Dans le monde exigeant de l'électronique automobile, en particulier dans les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et les systèmes d'alimentation des véhicules électriques (VE), chaque décision de conception a un impact direct sur la sécurité, les performances et la fiabilité à long terme. C'est un champ de bataille défini par les vibrations, les fluctuations de température extrêmes et les risques d'arcs électriques à haute tension. Bien que la technologie de montage en surface (SMT) soit devenue courante en raison de sa haute densité et de ses avantages en matière d'automatisation, la technologie de soudure THT/à travers-trou, avec sa résistance mécanique inégalée, sa capacité de transport de courant supérieure et ses excellentes caractéristiques de gestion thermique, joue toujours un rôle central indispensable dans les applications haute tension et haute puissance telles que les chargeurs embarqués (OBC), les convertisseurs DC-DC et les modules de puissance basés sur SiC/GaN. Du point de vue d'un ingénieur avec des années d'expérience dans les groupes motopropulseurs de VE, cet article explore comment exploiter la technologie THT pour relever les multiples défis des exigences de qualité automobile.

Maîtriser les défis haute fréquence des semi-conducteurs à large bande interdite : Le fondement de la stabilité électrique du THT

L'application des semi-conducteurs à large bande interdite (SiC/GaN) remodèle les systèmes d'alimentation des véhicules électriques de manière sans précédent, améliorant considérablement la densité de puissance et l'efficacité. Cependant, leurs vitesses de commutation extrêmement élevées (dv/dt, jusqu'à des dizaines de kV/μs) sont une arme à double tranchant, posant de sérieux défis en matière d'interférences électromagnétiques (EMI) et de bruit de mode commun. Dans ces circuits de commande à commutation rapide, même la moindre inductance parasite peut être amplifiée par des courants changeant rapidement, entraînant des surtensions et des oscillations fatales qui menacent directement les dispositifs de puissance coûteux.

C'est là que la valeur des composants THT - tels que les transformateurs d'impulsions isolés, les condensateurs de filtrage à film de grande capacité et les connecteurs haute tension - devient évidente. Leurs connexions physiques robustes, formées par des broches solides pénétrant le PCB et enveloppées d'une soudure abondante, créent des nœuds électriques à impédance extrêmement faible. Comparés aux composants SMT, qui reposent uniquement sur des connexions de pastilles de surface, les THT réduisent efficacement l'inductance et la résistance parasites dans les boucles critiques, offrant une plateforme "silencieuse" et stable pour le contrôle de la commutation à grande vitesse.

Une conception réussie de commande SiC/GaN doit commencer par un examen DFM/DFT/DFA (Design for Manufacturability/Testability/Assembly) complet et rigoureux. Au stade précoce de la conception, nous devons adopter une approche de pensée systémique pour évaluer l'agencement des composants THT :

• Minimiser la surface de la boucle de commande: La boucle de courant formée par les broches côté primaire du transformateur d'isolement, les broches de sortie du circuit intégré de commande de grille, et les broches de grille et de source des dispositifs SiC/GaN doit être réduite au minimum absolu. Bien que les transformateurs THT soient plus volumineux, leur disposition flexible des broches permet aux ingénieurs de les placer aussi près que possible des dispositifs de puissance, minimisant ainsi le risque de couplage de bruit haute fréquence.
• Optimiser la conception des trous traversants: Il s'agit de bien plus que de simplement percer un trou. L'ajustement entre le diamètre du trou et le diamètre de la broche (généralement recommandé d'être 0,25-0,5 mm plus grand que le diamètre de la broche), la taille de l'anneau annulaire, et l'utilisation de pastilles de décharge thermique pour se connecter à de grandes zones de cuivre, tout cela a un impact direct sur la qualité de la soudure et l'impédance du chemin de courant. Dans les circuits de commande à grande vitesse, nous pouvons même éviter les pastilles de décharge thermique, optant pour des connexions directes afin d'atteindre l'impédance électrique la plus basse au prix d'une certaine commodité de soudure.
• Planification du chemin de masse: Les broches de masse des composants THT offrent un excellent point d'ancrage de masse à faible impédance. En reliant étroitement ces broches au plan de masse du PCB via plusieurs vias, un chemin de retour large et continu pour les courants haute fréquence peut être établi, ce qui est crucial pour la suppression du bruit en mode commun. HILPCB a accumulé une vaste expérience pratique dans la gestion de ces PCB haute fréquence, aidant les clients à anticiper et à atténuer les risques potentiels de performance électrique et de fiabilité causés par la disposition physique lors de la phase de conception schématique.

Construction de barrières de sécurité haute tension : Les avantages physiques du THT dans la conception de l'isolation électrique

À mesure que les plateformes de véhicules électriques évoluent vers 800V et des tensions encore plus élevées, l'isolation électrique est devenue une bouée de sauvetage pour assurer la sécurité des passagers, des techniciens de maintenance et de l'ensemble du véhicule. Dans les normes de sécurité (telles que IEC 60664-1), la distance de fuite (la distance la plus courte entre deux conducteurs mesurée le long de la surface de l'isolation) et la distance dans l'air (la distance en ligne droite la plus courte entre deux conducteurs mesurée à travers l'air) sont deux métriques fondamentales. Une conception insuffisante peut entraîner une rupture d'isolation ou un amorçage sous haute tension, avec des conséquences catastrophiques.

Le soudage THT/à trou traversant démontre ses avantages structurels inhérents dans ce domaine. Les broches des dispositifs d'isolation encapsulés en THT (tels que les optocoupleurs et les transformateurs d'isolation) et les condensateurs Y utilisés pour la suppression des EMI présentent intrinsèquement un espacement physique plus grand, offrant une base solide pour répondre aux normes de sécurité strictes. Plus important encore, la structure THT permet aux ingénieurs d'adopter des mesures d'amélioration de l'isolation plus complètes :

• Rainurage de PCB : Entre les broches THT haute tension, des fentes d'isolation peuvent être facilement fraisées dans le PCB. Cela coupe efficacement les chemins de fuite superficiels, forçant le courant à traverser des espaces d'air plus longs, augmentant ainsi considérablement la distance de fuite à un coût minimal. Obtenir le même effet avec des composants SMT est beaucoup plus complexe.
• Intégration de barrières physiques : La taille des composants THT permet une meilleure intégration avec des barrières physiques telles que des boîtiers en plastique et des cloisons isolantes, formant plusieurs couches de protection.

Cependant, dans des environnements difficiles comme l'humidité, la poussière et la condensation que les véhicules peuvent rencontrer au cours de leur cycle de vie, se fier uniquement à la distance physique est insuffisant. Les contaminants peuvent former des chemins conducteurs sur les surfaces isolantes, érodant progressivement la marge de sécurité conçue. Pour y remédier, le processus d'enrobage/encapsulation offre la solution ultime. Il implique d'encapsuler complètement l'ensemble du module PCBA avec des matériaux isolants comme l'époxy ou le silicone, formant une couche protectrice robuste et dense.

L'enrobage non seulement isole complètement l'humidité, la poussière et les produits chimiques corrosifs, mais améliore également considérablement la résistance mécanique du module, résistant efficacement aux vibrations et aux chocs continus pendant le fonctionnement du véhicule. Cependant, un enrobage réussi n'est pas une tâche facile, et un examen méticuleux DFM/DFT/DFA est tout aussi critique à ce stade :

• Éviter les Vides : Les bulles ou les vides formés lors du durcissement des matériaux d'enrobage peuvent être fatals. Sous haute tension, ces vides peuvent déclencher des décharges partielles, dégradant progressivement le matériau isolant au fil du temps et conduisant finalement à une panne. Pendant la phase DFM, il est essentiel de s'assurer que la disposition des composants THT ne crée pas de "zones mortes" qui entravent le flux et le dégazage du composé d'enrobage.
• Gestion du Stress : Différents matériaux ont des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents. Sous des cycles de température extrêmes (de -40°C à 125°C ou plus), les déséquilibres de CTE entre les matériaux d'enrobage et les composants THT (en particulier les condensateurs céramiques et les noyaux magnétiques) peuvent générer des contraintes mécaniques importantes, pouvant potentiellement provoquer la fissuration des composants ou la fatigue des joints de soudure. Le choix de matériaux d'enrobage flexibles à faible module et l'évitement des arêtes vives dans la conception sont des moyens efficaces d'atténuer le stress.

Relever les défis de la densité de puissance : Stratégies de gestion thermique THT dans les applications OBC/DC-DC

Dans les chargeurs embarqués (OBC) et les convertisseurs DC-DC, les topologies de commutation douce à haut rendement telles que LLC et PSFB sont des choix courants. Les composants principaux de ces circuits - transformateurs de puissance, inductances résonantes et condensateurs de filtre de sortie - sont tous des « géants de puissance » caractérisés par leur grande taille, leur poids élevé et leur forte génération de chaleur. Pour ces composants, l'adoption de la soudure THT/à trou traversant n'est pas seulement une considération pour la fiabilité mécanique, mais aussi un aspect critique des stratégies de gestion thermique.

L'unicité des connexions THT réside dans le fait que leurs broches, qui pénètrent le PCB, servent non seulement de chemins électriques mais aussi de conduits thermiques très efficaces. La chaleur peut être transférée de l'intérieur du composant via les broches directement vers les couches internes de cuivre du PCB ou même vers des dissipateurs thermiques sur le côté opposé. Pour maximiser cet effet, nous employons souvent des conceptions de PCB en cuivre épais, où l'épaisseur de cuivre interne ou externe peut atteindre 3oz (105μm) ou plus. Les trous traversants plaqués (PTH) des composants THT peuvent se connecter de manière transparente avec des plans de cuivre épais multicouches, formant un réseau de dissipation thermique tridimensionnel et très efficace qui diffuse rapidement les sources de chaleur localisées sur l'ensemble de la carte. Un joint de soudure THT bien conçu peut avoir une résistance thermique significativement plus faible qu'un joint de soudure SMT, ce qui est crucial pour améliorer la densité de puissance du système et prolonger la durée de vie des composants. Lors de l'assemblage de ces cartes de circuits imprimés complexes à technologie mixte (SMT+THT), le brasage à la vague traditionnel n'est plus suffisant, car il chauffe indistinctement l'ensemble du PCB et peut endommager les composants SMT sensibles à la température (tels que les microcontrôleurs et les capteurs) déjà montés. Dans ce contexte, la technologie de brasage sélectif à la vague devient la clé pour garantir la qualité. Elle utilise une buse de micro-soudure programmable et précise pour effectuer un brasage point par point sur les broches THT désignées. L'ensemble du processus est hautement contrôlable :

1. Application précise du flux: Le flux est pulvérisé ou dispensé uniquement sur les zones à souder, évitant ainsi la contamination d'autres régions.
2. Préchauffage localisé: La zone de brasage est préchauffée par le bas pour activer le flux et réduire le choc thermique pendant le brasage.
3. Brasage contrôlé: Des paramètres tels que la hauteur de la vague de soudure, le chemin de mouvement et le temps de contact peuvent être programmés indépendamment pour chaque joint de soudure, garantissant un mouillage complet de la soudure, la formation de congés et des joints de soudure brillants et robustes tout en minimisant l'impact thermique sur les composants adjacents.

Ce processus précis élimine les incohérences et les erreurs humaines potentielles associées au brasage manuel, servant de pierre angulaire pour atteindre une qualité de brasage THT de qualité automobile.

De la fabrication à la validation : Construire un processus en boucle fermée pour une qualité de niveau automobile

Une soudure THT/à trou traversant fiable ne s'obtient pas du jour au lendemain ; elle repose sur des processus de fabrication précis et des tests et validations rigoureux tout au long du flux de travail.

Côté fabrication, la soudure sélective à la vague est au cœur de la garantie de la cohérence de la soudure. En personnalisant les paramètres de soudure pour les joints de soudure ayant des capacités thermiques différentes (par exemple, les broches connectées à de grands plans de cuivre par rapport aux broches non connectées), les défauts courants tels que les soudures froides, l'insuffisance de soudure ou l'excès de soudure peuvent être efficacement évités. Côté vérification, en particulier pendant les étapes de production de prototypes et de petites à moyennes séries, le Flying Probe Test offre une solution de test inégalée, efficace et flexible. Contrairement au test in situ (ICT), qui nécessite des bancs de test à lits d'aiguilles coûteux et personnalisés pour chaque conception de PCB, les testeurs à sondes volantes utilisent 2 à 8 sondes mobiles indépendamment pour sonder directement l'assemblage de PCB (PCBA) sur la base des données CAO. Pour les modules de puissance de véhicules électriques (EV) densément peuplés de composants THT, sa valeur est démontrée par :

• Test d'isolation haute tension : Capable d'appliquer des tensions continues allant jusqu'à 1000 V ou plus, il mesure précisément la résistance d'isolation entre les réseaux haute tension et basse tension, ainsi qu'entre les réseaux haute tension et la masse du châssis. Cela vérifie l'efficacité des conceptions de lignes de fuite et de distances dans l'air, garantissant que les valeurs de résistance restent au niveau du GΩ.
• Évaluation Indirecte de la Qualité des Joints de Soudure : Grâce à des mesures précises à quatre fils (Kelvin), il peut détecter de légères anomalies de résistance dans les joints de soudure THT, ce qui peut indiquer des signes précoces de soudure froide ou de mauvais mouillage.
• Flexibilité et Itération Rapide : Lorsque des modifications de conception surviennent, seul le programme de test doit être mis à jour - aucune reprise de l'outillage matériel n'est nécessaire. Cela accélère considérablement le développement de produits et les cycles d'itération.

Plus important encore, en collectant systématiquement les données de défaillance du test à sonde volante (par exemple, quel joint de soudure présente une faible résistance d'isolation ou quel réseau présente des coupures intermittentes) et en les réintégrant dans le processus de révision DFM/DFT/DFA, nous établissons un système robuste d'amélioration de la qualité en boucle fermée. Par exemple, si les tests révèlent des défauts de soudure récurrents sur une broche spécifique d'un connecteur THT, les ingénieurs peuvent remonter pour inspecter sa conception de trou traversant, la configuration du pad de décharge thermique ou les paramètres de soudure à la vague sélective, abordant ainsi les causes profondes et améliorant continuellement la fabricabilité et la fiabilité à long terme du produit. HILPCB propose des services PCBA complets du prototypage à la production de masse, garantissant que chaque étape, de la révision de la conception aux tests finaux, est strictement conforme aux normes de qualité automobile.

Protection environnementale ultime : Pratiques approfondies de revêtement conforme et d'enrobage

L'environnement d'exploitation de l'électronique automobile est incomparable à celui de l'électronique grand public. Ils doivent supporter des températures extrêmes (de -40°C à +125°C), une humidité élevée, la corrosion par brouillard salin et des vibrations aléatoires continues tout au long de leur cycle de vie. Le revêtement conforme (revêtement protecteur/film conforme) est la première et la plus courante ligne de défense pour la protection des PCBA.

Il forme un film protecteur isolant transparent sur la surface de la carte de circuit imprimé, généralement d'une épaisseur de 25 à 75 μm, isolant efficacement les joints de soudure THT et les circuits sensibles de l'érosion environnementale. Le choix des matériaux est essentiel dans les applications automobiles :

• Silicone : Offre une excellente stabilité aux hautes/basses températures et une grande flexibilité, s'adaptant bien aux contraintes des cycles thermiques, ce qui en fait le choix privilégié pour les applications de groupe motopropulseur.
• Uréthane : Offre une résistance supérieure aux produits chimiques et à l'abrasion, adapté aux zones exposées aux huiles ou aux fluides.
• Acrylique : Facile à appliquer et à retravailler, mais avec une résistance chimique et aux hautes températures légèrement plus faible.

La pulvérisation automatisée sélective est actuellement le processus de revêtement le plus avancé, permettant un contrôle précis des zones de revêtement tout en évitant les connecteurs, les points de test et d'autres régions non protégées, garantissant une épaisseur de film uniforme et constante. La propreté de la PCBA avant le revêtement est un facteur décisif de succès - tout résidu de flux ou contaminant peut entraîner une corrosion sous le film ou une adhérence réduite. Pour les composants exposés aux environnements les plus rudes, tels que les contrôleurs de groupe motopropulseur, les systèmes de gestion de batterie (BMS) ou les modules onduleurs, le potting/l'encapsulation offre un niveau de protection supérieur, presque "indestructible". Comme mentionné précédemment, il encapsule l'ensemble du module dans un polymère robuste, le rendant complètement étanche, anti-poussière et très résistant aux vibrations. La sélection des matériaux de potting est tout aussi scientifique, nécessitant une évaluation complète de la rigidité diélectrique, de la conductivité thermique, de la viscosité, du temps de durcissement et des propriétés mécaniques pour correspondre à des scénarios d'application spécifiques.

Qu'il s'agisse de revêtement conforme ou de potting/encapsulation, la mise en œuvre réussie repose fortement sur un contrôle précis des profils, des hauteurs et des agencements des composants THT, nous ramenant au point de départ de la conception - un processus DFM bien réfléchi.

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Conclusion

En résumé, la technologie de soudure THT/à trou traversant est loin d'être obsolète dans les systèmes de puissance ADAS et EV automobiles qui exigent une puissance élevée, une haute tension et une fiabilité extrême - elle reste une pierre angulaire d'ingénierie irremplaçable. Pour maîtriser avec succès cette technologie, une stratégie complète et systématique englobant la conception, la fabrication, les tests et la protection finale est essentielle. Cela commence par des examens DFM/DFT/DFA approfondis pendant la phase de conception initiale pour optimiser les performances électriques, thermiques et mécaniques ; emploie des processus de précision comme le soudage à la vague sélective pendant la fabrication pour garantir la qualité de la soudure ; valide rigoureusement la qualité par des méthodes avancées telles que le test par sonde volante, formant une boucle d'amélioration basée sur les données ; et enfin, applique des mesures de protection avancées comme le revêtement conforme ou l'enrobage/l'encapsulation pour protéger le produit. Ce n'est qu'en intégrant étroitement ces étapes comme un tout organique que nous pourrons développer des systèmes électroniques automobiles de nouvelle génération qui répondent véritablement aux normes de sécurité et de fiabilité de la prochaine décennie.

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