Un examen de la gestion de la résistance thermique des PCB avec des vias thermiques

La conception des PCBs et la gestion thermique sont étroitement liées, car les problèmes thermiques sont connus pour réduire significativement la durée de vie utile d'une carte de circuit imprimé et de ses composants. La chaleur générée dans une carte de circuit par des composants actifs et passifs a tendance à être confinée près des composants, entraînant une augmentation importante de la température en raison de la faible conductivité thermique de la plupart des substrats de cartes de circuit. Le cyclage fréquent d'une carte de circuit et de ses composants entre des températures élevées et basses réduira la longévité de votre système et peut conduire à une défaillance prématurée des composants ou des conducteurs en cuivre.

Tout concepteur devrait envisager comment gérer la chaleur générée par leurs composants en utilisant une combinaison de stratégies. Parmi ces différentes stratégies, les concepteurs peuvent utiliser un pad thermique et un dissipateur thermique sur chaque composant actif, l'utilisation créative de plans en cuivre sur les couches intérieures, des matériaux de substrat avec une haute conductivité thermique, et des vias thermiques près des composants actifs qui dissipent une puissance élevée. Le placement stratégique des composants est également important pour prévenir la formation de points chauds sur votre carte de circuit imprimé.

Grâce aux outils de conception et d'analyse dans Altium Designer, vous pouvez élaborer une stratégie qui aidera à maintenir la température de votre carte dans des limites acceptables, malgré la haute résistance thermique de la plupart des matériaux de substrat de PCB. Les outils de disposition de PCB vous permettent de concevoir votre carte avec des vias thermiques, des mesures de refroidissement passives et actives, ainsi que des substrats à haute conductivité thermique et empilement personnalisé.

ALTIUM DESIGNER

Une plateforme unifiée de conception de PCB qui intègre des fonctionnalités avancées de disposition de PCB avec des fonctionnalités complètes de conception de via et de pad.

Les composants sur n'importe quelle carte de circuit généreront de la chaleur pendant le fonctionnement, et le concepteur proactif prendra des mesures pour combattre l'augmentation excessive de température pendant le fonctionnement. Si vous avez déjà vu un PC de jeu surcadencé, alors vous êtes familier avec les énormes ventilateurs de refroidissement et même les systèmes de refroidissement liquide utilisés pour retirer la chaleur des cartes graphiques et des processeurs. Il est probable que votre PCB n'ait pas besoin de mesures de dissipation thermique aussi extrêmes. Cependant, vous devriez considérer comment retirer la chaleur de vos composants et produire une distribution de température uniforme à travers votre carte.

La haute résistance thermique de nombreux substrats de cartes de circuits peut provoquer la formation de points chauds près des composants actifs. Ces points chauds ont tendance à s'accumuler près des composants actifs qui génèrent une quantité significative de chaleur. Parmi les différentes méthodes pour combattre l'augmentation de température dans un PCB, les vias thermiques sont particulièrement utiles pour transporter la chaleur loin des composants actifs et vers une couche interne de votre empilement.

Placer des vias thermiques sous un pad avec une palette attachée au die avec la bonne densité de nombre est une méthode pour transporter la chaleur dans une couche interne de la carte. Vous verrez les meilleurs résultats si vous optimisez le nombre et l'arrangement des vias thermiques sous le composant en question. Lorsqu'ils sont combinés avec d'autres méthodes de refroidissement, telles que l'utilisation d'un dissipateur thermique et d'un pad thermique sur chaque composant actif, et certaines mesures de refroidissement actif, vous serez en mesure de maintenir la température de vos composants en dessous de leurs valeurs maximales autorisées et d'étendre la durée de vie de votre carte de circuit.

Quels sont les Vias Thermiques ?

Comme de nombreux composants actifs, tels que les dispositifs pour l'électronique de puissance, les processeurs à haute vitesse et les composants à haute fréquence, génèrent une chaleur significative pendant leur fonctionnement, ces dispositifs nécessitent une méthode de dissipation thermique pour maintenir leur température de fonctionnement en dessous du maximum autorisé. Les vias thermiques sont simplement des vias placés sous un composant qui traversent un empilement. Ces vias peuvent se connecter au plan de masse dans l'empilement afin de transférer la chaleur vers une couche interne, où la chaleur se propage ensuite à travers la couche de masse vers le reste du circuit imprimé.

Les vias thermiques peuvent être placés comme des vias traversants de sorte qu'ils fournissent une dissipation thermique à travers l'empilement. L'anneau annulaire de ces vias thermiques devrait être visible à travers le masque de soudure sur la couche de surface sous le composant cible. Ils peuvent être soudés au paddle de fixation du die pour fournir une conductivité thermique uniforme à travers la structure. Remplir ces vias avec une époxy ou les plaquer est également une bonne idée car cela empêche la soudure de s'infiltrer vers l'arrière du circuit. Si vous examinez la distribution de la température à travers le circuit, vous constaterez que la distribution de la température dans la couche de surface et la couche interne se disperse à mesure que vous vous éloignez d'un via thermique.

Transport de chaleur loin des vias thermiques dans le substrat du circuit imprimé

Disposition des Vias Thermiques Sous un Composant CMS

De nombreux composants, tels que les composants dans des boîtiers QFP, incluent une palette attachée à la puce sur le fond du composant, et des vias thermiques devraient être disposés selon un motif approprié sous le composant. Placer le bon nombre de vias thermiques avec l'espacement approprié entre eux optimisera la conductivité thermique effective de la structure, permettant de transporter la quantité maximale de chaleur dans le substrat et de rapprocher la température de la température ambiante de l'environnement. En général, vous devriez opter pour plus de vias thermiques tout en restant dans votre budget de fabrication.

Exemple d'espacement des vias thermiques sur une carte de circuit imprimé

Comme de nombreuses cartes de circuits imprimés sont conçues sur un substrat FR4, la haute résistance thermique de ce matériau de substrat nécessite une certaine méthode de dissipation thermique pour réduire la température de la carte. Les concepteurs devraient envisager de combiner les vias thermiques avec d'autres méthodes de dissipation thermique pour amener la température du substrat et du composant à un niveau acceptable. Cela est particulièrement important si votre carte sera cyclée de manière répétée entre des températures élevées et basses.

• Les vias thermiques ne sont qu'une partie d'une stratégie de gestion thermique plus large pour votre PCB. Vous devriez inclure d'autres méthodes de dissipation de la chaleur, comme un dissipateur thermique, un pad thermique ou de la pâte, et des ventilateurs de refroidissement si les vias thermiques ne dissipent pas suffisamment de chaleur vers une couche interne. En savoir plus sur l'élaboration d'une stratégie de gestion thermique pour votre PCB.
• Chaque via dans votre PCB affectera votre budget de fabrication, et vous devriez soigneusement considérer le processus de fabrication du PCB et le budget lors du placement des vias thermiques.

  En savoir plus sur le processus de fabrication et d'assemblage des cartes de circuit imprimé.

• Tout comme les autres conducteurs en cuivre dans votre PCB, les vias thermiques doivent être placés conformément à vos règles et contraintes de conception.

  En savoir plus sur l'utilisation des vérifications des règles de conception dans votre logiciel de conception de PCB.

Les règles de conception pour via, pad et polygone dans Altium Designer

Votre substrat, les vias thermiques et le transfert de chaleur

Même si vous utilisez des vias thermiques, vous ne pouvez pas garantir que la température de votre carte baissera jusqu'à une valeur suffisamment basse. Cela est particulièrement vrai lorsque votre carte est déployée dans un environnement à température élevée, ou dans une partie de votre système qui atteindra une température plus élevée. Lorsque votre carte est en fonctionnement, le gradient thermique entre vos composants et l'environnement sera plus faible, ce qui réduira le taux de transfert de chaleur entre les régions chaudes et froides.

C'est là qu'utiliser un substrat à haute conductivité thermique est utile pour transporter rapidement la chaleur loin des composants actifs. Les céramiques sont l'un des meilleurs choix de matériaux de substrat avec une haute conductivité thermique. Une autre option est d'utiliser une PCB à âme métallique ; le noyau en cuivre épais fournira une dissipation thermique significative par rapport à un empilement FR4 standard. Lorsqu'ils sont combinés avec des vias thermiques, votre substrat et votre empilement aideront la chaleur à se déplacer facilement latéralement à travers votre carte, conduisant à une température d'équilibre plus uniforme pendant le fonctionnement. Cela conduit à une expansion thermique plus uniforme de votre PCB, ce qui fait que le stress interne est moins concentré dans différents conducteurs en cuivre de votre système.

Autres méthodes de gestion thermique

D'autres méthodes de gestion thermique dans votre PCB peuvent garantir que la température de votre carte se rapproche de la température ambiante. Ces méthodes incluent l'ajout d'un dissipateur thermique sur les processeurs à haute vitesse et autres composants importants. Un pad thermique sur un dissipateur thermique aide à fournir un chemin à haute conductivité thermique pour éloigner la chaleur d'un composant. Si vous avez un grand nombre de composants à haute puissance sur votre carte, vous n'aurez peut-être pas d'autre choix que d'ajouter des ventilateurs à votre conception pour retirer la chaleur des composants importants.

Votre matériau de substrat et votre empilement de couches doivent également être conçus en tenant compte du transport de la chaleur loin de la couche de surface de votre carte de circuit. La haute conductivité thermique du cuivre dans une couche intérieure de votre PCB transportera facilement la chaleur loin des vias thermiques et vers les bords du PCB. L'agencement de vos composants est également très important. Les composants qui génèrent le plus de chaleur doivent être placés plus près du centre de la carte plutôt qu'à un bord, car cela permettra à la chaleur de se dissiper sur une plus grande zone de votre PCB.

• Vos vias thermiques doivent être conçus pour se conformer aux normes IPC 2152 sur la performance thermique. Apprenez-en plus sur la conception conforme aux directives IPC 2152.
• Il existe de nombreuses méthodes de dissipation thermique passive que vous pouvez utiliser pour contrôler la température de votre PCB.

  En savoir plus sur les techniques de gestion thermique passive pour votre carte électronique.

• Un matériau de substrat alternatif est un excellent choix pour transférer la chaleur des régions chaudes vers les régions froides de votre carte et la dissiper rapidement dans l'environnement.

  En savoir plus sur le travail avec des matériaux de substrat alternatifs.

Votre matériau de substrat et votre empilement détermineront la résistance thermique dans votre carte

Travailler avec un logiciel de conception de vias thermiques

Le logiciel de conception de vias thermiques utilise des outils CAO pour définir la géométrie standard de vos vias et leur répartition à travers votre empilement de couches. Avec les bons outils de disposition de carte électronique, vous pouvez concevoir la géométrie et l'agencement de vos vias thermiques afin de créer une stratégie de gestion thermique complète. Le meilleur logiciel pour concevoir des vias thermiques inclut également des fonctionnalités de conception d'empilement. Cela vous permet de définir des couches de cuivre internes qui aideront à conduire la chaleur à travers votre PCB. Ces outils devraient être accessibles à côté de vos autres fonctionnalités importantes de routage et de disposition, offrant une solution complète sur une seule plateforme.

Conception et disposition complètes de vias thermiques dans Altium Designer

Avec les fonctionnalités complètes de superposition de couches et de vias thermiques d'Altium Designer, vous pouvez facilement créer votre empilement de couches, vias thermiques et agencement dans un seul programme. Les outils CAO d'Altium Designer sont accessibles aux côtés d'un ensemble complet de fonctionnalités de simulation et de planification de production.

• L'environnement de conception intégré dans Altium Designer fournit tous les outils CAO dont vous avez besoin dans une seule application. Vous aurez accès aux fonctionnalités importantes de conception et d'agencement de vias thermiques dans un seul programme.En savoir plus sur la conception unifiée dansAltium Designer.
• Travailler avec un logiciel de conception de circuits imprimés piloté par les règles vous permet de définir des règles et contraintes de conception importantes pour votre carte. Cela aide à garantir la fonctionnalité et la fabricabilité.En savoir plus sur le moteur de conception piloté par les règles d'Altium Designer.
• Avec la bibliothèque de superposition de matériaux d'Altium Designer, vous pouvez choisir parmi un large ensemble de matériaux de substrat standard avec une conductivité thermique élevée ou faible et diverses propriétés électriques.En savoir plus sur la bibliothèque de superposition de matériaux d'Altium Designer.

Les outils CAO et les fonctionnalités de gestion dans Altium Designer sont idéaux pour la conception de vias thermiques, la disposition des composants et le placement des mesures de refroidissement actives et passives pour soutenir le transfert de chaleur à travers votre système. Vous pourrez définir la disposition de vos vias et les exigences de fabrication comme des règles et contraintes de conception. Vous aurez également accès à un ensemble de fonctionnalités puissantes de simulation et d'analyse dans une seule application. Lorsque vous ajoutez la bibliothèque de superposition de matériaux et les bibliothèques de composants étendues, vous disposez de toutes les fonctionnalités nécessaires pour concevoir des cartes de circuits avec une stratégie de gestion thermique puissante et les amener à la production.

Seul Altium vous offre un vaste ensemble de ressources pour la conception de circuits imprimés. Vous aurez accès au forum AltiumLive, à des webinaires et podcasts avec des experts de l'industrie, à des tutoriels de conception, et à une base de connaissances étendue avec de nombreux conseils de conception. Aucune autre entreprise de logiciels de conception de PCB ne vous offre ce niveau de support. Au lieu de travailler avec des plateformes de conception de circuits imprimés qui séparent vos fonctionnalités de conception importantes dans différentes applications, il est temps d'adopter une approche intégrée de la conception et de la disposition. Il est temps de passer à Altium Designer.