Les applications électroniques les plus récentes sont basées sur des composants hautement intégrés capables de supporter des niveaux de puissance et des fréquences de fonctionnement toujours plus importants. La nécessité de gérer des courants et des tensions élevés, en présence de signaux mixtes et à haute fréquence, place le concepteur devant des défis techniques complexes, à commencer par la conception du circuit imprimé. Des aspects tels que la sélection des composants, le routage des pistes, la séparation des bords de carte, les interconnexions entre les couches et la gestion thermique sont tous des aspects qui doivent être soigneusement pris en compte pour produire un produit final fiable et efficace. La règle la plus importante à suivre lors de la conception d'un PCB haute puissance est d'identifier le chemin de puissance, en particulier le nombre et la position des composants capables de générer la plus grande quantité de chaleur. Cela implique de déterminer le niveau de puissance associé à chaque piste, au PCB et aux températures ambiantes, le matériau utilisé pour la fabrication du PCB et la densité des circuits intégrés sur la carte.
Les circuits électroniques pour les applications de haute puissance nécessitent non seulement des techniques de conception efficaces, mais aussi des matériaux de circuit imprimé capables d'éliminer la grande quantité de chaleur produite par les composants. Par conséquent, les PCB de haute puissance utilisent des matériaux caractérisés par de faibles pertes et une conductivité thermique élevée. L'un des principaux paramètres qui déterminent le choix du matériau est la conductivité thermique (CT), qui indique l'efficience avec laquelle la chaleur est transférée à travers un matériau et qui est exprimée en Watts par mètre-kelvin (W/m/K). Avec une conductivité thermique d'environ 400 W/m/K, un matériau tel que le cuivre est capable de transférer très rapidement l'énergie thermique. Le substrat de matériau diélectrique, en revanche, a des valeurs de CT beaucoup plus faibles : Le FR4, matériau le plus couramment utilisé dans les circuits électroniques, a un CT d'environ 0,20 W/m/K. Pour les circuits imprimés de haute puissance, tels que ceux utilisés dans les applications RF, les amplificateurs et les circuits de conversion de puissance, il est préférable d'utiliser des matériaux spécialisés, tels que les substrats et les laminés Rogers. À titre d'exemple, un matériau tel que le Rogers 6035HTC, avec une valeur TC de 1,44 W/m/K, est capable de supporter des niveaux de puissance élevés avec de faibles élévations de température. Un deuxième paramètre important est le coefficient de dilatation thermique (CTE), qui doit être choisi de manière à ce que la dilatation ou la contraction du matériau causée par les valeurs élevées de puissance et de température n’engendre pas de contrainte mécanique sur le PCB, sur les pistes ou à proximité des trous métallisés (PTH) utilisés pour transférer la chaleur entre les couches du PCB. Une troisième caractéristique importante que doit présenter un matériau PCB à haute puissance est la faible perte, car un PCB à forte perte génère plus de chaleur et peut être difficilement bien supportée. Enfin, il est nécessaire de sélectionner un matériau ayant une valeur MOT (Maximum Operating Temperature) aussi élevée que possible, indiquant ainsi la température maximale que le circuit peut gérer sur une période de temps indéfinie.
Le positionnement des composants sur le PCB détermine non seulement le bon fonctionnement du circuit, mais permet également d'éviter les problèmes lors de l'assemblage, en améliorant la gestion thermique. Tout d'abord, il est nécessaire d'orienter correctement les composants, en s'assurant que les composants similaires sont placés sur le PCB dans le même sens, ce qui simplifie à la fois le routage et le processus de soudure. Tous les composants CMS doivent être placés sur le même côté de la carte, tandis que tous les composants TH (Through-Hole) doivent être placés sur le côté supérieur de la carte de manière à minimiser l'opération d'assemblage. Afin de réduire les interférences, il est également nécessaire de séparer, pour chaque palier d’alimentation, la masse de contrôle et la masse d’alimentation. Si cette dernière est placée sur une couche intermédiaire, il est préférable de prévoir un chemin à faible impédance pour réduire le risque d'interférences et protéger les signaux de commande.
Le layout des circuits, et en particulier le tracé des pistes, doit être prise en considération dès les premières étapes du développement du projet. Parmi les facteurs qui influent sur le design, on peut citer le type de matériau utilisé pour le circuit imprimé, l'emplacement et le nombre de composants sur la carte, le niveau de puissance maximum développé par le circuit, la température ambiante autour de l'appareil et la technique de refroidissement adoptée (flux d'air, dissipateur thermique ou autre). La première étape doit comprendre le positionnement des composants de haute puissance, en veillant à ce que les connexions soient courtes et larges afin d'éviter les boucles de masse et la génération de bruit. Les composants qui génèrent une grande quantité de chaleur ne doivent pas être concentrés dans la même zone, mais répartis uniformément pour améliorer la gestion thermique, en protégeant le circuit imprimé d’un possible gauchissement. Les boucles de courant, en particulier sur les chemins de courant élevés, doivent être évitées en limitant les chutes de tension résistives et autres phénomènes de parasites entre les composants. Les circuits à courant élevé doivent avoir des pistes de cuivre plus épaisses. La norme IPC-2221 relative à la conception des PCB fournit les diagrammes de conception permettant de calculer la largeur de piste appropriée. La largeur minimale des pistes par ampère et pour toute augmentation de température de 10°C se situe entre 10 mil et 1 oz de cuivre (1 oz = 1.37 mils = 0.0347 mm). En cas de doute, il est préférable de choisir une piste plus large, car des pistes trop petites pour un courant donné peuvent endommager la carte ou entraîner une dégradation des performances. De grands plans de cuivre et des vias sont conseillés pour éliminer la chaleur des composants de forte puissance. Les plans de cuivre doivent être connectés sur la couche supérieure ou inférieure afin de maximiser le transfert vers un environnement ambiant. En revanche, les plans d'alimentation et de masse doivent être placés à l'intérieur de la carte, tout en étant symétriques et centrés, afin d’empêcher la carte de se déformer. De multiples vias doivent être placés pour transférer l’énergie d'une couche à une autre, en dirigeant le flux thermique des sources de chaleur vers un autre plan ou une autre couche. Comme le montre l'image 1, différents types de vias sont possibles : le trou traversant relie les couches supérieure et inférieure, les blind-vias et les micro-vias relient une couche externe à une couche interne, tandis que le buried-via relie deux couches internes.
Image 1 : Différents types de vias.
Le design devient plus complexe à mesure que le nombre de couches augmente. Une stratégie de routage recommandée exige d'alterner les pistes horizontales et verticales sur les couches adjacentes ; si cela n'est pas possible, chaque couche de signal doit être séparée par un plan de référence.
Une excellente gestion thermique est nécessaire pour maintenir un appareil en fonctionnement dans des limites de température sécuritaires. La température de jonction, qui, pour les dispositifs à base de silicium, varie de +125°C à +175°C, ne doit jamais être dépassée ; sa valeur est d’ailleurs indiquée dans la fiche technique du fabricant. Lorsque le courant circule dans un circuit, les composants passifs et actifs génèrent de la chaleur, dont la dissipation devient alors de plus en plus difficile à mesure que l’empreinte et le boitier de ces composants sont de plus en plus petits. La plus grande quantité de chaleur est générée par les composants qui se trouvent sur le trajet d’alimentation : il est impératif de dissiper cette chaleur dans l'environnement ambiant rapidement et efficacement. Si nécessaire, des dissipateurs de chaleur et des ventilateurs de refroidissement peuvent être ajoutés pour maintenir une température basse des composants.
Une autre solution pour dissiper la chaleur consiste à prévoir des plans de masse, qui agissent comme de grands dissipateurs en transportant la chaleur de manière uniforme sur toute la carte. Pour les cartes de circuits imprimés de forte puissance, il est également recommandé d'inclure un plan thermique qui évacue efficacement la chaleur de la carte. Ce dernier doit être placé sur les couches externes de la carte, ce qui permettra une dissipation de chaleur dans l'environnement plus efficace. De plus, les vias thermiques permettent de transférer la chaleur loin des composants sensibles, en maintenant leur intégrité et leurs performances. Parmi les dernières technologies de gestion thermique des circuits imprimés figure la pièce de cuivre (Copper coin technology), développée pour améliorer la dissipation de la chaleur des composants de forte puissance vers une ailette de refroidissement située à l'arrière de la carte et, par conséquent, améliorer la fiabilité des composants. Comme le montre la figure 2, la pièce de cuivre est incorporée à l'intérieur du PCB, juste en dessous du composant haute puissance, avec pour fonction de transférer la chaleur générée. Elle peut également être utilisée comme conducteur dans le circuit. La technologie des pièces de cuivre offre une excellente transmission thermique et électrique, obtenue grâce à un procédé relativement simple et peu coûteux.
Figure 2 : Un circuit imprimé construit avec une pièce en cuivre intégrée.