Comment les vias thermiques et les dissipateurs de chaleur fonctionnent-ils ensemble dans la conception de PCB ?
Les vias thermiques et les dissipateurs thermiques fonctionnent ensemble en créant un chemin thermique à faible résistance depuis le composant générateur de chaleur, à travers les plans de cuivre du PCB, et jusqu'à l'air ambiant via le dissipateur. Les vias, généralement de 0,2 mm à 0,3 mm de diamètre, conduisent la chaleur verticalement à travers la carte vers un plot thermique ou un dissipateur monté sur châssis, tandis que la surface du dissipateur (mesurée en cm² par watt) dissipe cette chaleur par convection. Pour un composant de puissance typique dissipant 2,5 W, un réseau de 9 vias thermiques sous le plot peut réduire la résistance thermique jonction-ambiant de 60 K/W à moins de 25 K/W lorsqu'il est associé à un dissipateur en aluminium correctement dimensionné.
Quel est le rôle de la résistance thermique d'un réseau de vias thermiques ?
Un via thermique unique a une résistance thermique d'environ 60 à 80 K/W pour une carte FR-4 de 1,6 mm d'épaisseur avec un placage de cuivre de 35 µm. Cependant, lorsque vous placez 16 vias dans une grille 4x4 sous un plot de composant de 5 mm x 5 mm, la résistance thermique parallèle chute à environ 4 à 6 K/W pour le réseau de vias seul. Ce calcul suppose un diamètre de perçage standard de 0,3 mm, une épaisseur de paroi en cuivre plaqué de 25 µm, et des vias remplis ou non remplis ; les vias non remplis sont 20 % à 30 % moins efficaces que les vias remplis de cuivre en raison de la faible conductivité thermique de l'air piégé (0,026 W/m·K contre 385 W/m·K pour le cuivre).
La performance thermique du via dépend également de l'épaisseur du placage de cuivre. La fabrication standard de PCB fournit un placage de 18 µm à 35 µm dans le trou, mais pour les applications de haute puissance, spécifier un placage de 50 µm peut réduire la résistance thermique du via de 25 % supplémentaires. Pour un MOSFET de puissance de 20 W sur un plot thermique de 20 mm x 20 mm, vous avez besoin d'un minimum de 36 vias pour maintenir la température de jonction sous 125 °C à une température ambiante de 50 °C, en supposant un dissipateur de 10 K/W.
Comment la méthode de fixation du dissipateur affecte-t-elle la performance thermique du PCB ?
La méthode de fixation détermine la résistance d'interface thermique entre le PCB et le dissipateur. Un contact métal sur métal nu avec de la graisse thermique (2 W/m·K) donne une résistance thermique de 0,5 à 1,0 K·cm²/W, tandis qu'un tampon adhésif thermoconducteur (1,5 W/m·K, 0,2 mm d'épaisseur) donne 1,5 à 2,5 K·cm²/W. La fixation par vis avec un clip à ressort fournit la pression la plus constante, généralement de 10 à 15 psi, ce qui est essentiel pour maintenir l'interface sous 0,8 K·cm²/W.
Pour un PCB avec 36 vias thermiques et un dissipateur de 40 mm x 40 mm, la fixation par vis réduit la résistance totale jonction-ambiant de 12 % par rapport à la fixation par ruban adhésif. Les vias thermiques doivent être placés directement sous l'empreinte du dissipateur ; si les vias sont décalés de plus de 3 mm par rapport au centre du plot du composant, la résistance latérale d'étalement du cuivre ajoute 5 à 8 K/W, annulant ainsi l'avantage du dissipateur. En production, nous recommandons un plot thermique sur la couche de masque de soudure qui correspond exactement à la base du dissipateur, avec des vias masqués sur le côté inférieur pour empêcher le mèchage de la soudure pendant le refusion.
Pourquoi l'épaisseur du cuivre est-elle critique pour l'étalement de la chaleur dans les PCB ?
Le cuivre standard de 1 oz (35 µm) a une résistance thermique latérale d'étalement d'environ 70 K/W par carré pour une surface de 10 mm x 10 mm. Le doublement à 2 oz de cuivre (70 µm) réduit cette résistance d'étalement à 35 K/W par carré, ce qui est crucial pour transférer la chaleur d'un plot de composant de 3 mm x 3 mm vers un réseau de vias plus grand ou l'empreinte du dissipateur. Pour une conception dissipant 10 W, la différence entre 1 oz et 2 oz de cuivre peut signifier une température de jonction inférieure de 15 °C au même flux d'air.
La relation est linéaire : chaque once supplémentaire de cuivre (35 µm) réduit la résistance thermique latérale d'environ 50 % pour une surface de carte donnée. Cependant, un cuivre plus épais augmente le coût du PCB de 15 % à 20 % par couche et peut provoquer des problèmes de sous- gravure pour les pistes à pas fin inférieures à 0,15 mm. Pour la plupart des conceptions thermiques, nous spécifions 2 oz de cuivre sur les deux couches externes et 1 oz sur les plans internes, ce qui offre un bon équilibre entre la performance thermique (résistance d'étalement de 30 à 40 K/W) et la fabricabilité avec des délais standard de 5 à 7 jours.
Quand faut-il utiliser des vias thermiques remplis de cuivre plutôt que non remplis ?
Utilisez des vias remplis de cuivre lorsque le flux thermique dépasse 0,5 W/mm² ou lorsque la résistance jonction-boîtier doit rester sous 1,5 K/W. Les vias remplis de cuivre, qui utilisent du cuivre électrodéposé pour remplir complètement le trou, ont une conductivité thermique de 300 à 380 W/m·K le long de l'axe du via, contre 50 à 80 W/m·K pour les vias non remplis avec un placage mince. La différence de coût est significative : le remplissage de cuivre ajoute 0,02 $ à 0,05 $ par via pour la production en grand volume, tandis que les vias non remplis ne coûtent pratiquement rien de plus que le processus standard de perçage et de placage.
Pour les conceptions avec un flux thermique inférieur à 0,3 W/mm², les vias non remplis avec un placage de 35 µm sont suffisants, surtout si la carte a un plan de cuivre solide sur le côté opposé. Nous recommandons les vias non remplis pour les séries de prototypes de moins de 100 pièces car ils sont plus faciles à retravailler et à inspecter. Pour les volumes de production supérieurs à 1 000 pièces avec un fonctionnement continu au-dessus de 85 °C de température de jonction, les vias remplis de cuivre sont obligatoires pour prévenir la fatigue due aux cycles thermiques, qui peut fissurer le placage mince après 5 000 à 10 000 cycles.
Quelle configuration d'empilement de PCB offre la performance thermique optimale ?
Une carte à 4 couches avec des vias thermiques connectant le plot du composant supérieur à un plan de masse interne en cuivre de 2 oz offre le meilleur rapport coût-performance. Le plan interne agit comme un diffuseur de chaleur, répartissant la chaleur latéralement avant que les vias ne la transfèrent vers le dissipateur inférieur. Cet empilement, avec des vias de 0,2 mm sur un pas de 0,5 mm, atteint une résistance thermique de 3,5 K/W du plot du composant au plan inférieur, ce qui est 40 % meilleur qu'une carte à 2 couches avec le même nombre de vias.
Pour des charges thermiques extrêmes supérieures à 30 W, une carte à 6 couches avec deux plans thermiques dédiés (couches 2 et 5) connectés par un réseau de vias 6x6 réduit la résistance thermique à 1,8 K/W. Les couches supplémentaires ajoutent 8 $ à 12 $ par carte en coût de fabrication mais éliminent le besoin d'un dissipateur plus grand, ce qui peut économiser 2 $ à 5 $ par unité en assemblage. Selon notre expérience, le pas de via optimal est de 0,6 mm à 0,8 mm ; les pas inférieurs à 0,5 mm font passer le taux de casse des forets de 0,1 % à 2 %, et les pas supérieurs à 1,0 mm gaspillent de la surface de carte sans bénéfice thermique proportionnel.
Comment calculer le nombre de vias thermiques pour une dissipation de puissance donnée ?
Le nombre de vias requis suit cette règle : divisez la puissance totale (en watts) par 0,5 W par via pour les vias non remplis, ou par 1,2 W par via pour les vias remplis de cuivre, puis multipliez par un facteur de sécurité de 1,3. Par exemple, un amplificateur de puissance de 15 W nécessite 30 vias non remplis (15 / 0,5 x 1,3) ou 16 vias remplis de cuivre (15 / 1,2 x 1,3). Ce calcul suppose une température de jonction maximale admissible de 125 °C, une température ambiante de 50 °C, et un dissipateur avec une résistance thermique de 8 K/W.
Pour un calcul plus précis, utilisez la formule : Nombre de vias = (Puissance x Résistance thermique par via) / (Résistance cible jonction-ambiant - Résistance du dissipateur). Avec une résistance cible jonction-ambiant de 5 K/W, un dissipateur de 3 K/W, et une résistance de via de 60 K/W chacun, vous avez besoin de 30 vias (60 / 2 = 30). Ajoutez toujours 20 % de vias supplémentaires pour les tolérances de fabrication, car un mauvais alignement de perçage peut réduire la surface de cuivre effective de 10 % à 15 %.
| Paramètre | Via non rempli (0,3 mm) | Via rempli de cuivre (0,3 mm) | Plan de cuivre massif |
| Conductivité thermique (W/m·K) | 50-80 | 300-380 | 385 |
| Résistance thermique par via (K/W) | 60-80 | 15-25 | N/A (par mm²) |
| Flux thermique maximal (W/mm²) | 0,3 | 0,8 | 2,0 |
| Coût par via (USD, grand volume) | 0,005 $ | 0,03 $ | N/A |
| Pas de via recommandé (mm) | 0,8-1,0 | 0,6-0,8 | N/A |
| Impact sur le délai | Aucun | +2 jours | Aucun |
Quels sont les modes de défaillance courants lorsque les vias thermiques ne sont pas utilisés ?
Sans vias thermiques, la chaleur d'un composant de puissance doit voyager latéralement à travers le plot de cuivre, qui a une résistance d'étalement de 70 à 100 K/W par carré. Cela provoque une augmentation de la température de jonction de 30 °C à 50 °C au-dessus de la température du boîtier, entraînant une fatigue prématurée des joints de soudure. Lors des tests de durée de vie accélérée, les cartes sans vias ont échoué après 1 200 cycles thermiques (-40 °C à 125 °C), tandis que les cartes avec 25 vias non remplis ont survécu à 3 500 cycles sans défaillance.
Un autre mode de défaillance est le délaminage du PCB, qui se produit lorsque la température de transition vitreuse du FR-4 (130 °C à 140 °C) est dépassée localement. Un composant de 10 W sur un plot de 10 mm x 10 mm sans vias peut créer un point chaud de 150 °C au centre du plot, provoquant le décollement du cuivre du substrat après 500 heures. Les vias thermiques réduisent la température du point chaud de 40 °C à 60 °C, maintenant la carte sous la température de transition vitreuse et prolongeant la durée de vie à plus de 10 000 heures à pleine charge.
FAQ
Quel est le diamètre minimal de via pour les applications thermiques ?
Le diamètre minimal pratique de via est de 0,2 mm pour la fabrication standard de PCB, mais nous recommandons 0,3 mm pour les vias thermiques car les forets plus petits ont des taux de casse plus élevés et produisent un placage de cuivre plus mince. Un via de 0,2 mm a 30 % moins de surface de cuivre en section transversale qu'un via de 0,3 mm, ce qui augmente la résistance thermique de 40 %. Pour la production en grand volume de plus de 10 000 cartes, 0,3 mm est la norme industrielle pour la fiabilité.
Combien de vias thermiques peuvent tenir sous un plot CMS standard ?
Pour un plot CMS de 5 mm x 5 mm, vous pouvez placer un maximum de 25 vias à un pas de 0,6 mm, mais nous recommandons 16 vias à un pas de 0,8 mm pour garantir une couronne de cuivre adéquate autour de chaque trou. Le plot du via doit avoir un diamètre de 0,5 mm pour un trou de 0,3 mm, ce qui laisse une bande de 0,15 mm entre les plots de vias adjacents à un pas de 0,8 mm. Cette configuration maintient la résistance mécanique tout en offrant une résistance thermique de 4 K/W pour le réseau.
Peut-on placer des vias thermiques sous un circuit intégré sans affecter les joints de soudure ?
Oui, mais vous devez masquer les vias sur le côté du composant avec du masque de soudure pour empêcher le mèchage de la soudure loin du plot du CI. Le capuchon de masquage du via doit couvrir complètement le trou, généralement 0,15 mm plus grand que le diamètre du via, pour éviter les vides dans le joint de soudure. Pour les composants à terminaison inférieure comme les boîtiers QFN, utilisez des vias remplis et plaqués pour fournir une surface plane pour l'impression de pâte à souder.
Quelle est la conductivité thermique du FR-4 standard par rapport aux substrats en aluminium ?
Le FR-4 a une conductivité thermique de 0,3 W/m·K, soit 1 000 fois inférieure à celle du cuivre, donc la chaleur doit être conduite à travers les plans de cuivre plutôt que le substrat. Les substrats en aluminium (IMS, substrat métallique isolé) ont une couche diélectrique de 2 à 4 W/m·K et une base en aluminium de 200 W/m·K, offrant un transfert thermique vertical 10 à 20 fois meilleur. Cependant, les cartes IMS coûtent 3 à 5 fois plus cher que le FR-4 standard, elles ne sont donc justifiées que pour des densités de puissance supérieures à 1 W/mm².
Quand faut-il utiliser à la fois des vias thermiques et un dissipateur ?
Vous devez utiliser les deux lorsque la dissipation de puissance totale dépasse 5 W et que la surface du PCB est limitée. Les vias réduisent la résistance thermique du composant au point de montage du dissipateur, tandis que le dissipateur fournit la surface nécessaire pour la convection. Sans vias, le dissipateur reçoit 30 % à 50 % moins de chaleur, le rendant inefficace. Pour une conception de 15 W, la combinaison de 25 vias et d'un dissipateur de 50 mm x 50 mm atteint une résistance jonction-ambiant de 3,5 K/W, ce qui est impossible avec l'un ou l'autre élément seul.
Comment la direction du flux d'air affecte-t-elle la performance des vias thermiques et du dissipateur ?
Un flux d'air perpendiculaire aux ailettes du dissipateur offre un transfert de chaleur 20 % à 30 % meilleur qu'un flux parallèle car il perturbe la couche limite. Les vias thermiques eux-mêmes ne sont pas directement affectés par le flux d'air, mais ils doivent être positionnés pour que le dissipateur soit dans le flux d'air principal. Pour la convection naturelle, orientez les ailettes du dissipateur verticalement pour favoriser l'effet de cheminée, ce qui peut réduire la résistance thermique de 15 % par rapport à l'orientation horizontale.
Quelle est la différence de coût entre la fabrication de PCB standard et optimisée thermiquement ?
Une carte standard à 4 couches avec 1 oz de cuivre coûte environ 0,08 $ par cm², tandis qu'une version optimisée thermiquement avec 2 oz de cuivre, des vias de 0,3 mm et un remplissage de cuivre coûte 0,15 $ par cm². L'augmentation de coût de 87 % comprend le placage de cuivre supplémentaire, le remplissage des vias et les étapes de processus additionnelles. Pour une carte typique de 100 cm², cela ajoute 7 $ par unité, ce qui est compensé par une masse de dissipateur réduite (économisant 2 $ à 4 $) et une fiabilité améliorée (moins de défaillances sur le terrain).
Conclusion et recommandation
Pour toute conception de PCB dissipant plus de 3 W dans une zone confinée, nous recommandons fortement d'intégrer un réseau de vias thermiques (minimum 16 vias de 0,3 mm de diamètre sur un pas de 0,8 mm) avec une fixation mécanique du dissipateur utilisant de la graisse thermique ou un matériau à changement de phase. Cette combinaison offre le coût le plus bas par watt de refroidissement, avec un coût système typique de 0,50 $ à 1,50 $ par watt dissipé, contre 2,00 $ à 4,00 $ par watt pour le refroidissement par air forcé seul. Notre équipe d'ingénieurs chez BQUQ a 20 ans d'expérience en gestion thermique pour l'électronique de puissance, et nous pouvons examiner vos fichiers Gerber et vos données de simulation thermique pour optimiser votre conception avant la fabrication. Nous fournissons un service de devis en 12 heures pour les ensembles PCB et dissipateurs, sans quantité minimale de commande pour les prototypes. Contactez-nous à sc@bquq.com ou WhatsApp +86 13713157787, ou visitez www.bquq.com pour discuter de vos exigences de conception thermique.
