Au cours de ces dernières années s'est accompli un passage continuel de l'IMT (Insert Mount Technology), c.-à-d. le montage classique des composants par insertion sur les circuits imprimés, à la SMT (Surface Mount Technology), donc un montage des composants sur la surface du circuit imprimé.

Désormais l'établissement de la technologie CMS (composants montés en surface) a changé beaucoup de choses pas seulement au niveau des applications et des machines à insérer les composants, mais également dans le domaine de la dissipation de chaleur des composants ces nouvelles données aboutissent à relever des défis concrets pour trouver les solutions appropriées !

La densité d'intégration atteinte jusqu'à présent ainsi que les fonctions électroniques mises en œuvre sont en partie à l'origine des dégagements de chaleur importants qui posent des problèmes certains en raison des dimensions réduites des boîtiers et exigent de faire preuve d'innovation et de créativité pour évacuer les flux de chaleur.

En plus des transistors à petits signaux bien connus et des circuits intégrés numériques, on trouve désormais aussi des transistors de moyenne puissance dans des boîtiers CMS (par ex. SOT89) dont les puissances dissipées pour un transistor isolé atteignent 0,5 à 1,2 W. Toutefois avec des moyens appropriés de dissipation thermique, on pourrait atteindre des puissances dissipées de 2 à 20 W, ces transistors pourraient donc être employés comme relais haute tension ou transistors de puissance, même des convertisseurs CC/CC seraient envisageables – tous dans des boîtiers CMS !

Mais là réside la difficulté – en raison de la densité d'implantation sur le circuit imprimé, les grandes surfaces de cuivre nécessaires ne sont pas indiquées pour dissiper la chaleur, car on perdrait l'avantage d'utiliser des composants CMS.

Il existe bien sûr d'autres méthodes de dissiper la chaleur, par ex. en utilisant les circuits imprimés à "cœur métallique". Ces cartes, comme leur nom l'indique, possèdent un noyau interne métallique, par ex. en aluminium, qui permet de répartir et de diffuser la chaleur dégagée; mais les coûts élevés de ce type de carte sont le plus non justifiés. Une autre possibilité à considérer serait de choisir les circuits intégrés CMS qui possèdent des «heat-slugs» en cuivre – ce sont des barreaux en cuivre, conducteurs de la chaleur, qui dirigent le flux interne de chaleur du cristal, la puce, vers le circuit imprimé ou vers la surface supérieure du boîtier du circuit intégré.

En cas d'une dérivation vers le circuit imprimé, la dissipation de chaleur peut avoir lieu à l'aide des soi-disant «thermal vias», petits trous métallisés qui transportent la chaleur à travers le circuit imprimé du dessous du circuit intégré sur la face opposée de la carte afin qu'elle y soit évacuée sur une surface de cuivre importante ou par un petit dissipateur de chaleur.

L'emploi de dissipateurs de chaleur convient parfaitement à la version avec dérivation de la chaleur dissipée vers la surface supérieure du circuit intégré. Cependant dans ce cas, la grande diversité de familles de boîtiers pose un défi supplémentaire pour choisir le dissipateur approprié.

Les circuits intégrés de puissance HF, les circuits intégrés analogiques destinés aux automatismes et intégrant une partie puissance, les convertisseurs AN, NA et CC/CC, les amplificateurs opérationnels de puissance, les amplificateurs de commande de moteur ainsi que toute la gamme des «CMS de puissance» nécessitent une évacuation de chaleur suffisante obtenue par des mesures adéquates.

La résistance thermique, couche de barrage avec l'environnement (Rw J/A), dépend très fortement du nombre de broches du circuit intégré ; par ex. un boîtier P-QFP présentera des valeurs inférieures à celles d'un boîtier P-DSO, toutefois le calcul de l'efficacité du transport thermique et de la dissipation de chaleur par la surface du boîtier et par les broches et aussi celle du circuit imprimé ne peut être réalisé même approximativement qu'à l'aide de logiciels puissants en raison des corrélations physico-mathématiques très complexes.

Si l'on envisage l'emploi de dissipateurs pour évacuer la chaleur des composants CMS, en plus des paramètres à prendre en compte tels que résistance thermique, dimensions (volumes) et poids du dissipateur, la façon de fixer les dissipateurs sur le circuit intégré mérite quelques explications.

Il existe jusqu'à présent de nombreuses variantes de dissipateurs CMS pour les différents types et dimensions de boîtiers qui conviennent pour une fixation par collage sur le composant. Ce collage du dissipateur sur le composant CMS est réalisé à l'aide d'une colle appropriée, le plus souvent à base de résine époxy. Cette méthode, si elle est correctement appliquée, convient parfaitement, car les dissipateurs de chaleur CMS possèdent de par leur conception, en particulier leur surface anodisée, d'excellentes propriétés de collage mécanique.

En plus du collage, de plus en plus souvent un dissipateur est soudé sur une surface de cuivre située à côté du composant CMS. Cela permet de réduire la surface de cuivre nécessaire à la dissipation et d'implanter d'autres composants sur la surface de dissipation économisée.

L'emploi conjoint de «thermal vias» (voir plus haut), améliore encore le rendement de façon considérable.

Les dissipateurs pour ce type d'application sont pourvus de surfaces soudables recouvertes d'étain, de nickel ou de bronze étamé. L'avantage de cette technique est que, dans la gamme d'équipement des circuits imprimés, le dissipateur CMS peut être considéré comme un autre composant CMS, c.-à-d. que le placement automatique des dissipateurs à partir d'une bande, d'un plateau ou d'une barrette et la phase de soudage suivante sont parfaitement intégrés dans la fabrication de la carte.

Ce genre de dissipateurs convient aussi bien pour le soudage à la vague que le soudage de reflux avec des températures supérieures à 200 °C et par ex. avec des «zones de pic» de 235 °C.

Etant donné que la tendance vers des densités de composants toujours plus importantes et donc des puissances dissipées par les composants CMS toujours plus élevées se maintient, il faudra toujours à l'avenir résoudre des problèmes de dissipation de chaleur nouveaux ou plus ardus.

Les fabricants de composants sont certes conscients du problème, mais le nombre de solutions praticables reste peu élevé. C'est pourquoi une coordination interactive entre les utilisateurs de composants et les fabricants de dissipateurs de chaleur apporte souvent de bonnes solutions, car ils élaborent toujours de nouveau concepts d'application qui aboutissent alors aux produits adéquats.

Droits d'auteur © par l'ingénieur diplomé Lothar Kampe. Tous droits réservés.

La publication de cet article spécialisé est possible sans autorisation supplémentaire de Fischer Elektronik à condition de l'indication de la source.