Guide de conception des dégagements thermiques

L’un des défauts d’assemblage de PCB les plus courants évoqués dans les guides sur la DFA est le tombstoning, le deuxième plus courant étant probablement les joints froids, ces derniers étant signalés plus particulièrement sur les broches traversantes. Même si ces deux défauts ne semblent pas liés, ils sont tous deux associés à l’évacuation de la chaleur depuis une broche ou une pastille d’un composant. En conception de PCB, on traite ce problème en ajoutant une pastille de décharge thermique au composant concerné afin que la chaleur reste confinée pendant la soudure.

La question devient alors : quand faut-il appliquer des pastilles thermiques, et quels composants en ont besoin ? Certaines recommandations DFA présentent l’utilisation des pastilles thermiques comme une nécessité partout, et il arrive que la règle de conception par défaut d’un PCB ou d’un projet l’impose sur l’ensemble du design. Dans ce guide, nous allons expliquer comment choisir les bons paramètres pour votre pastille thermique et où les appliquer.

Où appliquer les décharges thermiques

Une image simple d’une décharge thermique dans un routage PCB est présentée ci-dessous. Ces décharges thermiques se composent de petits rayons reliant le cuivre à une pastille de composant CMS ou à une broche traversante. Ces décharges thermiques sont appliquées automatiquement dans votre outil de CAO, vous n’avez donc pas besoin de dessiner les rayons de connexion, qui prennent la forme de petites pistes ou de zones pleines.

Décharges thermiques sur des broches traversantes.

Nous voyons ici deux cas où il est recommandé d’appliquer des décharges thermiques :

• Sur les pastilles CMS définies par le masque, c’est-à-dire les pastilles sur un polygone de cuivre
• Sur les broches traversantes lorsqu’une pastille est connectée à un plan

Les décharges thermiques ne sont pas nécessaires dans les cas suivants

• Sur des pastilles CMS définies par le masque connectées à une petite zone de cuivre
• Sur des pastilles de broches traversantes connectées à une petite zone de cuivre
• Sur des vias connectés à des zones de cuivre ou à des plans, même si la zone est reliée à une pastille CMS

Ce dernier point est très important, car il est techniquement possible d’appliquer une décharge thermique à un via. Franchement, cela n’apporte aucune valeur d’ajouter une décharge thermique sur un via qui se connecte à une zone de cuivre elle-même reliée à une pastille CMS. Si vous avez besoin d’une décharge thermique, appliquez-la simplement à la pastille CMS plutôt qu’au via. L’objectif est de confiner la chaleur à la pastille CMS, et non de la laisser se répartir dans une grande masse de cuivre.

À gauche : décharge thermique sur des broches traversantes d’un connecteur à broches. À droite : décharges thermiques sur des pastilles CMS connectées à une zone de cuivre sur la même couche.

Il existe quelques autres cas où les décharges thermiques ne sont pas nécessaires, en particulier sur les composants CMS. Cela inclut :

• Lorsqu’une connexion à une zone de cuivre ressemble fortement à une piste
• Sur les pastilles die-attach des circuits intégrés
• Lorsqu’il peut être garanti que le chauffage est uniforme sur toute la carte pendant la soudure

Le dernier point est lié au procédé de soudure. En refusion, il est beaucoup moins probable que vous ayez besoin de pastilles de décharge thermique partout. En revanche, si vous allez souder à la main tous vos composants CMS, en particulier les passifs CMS, il peut être judicieux d’ajouter des décharges thermiques aux pastilles CMS de vos composants passifs. La soudure à l’air chaud ou sur plaque chauffante est un cas plus variable, car elle dépend fortement de la compétence de l’opérateur et de l’équipement utilisé.

Quand une zone de cuivre est-elle grande ?

C’est une question importante, car elle détermine à quel moment il faut placer des décharges thermiques sur des broches traversantes ou sur des pastilles CMS. Pour les composants traversants, nous plaçons normalement la décharge thermique sur la connexion à un plan. Cependant, si nous utilisons une zone de cuivre sur une couche au lieu d’une couche de plan, nous avons essentiellement la même situation : une grande région de cuivre qui peut évacuer la chaleur depuis la broche et qui peut donc nécessiter une décharge thermique. Le même effet se produit avec un composant CMS placé sur une région de cuivre, comme un grand remplissage de cuivre sur l’une des couches de surface.

Mais si vous connectez l’un de ces composants à un polygone sur une couche, chaque polygone doit-il systématiquement avoir une décharge thermique ? Je pense que la réponse est « non ».

• Lorsque la zone de cuivre est très petite, elle ressemble à une piste et aucune décharge thermique ne devrait être nécessaire.
• Lorsqu’une zone de cuivre sur une couche interne est très grande, elle ressemble beaucoup à un plan et une décharge thermique serait nécessaire sur les broches traversantes.
• Lorsqu’une zone de cuivre sur une couche de surface est assez grande pour couvrir la majeure partie de la surface, elle ressemble également à un plan et une décharge thermique serait nécessaire.

Entre les très petites et les très grandes zones de cuivre, il existe un point à partir duquel une décharge thermique sur une broche ou une pastille de composant commence à devenir nécessaire. Il est assez difficile de le prévoir sans faire passer un coupon de test d’un lot important de cartes au processus de soudure. On peut aussi s’attendre à une différence entre la soudure par refusion et la soudure manuelle. Bien que cela puisse être simulé, une meilleure approche consiste à accepter que le seuil à partir duquel les décharges thermiques deviennent nécessaires doit être déterminé à partir des inspections qualité sur des cartes assemblées.

Comment concevoir les décharges thermiques ?

Les concepteurs n’ont pas besoin de consacrer énormément d’efforts à la création d’une décharge thermique. En général, une simple connexion en rayons depuis les quatre côtés d’une broche ou d’une pastille convient. La taille des rayons sur les pistes ainsi que le dégagement ou la dimension de l’ouverture doivent être choisis de manière à ce que les détails de bord ne soient pas trop petits. Ne rendez pas les rayons de la pastille si fins que vous descendiez sous votre limite de gravure. Veillez également à ce que l’ouverture autour de la pastille soit suffisamment grande pour rester au-dessus de la limite de dégagement des bords.

En général, des pistes de 8 mil avec un dégagement de 10 mil conviennent pour la majorité des composants. Pour des passifs de boîtier beaucoup plus petits et placés à forte densité, la largeur de piste et le dégagement peuvent être réduits afin que les pistes puissent passer autour de la pastille.

Décharge thermique appliquée à une pastille personnalisée dans Altium.

Conception des décharges thermiques dans Altium

Altium propose plusieurs façons de mettre en œuvre des pastilles de décharge thermique sur des composants CMS et des composants traversants. Elles peuvent être appliquées globalement ou sélectivement comme suit :

• Application d’un style de décharge thermique à l’aide d’une règle de conception de connexion de plan ou de polygone
• Application de pastilles de décharge thermique à l’aide d’une règle de conception, mais avec une portée définie sur des empreintes spécifiques ou des classes de composants
• Application d’une pastille de décharge thermique à une pastille CMS spécifique ou à une broche traversante spécifique à partir des propriétés de la pastille/de la broche

Le système de règles de conception et le système de requêtes dans Altium vous permettent de combiner ces approches selon les différents types de composants ou groupes de composants. Si vous utilisez les règles de conception, vous aurez toujours la possibilité d’appliquer manuellement une décharge thermique sur des broches traversantes ou des pastilles CMS spécifiques.

Pour en savoir plus sur l’application de pastilles de décharge thermique dans votre routage PCB, consultez ces liens dans la documentation Altium :

• Style de connexion des polygones
• Définition de décharges thermiques personnalisées

Que vous ayez besoin de développer une électronique de puissance fiable ou des systèmes numériques avancés, Altium Develop réunit chaque discipline dans une force collaborative unique. Sans silos. Sans limites. C’est l’endroit où ingénieurs, concepteurs et innovateurs travaillent comme une seule équipe pour co-créer sans contraintes. Découvrez Altium Develop dès aujourd’hui !