Circuit imprimé : largeur de piste selon le courant et PCB aluminium pour LED

Quelle largeur donner à une piste pour qu’elle transporte un courant donné sans trop chauffer ? Le premier onglet applique la relation empirique de la norme IPC-2221 et calcule en plus la résistance de la piste et la chute de tension qu’elle provoque. Le second traite l’autre problème thermique du circuit imprimé : évacuer la chaleur d’une LED de puissance à travers un PCB sur aluminium, couche par couche, jusqu’au radiateur.

La relation IPC-2221

I = k × ΔT^0,44 × A^0,725
k = 0,048 (couche externe), 0,024 (couche interne)
A : section en mil², ΔT : échauffement en °C, I en A

La section obtenue est divisée par l’épaisseur de cuivre pour donner la largeur. Une couche interne, entourée d’époxy, évacue moins bien la chaleur : à courant égal, elle demande environ deux fois plus de section.

Cuivre	Épaisseur
0,5 oz/ft²	17,5 µm
1 oz/ft²	35 µm
2 oz/ft²	70 µm
3 oz/ft²	105 µm

Ne pas s’arrêter à l’échauffement

La chute de tension est souvent le vrai critère : 0,3 mm de cuivre 35 µm font environ 1,6 mΩ par millimètre, soit près de 80 mΩ sur 5 cm. À 1 A, cela fait déjà 80 mV perdus, beaucoup pour une alimentation 3,3 V ou une mesure de courant. La résistance est calculée à la température de la piste en charge (coefficient du cuivre 0,393 %/°C).

• La norme IPC-2221 date des années 1950 et est jugée prudente ; la norme IPC-2152, plus récente, tient compte des plans de cuivre voisins et donne souvent des pistes plus étroites.
• Les vias et les pastilles d’un connecteur sont des goulots d’étranglement : un via standard supporte de l’ordre de 1 A.
• Pour les forts courants, un plan de cuivre, un cuivre plus épais ou un renfort d’étain valent mieux qu’une piste très large.

PCB sur aluminium pour LED de puissance

Une LED de puissance transforme encore la majeure partie de son énergie électrique en chaleur, concentrée sur quelques millimètres carrés. Le FR-4, isolant thermique (environ 0,3 W/m·K), ne sait pas l’évacuer : c’est le rôle des circuits sur substrat métallique isolé (IMS, ou MCPCB). Une seule couche de cuivre est posée sur un diélectrique très mince, lui-même collé sur une semelle d’aluminium de 1 à 1,6 mm.

Le modèle de calcul

L’outil additionne les résistances thermiques en série, du point chaud de la LED jusqu’à l’air ambiant :

• jonction → pad : donnée par la fiche technique de la LED (souvent notée R_{th j-sp}, junction to solder point) ;
• brasure et cuivre : traversée verticale, faible ;
• diélectrique : c’est le goulot d’étranglement. Le cuivre étale d’abord la chaleur latéralement, comme une ailette : sur une longueur caractéristique L = √(k_cu·t_cu·t_d/k_d), environ 1 mm pour 35 µm de cuivre sur 100 µm de diélectrique. La surface utile du diélectrique est donc celle du pad élargie de L de chaque côté, dans la limite du cuivre disponible ;
• base métallique : la chaleur s’y étale à 45°, d’un carré de côté a à un carré de côté b, soit R = t / (k·a·b) ;
• interface thermique : pâte, pad ou adhésif entre la semelle et le radiateur, sur la surface atteinte par l’étalement dans la semelle ;
• radiateur : partagé par toutes les LED, il compte pour N × R_radiateur dans la chaîne de chacune.

Le modèle reste un modèle 1D amélioré : il donne le bon ordre de grandeur et surtout le poids relatif de chaque couche. Pour un dimensionnement serré, une simulation thermique ou une mesure (thermocouple sur le point de brasure, caméra thermique) reste nécessaire.

Ce que montrent les chiffres

• Le diélectrique pèse souvent plus que tout le reste du circuit : passer d’un diélectrique standard (1 W/m·K, 100 µm) à un diélectrique haute performance (2,2 W/m·K, 75 µm) gagne plus qu’épaissir la semelle.
• Une grande surface de cuivre autour du pad thermique aide, mais au-delà de 2 à 3 fois la longueur L, elle n’apporte plus rien : il vaut mieux du cuivre plus épais.
• Sur FR-4 sans vias, la même LED chauffe plusieurs dizaines de degrés de plus. Des vias thermiques sous le pad réduisent l’écart : un via de 0,3 mm métallisé à 25 µm dans 1,6 mm de FR-4 fait environ 190 K/W, il en faut donc une vingtaine en parallèle pour descendre vers 10 K/W.
• Les substrats à chemin thermique direct (DTP, direct thermal path) suppriment le diélectrique sous le pad thermique, qui touche directement une base en cuivre. Ils exigent une LED dont le pad thermique est électriquement neutre.

Contraintes de conception

• Une seule couche de routage en pratique, pas de trous métallisés traversant la semelle.
• Le diélectrique fixe aussi la tenue en tension entre les pistes et la semelle, de l’ordre de quelques kilovolts : un diélectrique plus mince conduit mieux la chaleur mais isole moins.
• La dilatation de l’aluminium (environ 23 ppm/°C contre 17 pour le cuivre et 6 à 7 pour une céramique de LED) fatigue les brasures en cyclage thermique : soigner le profil de refusion et éviter les très gros boîtiers céramiques.
• La découpe se fait à la fraise ou en V-cut avec des outils adaptés à l’aluminium : à prévoir avec le fabricant.