Les bases thermiques qu’il faut connaître pour concevoir un PCB avec des LEDs de puissance.

Aujourd’hui les éclairages LED’s sont présents dans de multiples applications, il est même impossible de recenser les tous les domaines dans lesquels vous pourriez retrouver cette technologie. Si vous voulez développer un circuit pour une application spécifique, je vais vous expliquer étape par étape les différents aspects sur lesquels vous devrez faite attention sous peine de voir votre carte partir en fumée. Il y a deux aspects importants à maitriser pour développer une carte électronique à base de Led’s de puissance, c’est l’électronique de commande qui fait l’objet d’un autre article et l’aspect thermique qui est développé ci-dessous.

Effectivement, même si on pense que les éclairages LED’s sont dit « froid », il n’en est rien, la température du semi-conducteur à l’intérieur de la Led peut atteindre des températures élevées, et en aucun cas, celle-ci ne peut dépasser 150°C sous peine de détruire la jonction instantanément.

Par une bonne compréhension des différents aspects thermiques, vous serez à même de développer vos propres applications qui seront fiables dans le temps.

Je vous souhaite une agréable lecture.

Symbole et caractéristique d’une diode Led.

Diode symbole

Une Led, comme toutes les diodes est un élément unidirectionnel, le courant rentre par l’anode et ressort par la cathode.

La luminosité de cette Led est fonction du courant qui la traverse.

Luminosité d'une led en fonction de son courant

La figure ci-dessus montre la relation qui existe entre le courant à travers la LED et la luminosité de celle-ci. La relation est presque linéaire.

Comme tout dipôle traversé par un courant, il existe une relation entre la tension aux bornes du dipôle et le courant qui le traverse, cette relation est montrée sur le graphique ci-dessous.

Caractéristique courant tension d'une led

 

Dans le cas d’une Led blanche de puissance, la barrière de potentiel du composant est de l’ordre de 3V contrairement aux petites Led’s de témoins rouge et verte utilisées dans tous les montages électroniques, pour ces éléments, la tension directe est de l’ordre de 1,7- 1,8V.

Le graphe montre également des courants beaucoup plus importants que dans le cas des Led’s témoins (10mA).

Comme tout composant électrique, cet élément va dissiper une puissance électrique égale :

\(\large V_{LED}= I_{LED}\times U_{LED}\\ \)

Prenons sur le graphe un point de fonctionnement de 600mA, la tension est de l’ordre de 3.3V.

 

\(\large P=600\times 10^{-3}\times 3.3=1.98 W \\ \)
Cette caractéristique correspond à une Led de 2.5w de chez Wurth Electronik dont voici la référence :

Cette puissance électrique, va provoquer un effet Joule et une élévation de température.

Même une petite puissance de 2 W pour amener le composant à une température très élevée. Il faut savoir que la Led est basée sur un semi-conducteur et que la température maximale ne pourra jamais dépasser 150°C.

Si on ne prend pas un certain nombre de précautions d’un point de vue thermique lors du développement du PCB, la destruction de la LED est assurée.

Le but de cet article est de vous expliquer les notions essentielles à comprendre pour vous permettre de réaliser un design professionnel et durable dans le temps.

Comprendre la dissipation thermique d’un composant de puissance.

Introduction

Les images suivantes montrent différents cas de figure de Led’s de puissance que vous pourriez rencontrer :

Élément seul.

LED seule

Cette Led ne peut être utilisée comme cela, cet élément est prévu pour être soudé sur un PCB avec une électronique de commande adaptée.

Led sur PCB aluminium.

Un élément seul déjà soudé sur un petit support en aluminium. Ce modèle est plus facile à utiliser, connexions électriques déjà prévues et faciles à souder, le support en aluminium garantit déjà une certaine dissipation thermique. Cet élément doit également être connecté à une électronique prévue à cet effet : carte électronique développée maison ou un driver du commerce.

LED sur PCB alu

Spot Led vendu dans le commerce.

Directement utilisable, toute l’électronique est intégrée, ainsi que toute la gestion thermique.

Spot LED

Led’s intégrées sur un PCB.

Totalement personnalisé en fonction d’une application, c’est de cela que nous allons parler dans cet article. Je voudrais vous expliquer les notions essentielles que vous devez connaitre pour que vous puissiez développer vous-même une carte électronique efficace.

PCB avec LED

Avant d’avancer dans le vif du sujet, il est important de comprendre les notions thermiques en relation avec tout cela.

Analogie de la résistance thermique-électrique.

La loi d’ohm nous dit que tout élément résistif traversé par un courant génère à ses bornes une tension directement proportionnelle à la valeur de cette résistance et à la valeur du courant qui la traverse suivant la relation bien connue :

\(\large U= R\times I\\ \)

D’un point de vue thermique, tout flux thermique traversant un matériau engendrera une différence de température de part et d’autre de cet élément en fonction de l’intensité de ce flux et des caractéristiques thermiques de cet élément selon l’équation suivante :

\(\large T_{ab}= R_{thr}\times P_{diss}\\ \)

Le flux thermique est la puissance électrique dissipée par le composant.

Voici un exemple de situation et son modèle thermique équivalent.

Ensemble LED plus PCB

Ce schéma représente une Led de puissance montée sur un PCB relié à un dissipateur thermique (radiateur).

Comme expliqué précédemment, la jonction du semi-conducteur est placée dans le boitier de la Led (représenté ici par le petit rectangle jaune) et va dissiper une puissance comme expliqué plus haut. Cette puissance va provoquer une élévation de température au niveau de la jonction, il va falloir évacuer les calories à travers les différentes parties pour éviter d’atteindre une température de destruction du semi-conducteur.

Voici une représentation des différents obstacles thermiques que ce flux va rencontrer.

 

\( R_{jc}\): Résistance thermique entre l’intérieur et l’extérieur du boitier

 

\( R_{cpcb}\): Résistance thermique entre les pines du boitier et le PCB, cela représente la soudure de la Led sur le PCB

 

\( R_{pcbhs}\): Résistance thermique entre les deux faces du PCB

 

\( R_{hsa}\): Résistance thermique entre la surface du dissipateur et l’air ambiant.

 

 

En tant que concepteur, le but sera de minimiser la valeur de toutes ces résistances thermiques, en sachant tout de même que certaines ne pourront pas ou pratiquement pas être modifiées.

Comme montré dans l’équation Tab=Rthr*Pdiss, pour un flux thermique donné et donc une puissance électrique dissipée, nous allons retrouver une différence de température entre toutes ces résistances thermiques conformément au schéma ci-dessous.

Somme des résistances thermiques

Comme en électricité, la résistance thermique totale est égale à la somme des résistances.

\(\large R_{ja}= R_{jc}+R_{cpcb}+R_{pcbhs}+R_{hsa} \)

La température de la jonction sera calculée à l’aide de l’équation suivante :

\(T_{j}=(R_{ja}\times P_{Diss}) + T_{a} \)

\(T_{a}\): température ambiante où se trouve le système en fonctionnement.

\(P_{Diss}\): puissance électrique dissipée par le composant, dans notre exemple, 2W

\(R_{ja}\): l’ensemble des éléments thermiques

\(T_{j}\): la température de la jonction.

Ne jamais dépasser 150°C sous peine d’une destruction quasi immédiate. En pratique, les constructeurs de diode vous donnent les durées de vie des diodes en fonction de leur température de fonctionnement. L’idée sera bien sûr de minimiser au maximum cette température.

Nous allons voir dans la suite de cet article, les éléments sur lesquels vous allez avoir la possibilité d’agir.

\(R_{jc}\): uniquement fonction de la diode que vous utilisez, cette valeur est donnée par le constructeur, pas de possibilité d’agir.

\(R_{cpcb}\): va dépendre de la diode utilisée, taille de la pastille thermique du composant, qualité de la soudure sur le PCB. Il n’y aura pas beaucoup de marche manœuvre sur cet élément.

\(R_{pcbhs}\): c’est sur cet élément que vous allez avoir la plus grande marche de manœuvre au niveau du développement de votre PCB, c’est le but même de cet article.

\(R_{hsa}\): dépendra du type et de la taille du dissipateur que vous allez utiliser, la valeur de la résistance thermique de cet élément est donnée par le constructeur.

Amélioration de \(R_{cpcb}\)

La résistance thermique d’un élément est donnée pour la relation suivante :
\(\large  R_{th}= \frac{d[m]}{\lambda[W/K]\times A[m^{2}]}\\ \)

 

d : représente l’épaisseur du matériau
A : la surface
Lambda : dépend du type de matériau

La relation nous montre que, pour un matériau donné, plus l’épaisseur est petite et plus la surface est grande, plus petite sera la résistance thermique.

Passons en revue les différents points sur lesquels vous allez pouvoir agir au niveau du PCB.

Le schéma ci-dessous représente une portion de Pcb sur lequel il n’y a eu aucune amélioration. Le grand rectangle gris représente la pastille thermique de la diode, il n’y a pas beaucoup de surface d’échange. L’épaisseur est généralement de 1.5mm et le matériau est de type FR4 (époxy)

C’est ce que vous allez obtenir sur vous dessinez votre PCB sans aucune connaissance sur les différentes possibilités d’amélioration. C’est typiquement le cas lors des premiers développements.

Ajout d’une zone de cuivre plus grande tout autour et la relier au pad thermique initial, cette zone de cuivre est représentée en brun sur la figure ci-dessous.

Comme les flèches rouges le représentent, la surface a été augmentée, la dissipation en sera meilleure, mais cependant pas suffisante.

En pratique, vous n’allez pas pouvoir augmenter cette surface comme vous le voudriez, elle sera tributaire de votre design.

En technologie FR4, même en diminuant l’épaisseur du PBC, l’amélioration ne sera pas importante, je vais vous montrer un moyen artificiel de modifier les propriétés thermiques du matériau.

L’idée est de placer un nombre important de Via’s dans la zone de cuivre placée autour de la diode. Ces Via’s seront également connectés à une autre surface de cuivre de l’autre côté du PCB.

La figure ci-dessous illustre ce procédé, les parties orange représentent les Via’s et la zone de cuivre.

Via's thermiques

Les flêches rouges représentent l’échange thermique entre les deux faces, celui-ci est nettement amélioré. Comme vous vous le doutez bien, le cuivre est nettement meilleur conducteur que l’époxy.

 

Vue du dessus.

Voici une représentation réelle d’une portion de Pcb utilisant cette technique. La pastille thermique de la diode est représentée en orange. Attention, la partie verte représente le « Solder Mask » du Pcb, c’est le verni vert que vous avez l’habitude de voir sur les cartes électroniques. En dessous de ce vernis, se trouve bien entendu le cuivre représenté sur l’image précédente.

 

Vue du dessous.

La zone grise représente le cuivre « métallisé » dépourvu de « Solder Mask » afin de garantir un meilleur échange thermique avec le futur dissipateur.

 

 

 

 

Autre exemple avec les deux diodes de soudées.

D’un point de vue logiciel de conception de cartes électroniques, les Via’s (thermiques) seront ajoutés à l’empreinte du composant comme un via classique, la société de fabrication de Pcb se charge d’effectuer tous les trous et de les métalliser.

empreinte eagle

Le nombre de via’s à placer est un peu empirique, les documents techniques (datasheet) du constructeur de la diode peuvent vous donner tout cela, comme vous pouvez le voir ci-dessous. Le mieux est de se baser sur ces documents.

Dans les datasheets, vous pouvez retrouver toute une série d’informations très utiles, voici un graphe qui vous donne une estimation de la résistance thermique du PCB en fonction de l’épaisseur de celui-ci et le type de Via’s utilisés.

Cet autre graphique vous montre la variation de la résistance thermique en fonction du nombre de Via’s

Et pour terminer sur ce procédé, en voici un autre qui vous montre l’influence de la densité des éléments sur le PCB sur la résistance thermique.

 

Cette technique qui consiste à placer des Via’s « thermiques » sur les Pcb’s pour améliorer la résistance thermique entre les deux faces de la carte est très répandue et ne s’adresse pas seulement aux Led’s de puissance, elle est utilisée dès le moment où il faut garantir un bon échange thermique pour minimiser l’élévation de température des composants sur le Pcb.

Dès que vous avez un élément sur une carte électronique qui dissipe de la puissance, il faut se poser la question de savoir s’il ne risque pas de se détruire à cause d’une température trop important. Je rappelle que cette technique est faite pour les composants de type SMD ou CMS (composants montés en surface). Pour les composants dits de type « traversants », l’idée est de placer directement un dissipateur thermique sur le composant lui-même.

 

A noter que de placer un dissipateur directement sur élément SMD est bien sûr, également possible, tout dépend du contexte. La technique utilisée est généralement par collage.

 

Autre exemple de placement de Via’s pour l’amélioration de la résistance thermique.

Le placement de Via’s comme représenté sur la photo ci-dessus peut avoir un double rôle, ils peuvent également améliorer la liaison électrique entre les deux faces réduisant l’aspect selfique de la liaison électrique. Ça sort du cadre de cet article.

 

Une deuxième technologie, également fortement rependue dans l’éclairage LED est l’utilisation de PCB de type aluminium (IMS).

La couche de cuivre posée sur le substrat en aluminium est isolée électriquement par un film diélectrique mince qui est bon conducteur de la chaleur. Cette technique ne nécessite pas de Via puisque l’aluminium est très bon conducteur. Ce Pcb en aluminium peut aussi être placé sur un dissipateur thermique supplémentaire en fonction des besoins de l’application.

Exemple réel.

 

Le dernier élément sur lequel vous allez pouvoir intervenir est le dissipateur thermique \(R_{hsa}\) à placer sur le PCB pour améliorer l’échange thermique vers l’ambiance.

Son dimensionnement sera fonction des besoins de l’application et sera choisi parmi une multitude de choix présente sur le marché.

En voici comme exemples. Vous remarquerez la présence d’ailettes sur le spot pour garantir l’échange thermique.

Placement d’une graisse thermique pour améliorer l’échange thermique entre le Pcb (ou le composant) et le dissipateur.

Il est facile de comprendre que même si les surfaces semblent lisses, il restera de l’air entre les deux faces due à la rugosité des celles-ci, c’est pourquoi il est nécessaire de placer de la graisse thermique ou un film thermique mince entre les deux matériaux.

Ne pensez pas que l’effet dû à l’absence de graisse soit négligeable, la figure ci-dessous vous un donne un graphique comparatif pour un cas de figure donnée entre un placement avec et sans graisse en fonction du couple de la vis de serrage du dissipateur sur le composant.

Approche expérimentale.

Il est maintenant important de terminer l’article par une approche expérimentale pour bien monter le bien fondé de tout cela par le biais de mesures effectuées sur une application réelle.

Voici les données électriques de l’application.

4 LED’s en série
\( V_{D}=2.95V\)
\(I_{D}=350mA\)
\(\large P_{D}=2.95\times 350 \times 10^{-3}=1W \)

Pour réaliser tout cela, nous allons utiliser des thermocouples (sonde de température) sur deux endroits du Pcb pour déterminer la résistance Rcpcb, qui je rappelle, a été améliorée par le placement d’un nombre important de Via’s.

L’un sera placé le plus près possible de la diode et l’autre sur la face opposée du PCB

 

Mesures effectuées avec un appareil spécialisé.

Il reste maintenant à analyser les mesures.

Les deux températures ainsi que la puissance électrique vont nous permettre de calculer la résistance thermique du Pcb.

\(\large R_{pcb-hs}=\frac{(93.7-89.2)}{1}=4.5°C/W \)

Même circuit, mais avec l’ajout d’un bloc en aluminium pour faire office d’un dissipateur thermique, sa résistance thermique n’est pas connue.

L’effet est immédiat, le bloc a permis de faire chuter les températures. Dans cette expérience, j’ai placé un simple bloc pour illustrer le phénomène, il est bon de placer un dissipateur avec des valeurs de résistances thermiques connues pour poursuivre la suite du dimensionnement.

Ci-dessous, une photo de l’arrière du Pcb prise à l’aide d’une caméra thermique, les Via’s sont bien mis en évidence, les points plus foncés représentent l’air à l’intérieur des Via’s. La partie blanche (température élevée) correspond à la température juste derrière la Led. Cette tache blanche montre bien le transfert de chaleur entre les deux faces.

Pour clôturer, nous allons évaluer la température de la jonction à l’intérieur de la Led, puisque c’est bien sûr de cette température que nous avons besoin pour valider notre design et ainsi garantir une durée de vie annoncée par le constructeur.

Si je reprends le schéma de tout à l’heure, il faut connaitre la résistance \(R_{JS} \), celle-ci est donnée par le constructeur et est de 16°C/W

 

\(\large T_{j}=93.7+16 \times 1 \simeq 110°C\)

En se référant au graphe ci-dessous, nous constatons que nous sommes à une température de jonction tout à fait correcte pour le type de Led utilisée. Il faut bien sûr remarquer que l’ajout d’un dissipateur va encore faire chuter cette température !

Conclusion.

Une Led de puissance ne peut en aucun cas être utilisée sans une intégration adéquate à un Pcb.

Vu la taille de la Led, il lui sera impossible d’échanger ses calories avec le monde extérieur, il en résultera une hausse de température amenant tout simple la Led à sa destruction.

Je voudrais faire également une parenthèse sur l’aspect thermique de tous composants électroniques en général. Cet aspect est trop souvent négligé, lors d’un choix d’un composant électronique, nous regardons souvent les courants, tensions admissibles par le composant pour faire un choix opportun, mais nous négligeons trop souvent l’aspect thermique.

Vous pourriez très bien utiliser un transistor en respectant les courants et tensions repris dans la datasheet et tout de même bruler ce dernier tout simplement parce que vous avez négligé l’aspect thermique. Pour une puissance donnée dissipée par le composant, si l’évacuation des calories est insuffisante, la température du semi-conducteur à l’intérieur peut vite atteindre des températures inacceptables.

 

Je vais essayer d’illustrer ceci avec le composant ci-dessous, c’est une résistance de puissance, qui d’après la datasheet peut dissiper 100W si on garantit que la température du boitier \(T_{C} \(est maintenue à 25°C. Il faut savoir que pour un composant de cette taille, il lui sera impossible d’éliminer suffisamment de calories avec le monde extérieur pour maintenir une température de boitier égale à 25°C. Tout composant à une résistance « boitier-ambiance » qui n’est jamais nulle. Donc imaginons que cette résistance soit placée dans un environnement dont la température est de 25°C, il faudrait une résistance bottier-ambiance égale à 0°C/W, ce qui est impossible. Il faudra pour utiliser cette résistance, un dissipateur de taille importance pour évacuer un maximum de calorie et ainsi garantir une pérennité dans son fonctionnement.

Si vous lisez ce qui est souligné en rouge dans le texte ci-dessous, sans dissipateur, cette résistance ne peut dissiper que seulement 3.5W à 25°C, ce qui est très loin des 100W annoncés. Je ne suis pas en train de dire que la datasheet est mensongère, mais qu’il faut prendre tout en considération lors d’un dimensionnement.

Vous pouvez également visualiser ces explications sur ma chaine Youtube:

 

Je vous mets également les liens vers les différentes ressources que j’ai utilisées pour réaliser cet article:

Würth Electronik:

Led Application guide

Webinar Thermal simulation.

Lumileds:

Thermal Measurement Guidelines

Assembly and Handling Information

Résistance de puissance:

Power Film Resistors TO-126, TO-220 and TO-247 Style

Heat Sink Mounting Guide

 

Voilà, bravo! Vous êtes arrivé au bout de cet article! Si vous avez des questions, n’hésitez pas à les poser en postant vos commentaires ci-dessous!

Bonne lecture et à bientôt sur « devenez pro en électronique »!

N’hésitez pas à partager cet article.

Denis.

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