échange pendant les tests

La disposition du PCB pour votre circuit de test devrait correspondre étroitement à la construction de la carte prévue mais avec le moins de risques possible. La plupart des cartes de test thermique pour les ASIC peuvent être réalisées pendant la phase d'ingénierie frontale, donc pour simplifier, envisagez de construire le circuit d'application à partir de la fiche technique plutôt que de votre solution personnalisée. Pour les ASIC de gestion de puissance, assurez-vous de placer vos inducteurs, transformateurs, selfs, etc. prévus, car ceux-ci peuvent également être de grands générateurs de chaleur.

Une fois conçu, le prototype thermique peut être mis en production dans une usine de fabrication et d'assemblage à faible coût à l'étranger. Généralement, vous ne concevez pas quelque chose contenant des PI (propriétés intellectuelles) sensibles, et le nombre de placements de composants pendant l'assemblage devrait être faible. En simplifiant considérablement la disposition du PCB et la nomenclature, vous pouvez réduire au maximum le coût de fabrication.

Mesures dans le prototypage thermique

Une fois conçu et produit, votre prototype thermique doit être testé et la température doit être mesurée. Quelle est la meilleure manière de faire cela ?

La méthode qui donnera les lectures les plus précises sur et autour du circuit à tester est la mesure de température avec une caméra infrarouge. Il existe une vaste gamme de caméras infrarouges disponibles avec différents niveaux de résolution et de portée de détection. Il y a de petits modules qui peuvent se brancher sur votre smartphone et il y a des imageurs portatifs plus grands qui peuvent fournir des cartes de température en temps réel de haute résolution (comme les images montrées ci-dessous).

Images thermiques fournies par Mark Harris dans cet article.

Pour des cartes prototypes thermiques plus élaborées, telles que les ASICs avec interfaces numériques, une configuration en direct peut être nécessaire. C'est là que vous devrez inclure des connexions à un enregistreur de données ou à un DAQ, ou une connexion série vers une interface dans le PCB. Cela vous permettra de contrôler l'interface série et de surveiller les états d'E/S pendant que vous testez le dispositif.

Et qu'en est-il des cartes de développement et des cartes d'évaluation ?

Le prototypage thermique est l'occasion pour les cartes de développement et les cartes d'évaluation de briller !

Les cartes de développement (dev) sont le plus souvent utilisées comme prototypes de développement pour les microcontrôleurs ou les FPGA, où l'utilisateur peut construire des firmwares et des applications autour d'un composant spécifique. Les cartes d'évaluation (eval) sont modulaires et peuvent être connectées dans un assemblage ad hoc avec des fils, afin que vous puissiez tester comment différents ensembles de composants peuvent fonctionner ensemble dans un système.

Que ce soit une carte de développement ou une carte d'évaluation, le produit peut également être utilisé comme prototype thermique. Ces cartes peuvent être testées à haute puissance, ou dans des environnements à haute température, tout en interfaçant avec d'autres équipements ou en exécutant une application. Par exemple, vous pourriez :

• Faites fonctionner la carte dans une chambre environnementale
• Faites fonctionner la carte près de ses limites de puissance ou de température
• Placez la carte dans un boîtier avec un ventilateur DC en fonctionnement
• Expérimentez avec des dissipateurs thermiques et des matériaux d'interface thermique

Les cartes d'évaluation et les cartes de développement ne reflètent pas toujours parfaitement votre circuit prévu, mais parfois elles se rapprochent suffisamment pour que vous obteniez des données raisonnables sur le profil thermique pour le composant testé. Par exemple, sur la carte d'évaluation de commande de grille ci-dessous, vous pourriez obtenir d'excellentes données thermiques pour un système de puissance basé sur SiC.

La carte d'évaluation Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 pour piloter des transistors SiC et des modules de puissance.

Tous les composants ne sont pas disponibles avec des cartes de développement ou des cartes d'évaluation, mais lorsque ces cartes sont disponibles, elles peuvent être achetées auprès de nombreux distributeurs. Consultez Octopart et recherchez « eval board » pour voir ce qui est disponible. Vous pouvez également consulter les sites des fabricants de composants pour trouver leurs matériaux de conception de référence et les options de carte d'évaluation.

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