Dans les centres de données, les véhicules à énergie nouvelle et les domaines de l'automatisation industrielle d'aujourd'hui, les systèmes d'alimentation électrique et de refroidissement sont confrontés à des défis sans précédent en matière de densité de puissance et de gestion thermique. En tant qu'ingénieur spécialisé dans la conformité EMI/CEM et la sécurité, je comprends que chaque décision de conception a un impact direct sur la fiabilité finale et l'accès au marché d'un produit. Parmi celles-ci, le refusion BGA à faible vide n'est pas seulement une technique de fabrication, mais une pierre angulaire pour assurer la gestion thermique, les performances électriques et la conformité à la sécurité à long terme dans les dispositifs de haute puissance. Un vide de joint de soudure apparemment mineur peut devenir le déclencheur d'une défaillance thermique, d'un dépassement EMI ou même d'incidents de sécurité dans un système entier. Cet article examinera comment relever ces défis sévères grâce à une excellente conception de PCB et à des processus de fabrication, du point de vue des espacements de sécurité, des chemins de décharge et des réseaux de filtrage.
Refusion BGA à faible vide : Pourquoi est-il la pierre angulaire de la sécurité et de la CEM dans les systèmes d'alimentation électrique et de refroidissement ?
Dans les systèmes d'alimentation électrique et de refroidissement, les dispositifs BGA (Ball Grid Array) haute puissance, tels que les FPGA, les ASIC et les CI de gestion de l'alimentation, sont le cœur du système. Ils génèrent une chaleur importante pendant le fonctionnement, qui doit être efficacement conduite vers le PCB via les billes de soudure situées au bas du BGA, en particulier le pad thermique central. L'objectif du refusion BGA à faible vide est de minimiser la proportion de bulles ou de vides dans les joints de soudure. Du point de vue de l'EMI/CEM et de la sécurité, les dangers des vides sont multiples :
- Formation de points chauds et risques de sécurité : Les vides augmentent considérablement la résistance thermique, entravant la conduction de la chaleur de la puce vers le PCB. Cela entraîne des augmentations localisées et importantes de la température, formant des points chauds. Un échauffement prolongé non seulement accélère le vieillissement de la puce et réduit sa fiabilité, mais peut également provoquer une décomposition thermique du matériau, entraînant de graves incidents de sécurité tels que de la fumée ou un incendie.
- Dégradation des performances électriques et EMI : Dans les applications à haute fréquence ou à courant élevé, les vides dans les joints de soudure modifient les chemins de courant, augmentant la densité de courant localisée et l'inductance parasite. Cela affecte non seulement l'intégrité du signal, mais crée également des sources potentielles de rayonnement EMI. Particulièrement dans les chemins d'alimentation, les connexions instables introduisent du bruit, interférant avec les circuits sensibles.
- Concentration des contraintes mécaniques : Les vides affaiblissent la résistance mécanique des joints de soudure, les rendant sujets à la fissuration sous l'effet des vibrations ou des cycles thermiques, ce qui entraîne des défaillances électriques intermittentes ou permanentes.
Par conséquent, l'obtention de faibles taux de vides tout au long du processus d'assemblage SMT est une condition préalable à la mise en œuvre efficace de toutes les conceptions de sécurité et de CEM ultérieures. Une qualité de soudure fiable est la garantie physique qui assure que tous les efforts de conception portent leurs fruits.
Distances d'isolement et lignes de fuite : La ligne de sécurité dans les environnements à haute densité de puissance
Avec l'application de boîtiers haute densité comme les BGA, les agencements de composants sur les PCB deviennent de plus en plus compacts, posant des défis significatifs pour répondre aux exigences de lignes de fuite et de distances d'isolement imposées par les normes de sécurité.
- Distance d'isolement (Clearance): La distance la plus courte en ligne droite entre deux parties conductrices dans l'air. Elle prévient principalement les amorçages causés par la rupture diélectrique de l'air. Lors de la conception d'entrées haute tension ou d'alimentations isolées, une stricte adhésion aux normes de sécurité comme la CEI 62368-1 est essentielle, basée sur la tension de fonctionnement, le degré de pollution et le groupe de matériaux.
- Ligne de fuite (Creepage): La distance la plus courte entre deux parties conductrices le long de la surface d'un matériau isolant. Elle prévient les phénomènes de cheminement causés par la contamination de surface et l'humidité.
Dans les conceptions impliquant des BGA haute puissance sur des PCB en cuivre épais, les défis sont particulièrement prononcés. Les vias et les pistes denses sous les BGA, ainsi que la séparation des plans d'alimentation et de signal, rendent extrêmement difficile le maintien d'une distance suffisante entre les zones de haute tension et les zones de sécurité très basse tension (SELV). Nos stratégies de conception incluent :
- Partitionnement Rationnel: Lors de la conception initiale du PCB, délimitez clairement les zones dangereuses haute tension et les zones de sécurité basse tension, et établissez des zones d'isolation physiques entre elles, telles que des fentes ou l'utilisation de barrières isolantes.
- Optimisation du Routage: Dans les zones de haute tension, les pistes doivent être aussi lisses que possible, en évitant les angles vifs pour réduire la concentration du champ électrique.
- Sélection des Composants: Choisissez des connecteurs et des composants avec des tailles de boîtier plus grandes et des pas de broches plus larges pour offrir une marge suffisante pour les exigences de distance de fuite.
- Protection par Revêtement: L'application d'un Revêtement conforme (conformal coating) sur le produit final peut améliorer considérablement les performances d'isolation et la résistance à la pollution, permettant ainsi une certaine réduction des exigences de distance de fuite.
Tout au long des phases NPI EVT/DVT/PVT (Tests de Validation d'Ingénierie/Conception/Production pour l'Introduction de Nouveaux Produits), nous examinons et testons à plusieurs reprises ces dégagements de sécurité pour nous assurer que la conception répond aux exigences réglementaires dans diverses conditions environnementales.
Processus de Mise en Œuvre : Conception et Vérification des Dégagements de Sécurité
- Étape 1 : Interprétation des Normes et Définition des Exigences - Déterminer les normes de sécurité applicables (par exemple, IEC/UL 62368-1) en fonction du scénario d'application du produit et du marché cible, et définir la tension de fonctionnement, le degré de pollution et les exigences d'isolation pour chaque réseau de circuits.
- Étape 2 : Partitionnement du Layout PCB – Pendant la phase de Layout, utilisez des zones d'exclusion pour délimiter clairement les circuits primaires et secondaires et planifier les barrières d'isolation (par exemple, fentes, ponts isolants).
- Étape 3 : Configuration des Règles DRC – Configurez des règles précises de distance d'isolement et de ligne de fuite dans les outils EDA pour effectuer des vérifications en temps réel sur les réseaux haute tension et prévenir les erreurs de conception.
- Étape 4 : Validation du Prototype – Pendant la phase NPI EVT/DVT/PVT, vérifiez si le prototype physique répond aux exigences de conception par des tests de rigidité diélectrique (test Hipot) et une inspection visuelle.
- Étape 5 : Examen Final – Effectuez un examen interne complet avant de soumettre les documents à des organismes de certification de sécurité tiers pour vous assurer que tous les documents de conception et rapports de test sont complets et précis.
Chemin de Décharge et Disposition des Condensateurs Y : Équilibrer Sécurité et CEM
Dans la conception d'alimentations à découpage, le condensateur Y (condensateur Y) est un composant critique connecté entre les masses du côté primaire (côté haute tension) et du côté secondaire (côté basse tension de sécurité). Il fournit un chemin de retour à faible impédance pour le bruit de mode commun et constitue un moyen efficace de supprimer les perturbations conduites EMI. Cependant, le condensateur Y introduit également un problème de sécurité : il crée un chemin de courant de fuite (courant de fuite) entre les lignes d'entrée CA et la terre de protection (PE).
Compromis entre sécurité et CEM :
- Exigences CEM: Pour mieux filtrer le bruit de mode commun haute fréquence, il est souhaitable de maximiser la valeur de capacité du condensateur Y et de le placer aussi près que possible de la source de bruit (par exemple, transformateur ou interrupteur de puissance).
- Limites des réglementations de sécurité: Les dispositifs médicaux, l'électronique grand public et d'autres produits imposent des restrictions extrêmement strictes sur le courant de fuite (généralement inférieures à quelques centaines de microampères, voire des dizaines de microampères), ce qui exige que la valeur de capacité des condensateurs Y ne soit pas excessivement grande.
Stratégies de conception :
- Sélection rigoureuse des condensateurs Y: Il est essentiel d'utiliser des condensateurs certifiés selon les normes de sécurité (telles que les classifications Y1, Y2), qui tombent en panne en circuit ouvert pour éviter les risques de choc électrique.
- Disposition Optimisée: Placez les condensateurs Y aux points les plus proches entre la masse du côté primaire et la masse du côté secondaire, avec des chemins courts et épais pour maximiser leur efficacité de filtrage haute fréquence. Dans les PCB multicouches, l'effet de capacité intercouche des plans adjacents peut être exploité pour faciliter le découplage haute fréquence.
- Résistance de Décharge: Pour les condensateurs X connectés entre les lignes sous tension (L) et neutre (N), une résistance de décharge doit être connectée en parallèle. Lorsque l'appareil est éteint, cette résistance peut décharger la tension résiduelle sur le condensateur à un niveau sûr en une seconde, évitant ainsi les chocs électriques lorsque les utilisateurs touchent la fiche.
Chez HILPCB, nous ne nous concentrons pas seulement sur la fabrication de PCB, mais fournissons également des conseils professionnels DFM (Design for Manufacturability) et DFA (Design for Assembly) pendant la phase de conception. Cela garantit que la disposition des composants de sécurité critiques comme les condensateurs Y répond à la fois aux performances CEM et aux normes de sécurité mondiales.
Suppression du Bruit de Mode Commun/Mode Différentiel : Des Réseaux de Filtres aux Stratégies de Mise à la Terre
Les dispositifs de commutation (par exemple, les MOSFET) dans les systèmes d'alimentation sont les principales sources de bruit, générant à la fois du bruit de mode commun (CM) et de mode différentiel (DM). Un filtrage EMI et une conception de mise à la terre efficaces sont essentiels pour contrôler ces bruits.
- Bruit en mode différentiel: Circule entre la ligne de signal et son chemin de retour et peut être supprimé en connectant une inductance DM en série ou un condensateur X en parallèle le long du chemin.
- Bruit en mode commun: Circule dans la même direction entre les lignes de signal/alimentation et la masse, principalement supprimé à l'aide de selfs de mode commun (CM Chokes) et de condensateurs Y.
L'importance de la stratégie de mise à la terre : Un système de mise à la terre clair et à faible impédance est le fondement de toutes les mesures de contrôle EMI. La conception de la mise à la terre devient particulièrement complexe lorsqu'il s'agit de dispositifs BGA de haute puissance :
- Mise à la terre multipoint vs. mise à la terre monopoint: Dans les circuits basse fréquence, la mise à la terre monopoint évite les problèmes de boucles de masse. Cependant, dans les systèmes à signaux mixtes avec des circuits numériques à haute vitesse et des alimentations à découpage haute fréquence, la mise à la terre multipoint ou la mise à la terre par plan est préférable, car elle offre le chemin de retour le plus court pour les courants haute fréquence.
- Partitionnement et connexion de la masse: Il est souvent nécessaire de partitionner les masses numériques, analogiques et de puissance pour éviter le couplage croisé du bruit. Ces masses sont finalement connectées à un point de masse commun (généralement près de l'entrée d'alimentation) ou via des connexions "douces" comme des perles de ferrite ou de petites résistances.
- Mise à la masse sous BGA: Le plan de masse sous un BGA doit être complet et continu. Un placement stratégique des vias de masse au sein du réseau de billes BGA, directement connectés au plan de masse, fournit des chemins de retour à faible inductance pour les signaux et l'alimentation. Ceci est essentiel pour assurer l'intégrité du signal et contrôler les EMI.
Lors des processus complexes d'assemblage SMT, s'assurer que ces vias de masse et points de connexion sont correctement soudés sans défaut est essentiel pour réaliser l'intention de conception. Cela souligne une fois de plus l'importance des processus de refusion BGA à faible vide — une connexion de masse solide commence par un joint de soudure fiable.
Rappels clés : Principes fondamentaux de la conception EMI/EMC
- Suppression de la source : Optimiser di/dt et dv/dt dans les circuits de commutation, employer des techniques de commutation douce pour réduire la génération de bruit à la source.
- Contrôle du chemin : Fournir le chemin de retour le plus court et le plus direct pour les courants haute fréquence. Maintenir l'intégrité du plan de masse et éviter le routage par segmentation croisée.