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Introduction
Cet article de PCBTok présente quelques raisons essentielles pour lesquelles il est important de surveiller la température des circuits imprimés et explique en quoi une mesure précise est cruciale pour améliorer leurs performances et leur durée de vie. La fiabilité repose sur la compréhension de la température ; même de faibles variations peuvent avoir un impact. Commençons par les points clés.
Température PCB
Il s'agit du niveau de température de votre circuit imprimé en degrés Celsius. Cette information est essentielle pour garantir son bon fonctionnement. Les hautes températures peuvent affecter ses performances et sa durabilité. La limite de température varie selon le matériau du circuit imprimé. Par exemple, les circuits imprimés FR-4 supportent des températures allant jusqu'à 110 °C. D'autres circuits imprimés haute température peuvent également résister à des températures supérieures à celles mentionnées ci-dessus. Certains sont même conçus pour supporter des températures supérieures à 150 °C. Cependant, c'est toujours le matériau utilisé qui détermine la limite de température du circuit imprimé.
Comment mesurer la température du PCB
La détection des zones chaudes et des circuits intégrés énergivores sur une puce nécessite une surveillance de la température. C'est un moyen de détecter les problèmes au plus tôt. Cependant, avant cela, vérifiez la capacité de dilatation thermique de votre circuit imprimé. Pour les circuits imprimés multicouches, assurez-vous que les coefficients de dilatation thermique (CTE) sont compatibles. Le CTE est une mesure de la dilatation des matériaux sous l'effet de la chaleur. Des couches alignées évitent les problèmes de dilatation et garantissent la durabilité.
Recherchez la source de chaleur
Identifiez la principale source de chaleur sur votre circuit imprimé. Il s'agit généralement du microcontrôleur ou du microprocesseur . Cela vous permettra de savoir précisément quand la température atteint un certain seuil. Ces composants génèrent le plus de chaleur. Pour éviter leur surchauffe et les dommages qui en découlent, il est nécessaire de les surveiller. Commencez par identifier la partie la plus chaude de votre circuit imprimé.
Assurez-vous que le capteur de température du PCB est en place
Vérifiez que le capteur de température du circuit imprimé est correctement installé. La chaleur peut endommager les composants ; il est donc essentiel de surveiller la température. Celle-ci peut être mesurée à l'aide de capteurs de surface ou montés sur la carte. Les données en temps réel fournies par ces capteurs permettent de prévenir la surchauffe.
Localisez les broches de terre (GND)
Environ 60 à 65 % de la chaleur est transmise au capteur par ces broches. Grâce à leur faible résistance thermique (celle des broches de masse) , la lecture du capteur est précise. Une bonne connexion permet un contrôle optimal de la température.
Créer un équilibre thermique
Un plan de masse permet au capteur et à la source de chaleur d'atteindre l'équilibre thermique. Il assure une répartition uniforme de la chaleur. L'équilibre thermique garantit la précision des mesures de température . Conformément au principe zéro de la thermodynamique , un système à l'équilibre thermique présente la même température ; la surveillance est donc fiable.
Connectez les broches GND
Les broches doivent être connectées. Cela facilite également la dissipation de la chaleur, pour des mesures plus précises du capteur. La résistance thermique diminue lorsque les broches GND sont solidement connectées au plan de masse.
Maintenir la proximité
Dans la mesure du possible, gardez les capteurs près de la source de chaleur. Pour une lecture précise, gardez-les aussi près que possible. Cela garantit que le capteur capte la chaleur directement de la source. Plus ils sont nombreux, plus vous pouvez surveiller les changements de température en temps réel.
Quelle température est bonne pour un PCB ?
Circuits imprimés standards
Le FR4 est le matériau le plus utilisé pour la plupart des circuits imprimés. Ce matériau est un stratifié époxy-verre. Il peut supporter des températures de 90 à 110 degrés Celsius. Pour les performances, il est important de rester dans cette plage. Cela peut entraîner des dommages. Si les limites sont dépassées.
Cartes de circuits imprimés haute température
Ils peuvent résister à une température de transition vitreuse allant jusqu'à 170 degrés Celsius. Ils utilisent des matériaux spéciaux comme l'ISOLA IS410 et l'ISOLA IS420. L'ARLON 85N et le VT-901 sont d'autres options. La durabilité face à la chaleur est assurée par ces matériaux.
Quelle est l'augmentation de température acceptable pour une trace de PCB ?
Plusieurs facteurs entrent en jeu. La résistance, le courant et l'élévation de température admissible complètent la liste de ces paramètres. On mesure généralement une augmentation maximale de 10 degrés, soit une élévation de température de 10 degrés au-dessus de la température ambiante de 25 degrés. Une élévation de 20 °C est également possible si le matériau de votre carte le permet. Cette norme permet une gestion thermique et une efficacité énergétique optimales. Elle indique précisément l'élévation de température des pistes du circuit imprimé . Vous pouvez choisir l'élévation de température souhaitée pour votre carte. Pour la plupart des applications, une limite de 10 degrés est acceptable.
Causes des températures élevées des PCB
1. Circuits haute fréquence
Dans les circuits haute fréquence, les températures élevées sont fréquentes. Ils produisent davantage de puissance et de chaleur. C'est le cas, par exemple, des circuits radiofréquences . L'ingénierie des circuits imprimés (PCB) est en plein essor, au même rythme que leur utilisation. Leur complexité se justifie par de nombreuses raisons : dispositifs médicaux , produits industriels , smartphones… Des techniques de conception spécifiques sont nécessaires en raison de la chaleur qu'ils génèrent.
2. Distance entre les composants dans les CMS
La température du circuit imprimé est influencée par la distance entre les composants CMS . Les composants montés en surface fonctionnent de la même manière que les composants traversants et se connectent au circuit imprimé par l'intermédiaire de trous. Autrement dit, ils lissent le courant. Cependant, les composants CMS et traversants nécessitent un espacement précis. Si l'espacement est trop important, le courant met plus de temps à les atteindre. Certains composants refroidissent alors trop longtemps en raison de ce délai. Par conséquent, d'autres composants peuvent surchauffer pour compenser. Un espacement adéquat est donc essentiel.
3. Soudure incorrecte des composants du dissipateur thermique
La technique de montage traversant est utilisée pour fixer les composants du dissipateur thermique . Ces composants alimentent le circuit imprimé. Ils doivent évacuer la chaleur qu'ils produisent, c'est-à-dire la dissiper dans l'air. Une mauvaise soudure peut entraîner une dissipation de chaleur insuffisante et, par conséquent, une surchauffe. D'autres composants peuvent également nuire au bon fonctionnement du dissipateur thermique.
4. Dysfonctionnement des composants
Choisissez chaque composant pour une performance maximale. Certains composants ne fonctionneront pas s'ils tombent en panne. Cela affectera d'autres composants. Cette contrainte supplémentaire peut provoquer une surchauffe.
5. Interférence à travers le trou
L'alimentation est fournie par les dissipateurs thermiques des composants traversants. Ces derniers génèrent de la chaleur et la dissipent dans l'air. Des problèmes surviennent en cas de soudure incorrecte du dissipateur thermique. Le passage du câble peut également être perturbé par d'autres composants. L'avantage, dans ce cas, est que ces derniers génèrent davantage de chaleur.
6. Soudure sans plomb
Les températures élevées des circuits imprimés peuvent être dues à la soudure sans plomb. La fabrication des circuits imprimés évolue vers des matériaux plus sûrs, conformément à la norme RoHS. Les circuits imprimés RoHS utilisent de la soudure sans plomb afin de réduire les risques. Cependant, la soudure sans plomb nécessitant des températures plus élevées pour fondre, il arrive qu'elle ne fonde pas. Cela peut entraîner une surchauffe du circuit imprimé, ce qui peut s'avérer néfaste.
Pourquoi est-il important de surveiller la température du PCB ?
Perte de force
Une chaleur excessive peut endommager l'intégrité structurelle d'une carte. Les variations de température sont sensibles aux différentes couches du circuit imprimé . Si ces variations sont trop importantes, les couches se dilatent et se contractent.
Interférence avec les chemins de circuit
La quantité de chaleur qu'il peut appliquer à un circuit peut devenir excessive. Cela peut provoquer une dilatation des circuits, puis un changement de forme. De tels décalages et distorsions sont inhérents à ce phénomène. Vous pouvez également vous retrouver avec une perte de signal. Cela peut modifier l'impédance standard du conducteur de 50 ohms. En particulier, les circuits à ondes millimétriques et à micro-ondes sont particulièrement vulnérables. Les petits composants s'abîment facilement.
Taux de dilatation de différents matériaux
Un circuit imprimé comporte deux principaux types de couches. Il s'agit de la couche diélectrique et de la couche conductrice. Chaque type est fabriqué à partir de matériaux différents. Ensuite, lorsqu'elles sont chauffées, elles se dilatent de manière inégale. Cette dilatation inégale entraîne de graves problèmes. Les couches peuvent commencer à se séparer les unes des autres. Un tel circuit imprimé surchauffé peut faire bien pire. Sous l'effet de la contrainte, les couches peuvent se fissurer. Il peut s'agir de fissures qui perturbent les chemins de circuit. Si vous voyez des fissures, vous pourriez également voir des problèmes de performances.
Rouille et dommages
Il peut également oxyder les matériaux diélectriques exposés. Il est vulnérable sans un stratifié protecteur. Ce matériau rouillera à haute température. La rouille peut être vraiment néfaste. Elle peut vous priver de lignes de transmission. Il est également possible que le facteur de dissipation soit plus élevé. Vous gaspillerez donc plus d'énergie dans vos circuits. Ces problèmes peuvent être évités en contrôlant les températures.
Séparation des couches
Il est important de surveiller la température des circuits imprimés pour éviter le décollement . Les couches du circuit imprimé peuvent se décoller. Ce décollement peut également se produire entre les pistes de cuivre et le substrat, ainsi qu'au niveau du vernis épargne et de son matériau de base. Certains matériaux se dilatent différemment, ce qui crée des contraintes sur les couches. À terme, ces dernières peuvent commencer à se séparer. Le maintien d'une température stable permet d'éviter le décollement.
Pliage et torsion de PCB
La forme du PCB peut être modifiée par une chaleur extrême. Cela exerce une pression sur les composants, sur une connexion. Ainsi, lorsqu'une telle chose se produit, les joints de soudure se fissurent. Ils peuvent se casser ou se détacher. Quelques pièces peuvent se séparer complètement. Cela permet d'éviter ces problèmes en contrôlant les températures.
Défaillances des composants
Les différents composants tolèrent la chaleur différemment. Des problèmes peuvent survenir en cas de chaleur ou de froid excessifs. Vous pouvez voir des pièces fissurées ou déformées. Même les matériaux internes peuvent se dégrader. Il peut s'agir de courts-circuits ou de circuits ouverts. Ces problèmes peuvent être évités en surveillant la température.
Défaillances dans les joints de soudure
La connexion des composants au PCB se fait à l'aide de joints de soudure. Ces connexions peuvent être endommagées par des températures très élevées. En cas de chaleur élevée, la soudure peut fondre. Cela peut entraîner des courts-circuits. La soudure est cassante à basse température. La soudure peut être cassante et se fissurer ou se casser.
Humidité et condensation
De la condensation peut se former en cas de changements rapides de température. Cette humidité peut provoquer des courts-circuits. Elle peut également entraîner des problèmes de corrosion. L'humidité emprisonnée peut geler à basse température. Cela peut endommager le PCB et ses composants. Surveillez les changements de température de votre PCB.
Comment contrôler la température du PCB
Dissipateurs
Un PCB génère beaucoup de chaleur. Cette chaleur provient de nombreux composants. Vous devez trouver un moyen d'évacuer cette chaleur. Dans ce cas, les dissipateurs thermiques sont une bonne solution. Ils permettent d'évacuer la chaleur en toute sécurité. Ils évitent d'endommager la carte. S'il n'y a pas de dissipateurs thermiques, les composants peuvent tomber en panne prématurément. Vous aurez besoin d'un type de dissipateur thermique pour refroidir l'ensemble du PCB.
Laminates
Les stratifiés haute température contribuent à contrôler la température des circuits imprimés. Ils protègent vos doigts des brûlures. Le choix des stratifiés dépend de plusieurs propriétés clés. Un matériau à température de transition vitreuse plus élevée offre une meilleure protection. Il est important de vérifier le temps de délamination : plus il est long, mieux c'est. L'absorption d'humidité est également un facteur important en milieu humide. Une température de décomposition plus élevée garantit une meilleure sécurité. Enfin, des taux de dilatation sur l'axe Z plus faibles réduisent encore les dommages.
Largeur et épaisseur de la plaque
L'épaisseur de votre circuit imprimé influence sa dissipation thermique. Les plaques plus épaisses conduisent moins la chaleur et, par conséquent, la retiennent davantage. À l'inverse, les plaques fines favorisent une meilleure dissipation de la chaleur et contribuent à un refroidissement optimal. Il vous suffit de choisir la largeur et l'épaisseur appropriées pour votre conception. Des dimensions adéquates permettent d'éviter les problèmes de surchauffe. Nos ingénieurs peuvent vous accompagner dans le choix de la meilleure option, garantissant ainsi le fonctionnement optimal de votre circuit imprimé. L'épaisseur et la largeur des plaques sont alors parfaitement adaptées à la gestion de la chaleur.
Ventilateurs
Les ventilateurs sont le plus souvent utilisés pour refroidir la plupart des appareils électroniques. Les ventilateurs aident à refroidir votre PCB. Au lieu de cela, ils éloignent la chaleur de l'appareil. En même temps, ils aspirent de l'air frais. Cela évite la surchauffe du PCB. Un bon flux d'air permet également au PCB de durer plus longtemps. Il améliore également les performances de l'appareil.
Considération des matériaux et des composants
La maîtrise de la chaleur dans les circuits imprimés dépend du choix des matériaux. Les circuits imprimés en cuivre épais sont résistants à la chaleur, robustes et durables. Ils supportent sans problème les hautes températures et les courants élevés, ce qui les rend idéaux pour les applications automobiles et aéronautiques. En revanche, le FR-4, souvent utilisé pour les circuits imprimés, est certes ignifuge, mais peu résistant à la chaleur. Si votre circuit imprimé est en FR-4, il est essentiel de concevoir un circuit minimisant la chaleur. Les matériaux RF et le polyimide peuvent également surchauffer. Dans les cartes RF, le PTFE est couramment utilisé, mais il a tendance à couler sous l'effet de la chaleur.
Alignement des CTE
Le CTE est un paramètre qui reflète la dilatation d'un matériau lorsqu'il est chauffé. Dans la conception de circuits imprimés, essayez de déterminer le CTE au niveau des couches diélectriques et de cuivre. Cela permet aux couches de croître de manière égale et de causer beaucoup moins de dommages. Les couches ne se dilatent pas au même rythme si les CTE ne sont pas alignés. Cela peut entraîner des problèmes de travail et d'assemblage. Le perçage peut être problématique avec ce matériau. Si vous ne voulez pas de surchauffe, choisissez des matériaux avec des CTE plus petits. Ils ont un CTE élevé et ne sont pas idéaux. À la place, utilisez du PTFE rempli de verre tissé. Le CTE et les performances thermiques du PTFE rempli de céramique sont meilleurs.
Maintenir un espacement approprié
Déterminer l'espacement optimal des composants sur un circuit imprimé est complexe. Un espacement trop faible peut engendrer des problèmes de diaphonie, c'est-à-dire des interactions indésirables entre les différents composants. Ces interactions entraînent des pertes par effet Joule et génèrent davantage de chaleur. Ce problème est fréquent sur les circuits imprimés haute fréquence . Il est donc essentiel de bien prendre en compte l'espacement des composants.
Intégrer correctement les caloducs
En plaçant des caloducs dans un PCB, la chaleur est gérée. Mais les caloducs absorbent la chaleur et protègent leurs composants. Les petits appareils s'y adaptent bien. L'utilisation de caloducs peut résoudre d'autres problèmes, si votre appareil dispose d'un espace limité. Ils transportent de l'ammoniaque ou de l'eau. Ils absorbent la chaleur et se transforment en vapeur. Cela refroidit également très bien le PCB. L'utilisation appropriée de caloducs protège contre les dommages causés par la chaleur.
Indice thermique relatif et température maximale de fonctionnement
L'indice thermique relatif (ITR) est la capacité d'un matériau à gérer la chaleur. Il vous indiquera la température la plus élevée que vous pouvez supporter en dehors du matériau sans l'endommager. Il s'agit de la température de fonctionnement maximale d'un PCB. Cependant, si vous négligez ces chiffres, la carte peut tomber en panne. Utilisez des matériaux qui ne chauffent pas bien.
FAQ sur la température des PCB
Que se passe-t-il si la température monte trop haut ?
À des températures supérieures à 50°C ou 100°C, des problèmes peuvent survenir. Si ce qui est tiré fonctionne sur une carte FR4, il devrait pouvoir fonctionner avec une piste en cuivre sur une carte. Cependant, les composants à proximité seront également affectés. Cela augmente leur température trop haut. Cela peut compromettre l'intégrité de votre carte. Vous pouvez également constater une perte de puissance. Parfois, vous devez surveiller les températures de près pour éviter tout dommage.
Une température élevée peut-elle endommager un PCB ?
Les hautes températures peuvent endommager les circuits imprimés. La chaleur provoque des problèmes tels que la défaillance des soudures et le décollement des couches. Les composants peuvent également être endommagés. La plupart des circuits imprimés FR-4 standard fonctionnent entre 130 et 140 °C. Les circuits imprimés en céramique peuvent être utilisés à des températures supérieures à 350 °C. Il est essentiel de toujours choisir les matériaux adaptés à l'application. Les soudures sont sensibles à la chaleur, ce qui peut dégrader ou endommager les composants. Si les soudures d'un circuit imprimé sont froides, les connexions se rompent.
Les PCB HDI nécessitent-ils une attention particulière en ce qui concerne la température du PCB ?
Les circuits imprimés haute puissance et haute densité nécessitent une attention particulière. Ils génèrent beaucoup de chaleur et requièrent des stratégies de gestion thermique performantes. Un simple refroidissement de base ne suffit pas. Compte tenu des solutions de refroidissement avancées souvent nécessaires, ces cartes requièrent un montage adapté. Si l'utilisation de dissipateurs thermiques ou de ventilateurs n'est pas optimale, envisagez des chemins de chauffe parallèles. Ceci garantit une gestion thermique efficace du circuit imprimé, améliorant ainsi ses performances et sa durée de vie. La dissipation thermique doit toujours être prise en compte lors de la conception.
Un PCB peut-il supporter une température supérieure à la limite pendant une courte période ?
Des dommages immédiats peuvent ne pas se produire même après une exposition de courte durée. Cependant, cela n'est pas conseillé. Le PCB est également endommagé par des températures élevées, même brèves. En général, une exposition prolongée peut entraîner une dégradation du matériau. Les pannes peuvent être augmentées en raison de cycles de chaleur répétés. Cela peut rendre vos circuits plus ou moins fiables. Des limites de température, nécessaires à des opérations sûres, sont imposées. Cela permet à votre PCB de durer plus longtemps. L'utilisation de ces limites permettra de maintenir les performances et la fiabilité sur la bonne voie.
Conclusion
Avec ce blog PCBTok, nous avons abordé les questions clés concernant les PCB et la gestion de la température. Nous avons ensuite parlé de la façon dont les températures élevées dégradent les PCB et de ce à quoi ils doivent faire attention lorsqu'il s'agit de conceptions à haute puissance. Nous avons également examiné si les PCB pouvaient fonctionner à des températures supérieures aux températures maximales autorisées pendant une courte période.
