Dissipateur thermique pour circuits imprimés pour une gestion thermique optimale

Table des matières

Qu'est-ce qu'un dissipateur thermique pour circuit imprimé ?

Les dissipateurs thermiques jouent un rôle important dans l'évacuation de la chaleur des composants électriques et électroniques sensibles. Le dissipateur thermique est intégré aux composants du circuit imprimé. Il s'agit d'une grande partie du circuit imprimé fabriqué Le dissipateur de chaleur est un métal conducteur basé sur la conductivité thermique. Les composants auxquels un dissipateur thermique est connecté ou intégré dans un circuit imprimé sont des dispositifs de commutation et des transistors. L'objectif principal et fondamental d'un dissipateur thermique est de dissiper et d'absorber la chaleur. Les dissipateurs thermiques des circuits imprimés fonctionnent généralement selon le principe de la conduction. Selon le principe de conduction, la chaleur circule d'une partie à forte résistance thermique vers une zone à faible résistance thermique, et il en va de même pour le flux de chaleur. Les dissipateurs de chaleur pour circuits imprimés sont fabriqués à partir de cuivre ou d'aluminium, qui présentent une excellente conductivité thermique et une résistance thermique réduite. En général, dans les processus de fabrication des circuits imprimés et des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés, la chaleur circule de l'intérieur vers l'extérieur. Composants du PCB Cet article bien informé vous donnera une vue d'ensemble de la technologie des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés, de leur rôle et de leur fonctionnement dans la fabrication des circuits imprimés, des facteurs de conception, des techniques de performance et de leurs applications.

Figure 1 : Dissipateur thermique du circuit imprimé

Fonctionnement et rôle des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés

Les dissipateurs thermiques sont un élément fondamental de la gestion thermique des circuits imprimés modernes qui supportent des charges de courant élevées. Ils améliorent la fiabilité du système et préviennent les défaillances prématurées. Les dissipateurs thermiques réduisent la température des composants par les mécanismes suivants :
Refroidissement par conduction ;
Le dissipateur thermique conduit rapidement l'énergie thermique de l'appareil chaud à travers le système de refroidissement. contacter aux ailettes ou aux broches. Le cuivre et l'aluminium offrent une excellente conductivité thermique.
Refroidissement par convection :
Les ailettes à surface élevée transfèrent la chaleur dans l'air ambiant. Le flux d'air sur les ailettes évacue l'énergie thermique.

Refroidissement par rayonnement :
Les dissipateurs de chaleur émettent un rayonnement électromagnétique qui permet à la chaleur d'être transférée des ailettes vers l'environnement. Efficacité accrue à des températures d'ailettes plus élevées.
Diffusion de la chaleur
Des dissipateurs thermiques plus grands peuvent répartir la chaleur intense d'un point chaud sur une plus grande surface pour une meilleure dissipation.
Rôle du dissipateur thermique :
Les principaux rôles des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés sont les suivants :
Pour réduire la jonction la température des cartes de circuits imprimés, des circuits intégrés, des semi-conducteurs de puissance et des diodes électroluminescentes. Il maintient les composants dans des limites de fonctionnement sûres afin d'éviter tout dommage. Il améliore la fiabilité du système et la durée de vie du produit. Il permet des puissances de sortie plus élevées en augmentant l'écart thermique.

Figure 2 : Conception de la couche d'encrage thermique du PCB

Types de conception des dissipateurs thermiques

Il existe deux catégories principales de dissipateurs thermiques utilisés pour le refroidissement des circuits imprimés :
Dissipateurs thermiques extrudés :
Également appelés dissipateurs thermiques à ailettes. Pièces en aluminium qui intègrent des ailettes pour augmenter la surface exposée au flux d'air.
Avantages
Il présente des performances thermiques élevées en raison de sa grande surface et de sa légèreté. Il offre Faible coût pour une production importante et il y a la facilité d'installation, comme l'ajustement par friction ou la fixation sur des dispositifs.
Inconvénients
Les options de taille et d'orientation sont limitées et les possibilités de personnalisation sont moindres.
Dissipateurs thermiques fabriqués :
Également connus sous le nom de dissipateurs thermiques usinés. Fabriqués en découpant de fines couches pour générer des ailettes à partir d'un bloc de métal.
Avantages
Il est hautement personnalisable et offre une gamme de formes, de tailles et de motifs d'ailettes. Il peut incorporer directement des éléments de montage et est idéal pour petits lots et des échantillons.
Inconvénients
Les coûts d'usinage sont plus élevés et la conductivité thermique est plus faible que pour les éviers extrudés.
Les dissipateurs extrudés à ailettes sont préférables pour les grandes productions. Les dissipateurs fabriqués permettent des configurations entièrement personnalisées.

Quels matériaux puis-je utiliser pour le dissipateur thermique du circuit imprimé ?

Les matériaux les plus courants utilisés dans les dissipateurs de chaleur conception et fabrication sont :
Aluminium
Léger, peu coûteux et d'une excellente conductivité. Facile à extruder ou à usiner. Les plus couramment utilisés.
Cuivre
Conductivité thermique plus élevée que l'aluminium, mais plus lourd et risque d'oxydation. Utilisé pour les très hautes performances
Alliages d'aluminium
Alliages adaptés à des propriétés spécifiques - thermiques, mécaniques, protection contre l'oxydation, etc.
Fibre de carbone
Léger avec une conductivité modérée. Cher mais rentable pour les applications où le poids est critique.
Céramique
Avancé les céramiques comme le nitrure d'aluminium pour une grande conductivité thermique et l'isolation électrique.
Plastiques thermoconducteurs
Conductivité plus faible mais peut permettre le moulage en plastique d'un dissipateur thermique directement fixé dans le boîtier.

Figure 3 : Disposition du dissipateur thermique sur la carte de circuit imprimé

Facteurs affectant les performances des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés

Il s'agit d'un dispositif électronique qui conduit la chaleur à l'extérieur de l'appareil. composants de la carte de circuit imprimé et les sources de chaleur et la diffuse dans l'air ambiant. Sur la surface des cartes de circuits imprimés, les dissipateurs de chaleur sont intégrés aux composants de haute puissance afin de minimiser leur température de fonctionnement. Les dissipateurs de chaleur pour circuits imprimés sont plus efficaces pour la gestion thermique des circuits imprimés au cours du processus de conception et de fabrication des circuits imprimés. Ils protègent les appareils électroniques contre les dommages dus à la surchauffe. Plusieurs paramètres influencent les performances des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés :

Matériau

Les matériaux à forte conductivité thermique, comme les alliages de cuivre et d'aluminium, sont plus efficaces.

Surface

L'augmentation de la surface des ailettes et des broches augmente le taux de dissipation de la chaleur.

Hauteur/volume

Les dissipateurs thermiques plus hauts offrent plus d'ailettes et de surface pour un meilleur refroidissement.

Densité des ailerons

Un plus grand nombre d'ailettes par pouce (FPI) augmente la surface exposée au flux d'air.

Planéité de la base

Une base de contact plate réduit la résistance thermique de la connexion.

Espace contact

Plus grande surface de contact pour la conduction de la chaleur hors de l'appareil chaud.

Débit d'air

Une vitesse d'écoulement de l'air plus élevée sur les ailettes améliore l'évacuation de la chaleur. Convection naturelle ou forcée.

Orientation

Les ailettes verticales fonctionnent mieux avec la convection naturelle. Les ailettes horizontales nécessitent un flux d'air forcé.

Méthode de fixation

Minimiser les matériaux d'interface thermique pour une conduction optimale dans le dissipateur thermique.

Méthodes de fixation du dissipateur thermique

Une connexion thermique efficace entre l'appareil et le dissipateur thermique est essentielle. Les options comprennent :
Adhésifs thermiques :
Des colles époxy et des rubans adhésifs fixent l'évier et le composant. C'est simple, mais cela ajoute de la résistance à l'interface.
Fixation mécanique :
Des vis ou des pinces exercent une pression pour minimiser les écarts thermiques.
Soudure :
La soudure relie directement l'évier et l'appareil pour obtenir la résistance la plus faible.
Ajustement par friction/Clips :
Les dissipateurs thermiques encliquetables s'enlèvent des classeurs pour une installation rapide.
Surmoulage direct :
Enveloppe le composant et le dissipateur de chaleur en une seule unité combinée.
Le fait d'éviter les matériaux d'interface thermique améliore la conduction de la chaleur vers l'extérieur des appareils.
Revêtements pour dissipateurs thermiques :
Des revêtements spéciaux peuvent améliorer les propriétés et la durée de vie des dissipateurs thermiques :
● Anodisation - Une couche protectrice d'oxyde d'aluminium prévient les dommages et l'oxydation.
● Revêtements d'émissivité - Augmentent l'évacuation de la chaleur rayonnée.
● Revêtements anti-poussière - Empêchent le blocage des ailettes par les contaminants de l'environnement.
● Revêtements hydrophobes - repoussent l'eau pour éviter qu'elle ne s'accumule.
● Revêtements antimicrobiens - Réduisent la prolifération des microbes dans les ailerons.
Le choix du revêtement dépend de l'environnement et des conditions d'exploitation.

Optimisation de la conception des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés

Plusieurs techniques permettent d'améliorer les performances des dissipateurs thermiques des circuits imprimés :
● Surface accrue - Des ailettes plus nombreuses et plus hautes se traduisent par une plus grande densité d'ailettes.
● Amélioration de la circulation de l'air - Disposez des ailettes pour une convection naturelle ou ajoutez des ventilateurs/soufflantes.
● Une conductivité plus élevée - Utilisez de l'aluminium ou du cuivre pur plutôt que des alliages.
● Matériaux plus performants - Cuivre au lieu de l'aluminium. Utiliser la fibre de carbone lorsque le poids est critique.
● Revêtements avancés - Émissivité renforcée, anti-poussière, hydrophobe, propriétés, etc.
● Minimiser les interfaces - Fixation directe sans adhésif ni graisse.
● Refroidissement actif - Ajouter des refroidisseurs thermoélectriques (TEC) pour les charges importantes.
Grâce à une conception soignée, les dissipateurs thermiques haute performance maintiennent les appareils au frais, même à des densités de puissance très élevées.

Applications des dissipateurs thermiques pour circuits imprimés

Circuit imprimé Les exigences en matière de dissipateur thermique varient en fonction des charges thermiques prévues et de l'environnement :
Électronique de puissance
Les modules IGBT, les convertisseurs, les redresseurs et autres semi-conducteurs de puissance produisent une chaleur résiduelle importante. Les grands dissipateurs de chaleur avec refroidissement forcé par air ou par liquide sont courants. Les modèles à montage sur plaque de base conduisent la chaleur à l'intérieur du boîtier. Une faible résistance thermique est essentielle pour éviter les pannes importantes.
Éclairage LED
Les LED à haute luminosité nécessitent des dissipateurs thermiques en cuivre ou en céramique pour maintenir l'efficacité lumineuse. Les dissipateurs de chaleur permettent une disposition dense des LED pour les sources d'éclairage. La fixation du réflecteur maximise l'éclairage vers le bas. La modélisation thermique garantit le respect des limites de température de jonction.
Automobile
Les composants électroniques subissent des variations de température allant de -40°C à plus de 125°C, ainsi que de la saleté et de l'humidité. Les dissipateurs thermiques en aluminium protègent les calculateurs et les composants ADAS. Les ailettes hautes permettent de refroidir les espaces restreints autour du moteur. Le surmoulage direct recouvre entièrement l'électronique.
Télécommunications
Les stations de base et les émetteurs radio nécessitent un refroidissement fiable pour être installés à l'extérieur. Des dissipateurs de chaleur en aluminium expulsés refroidissent les amplificateurs de puissance et les modules. Les ailettes sont disposées verticalement pour permettre une convection naturelle de l'air. Des revêtements dispersant l'eau protègent contre l'accumulation d'humidité en cas de givrage.
Technologie aérospatiale
L'aviation est confrontée à des vibrations extrêmes et à des cycles thermiques. Pour prévenir les dommages, les dissipateurs thermiques jouent les rôles suivants.
Un collage stable du dissipateur thermique de la carte est nécessaire pour supporter les chocs et les accélérations. Les dissipateurs thermiques correspondants se fixent en toute sécurité sur les formes irrégulières.
Serveurs
Les groupes informatiques denses génèrent d'importantes charges thermiques nécessitant un refroidissement actif Les tuyaux de chaleur et les chambres de vapeur diffusent la chaleur des CPU et des GPU. De grands réseaux d'ailettes ou de micro-canaux refroidis par des ventilateurs. Il existe également des plaques froides de refroidissement liquide pour les charges thermiques extrêmes.

Électronique grand public
L'électronique dispose de dissipateurs thermiques légers et peu coûteux pour circuits imprimés qui refroidissent les composants délicats des appareils mobiles. Les ailettes ultra-minces éliminées dissipent rapidement la chaleur des chipsets et les facteurs de forme compacts intègrent un espace limité.

Conclusion

Les dissipateurs de chaleur pour circuits imprimés sont un outil simple mais inestimable pour contrôler les températures des composants dans les appareils électroniques modernes à haute puissance. Alors que les appareils continuent de se réduire et que les charges thermiques augmentent, la gestion thermique est vitale pour la fiabilité des produits et la prévention des défaillances sur le terrain. Ce besoin croissant stimulera de nouvelles améliorations dans les matériaux des dissipateurs thermiques, les techniques de fabrication et les logiciels de simulation. Grâce à une approche globale justifiant les facteurs mécaniques, électriques et thermiques, les dissipateurs de chaleur pour circuits imprimés continueront à améliorer les marges de sécurité et à permettre la prochaine génération de circuits imprimés à forte densité de puissance.

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