Dans la conception des onduleurs d'énergie renouvelable (tels que les systèmes photovoltaïques et de stockage d'énergie), la densité de puissance et la fiabilité à long terme sont les deux piliers fondamentaux qui déterminent le succès ou l'échec. En tant qu'ingénieurs de conformité au réseau et à la sécurité, nous comprenons que dans les systèmes gérant régulièrement des centaines de volts et des milliers d'ampères, la défaillance d'un seul point de connexion peut déclencher une réaction en chaîne, entraînant des arrêts du système, des réparations coûteuses sur site, ou même des incidents de sécurité catastrophiques. Par conséquent, bien que la technologie de montage en surface (SMT) soit devenue courante, la soudure THT/à trou traversant reste un processus essentiel indispensable dans les circuits d'étage de puissance haute tension et fort courant en raison de sa résistance mécanique et de sa fiabilité électrique inégalées. C'est bien plus qu'une simple méthode de fixation de composants - c'est la pierre angulaire qui garantit que les onduleurs peuvent fonctionner de manière stable pendant plus de vingt ans dans des conditions extérieures difficiles, des cycles extrêmes de température et d'humidité, et des vibrations mécaniques continues.

Cet article examinera en profondeur le rôle critique de la soudure THT/à trou traversant dans la conception et la fabrication modernes des PCB d'onduleurs. Il analysera en détail comment elle répond aux défis électriques et thermodynamiques extrêmes posés par les barres omnibus et les bornes à courant élevé, et explorera comment elle synergise avec la gestion thermique avancée, les stratégies de suppression EMI et les systèmes de traçabilité sur l'ensemble du cycle de vie pour finalement atteindre une conversion d'énergie efficace, sûre et fiable.

Barres omnibus et bornes : La physique derrière le soudage THT dans les connexions de puissance

Le cœur d'un onduleur d'énergie renouvelable réside dans son circuit de puissance, qui convertit efficacement l'électricité DC en électricité AC compatible avec le réseau. Les courants impliqués dans ce processus sont d'ordres de grandeur supérieurs à ceux de l'électronique grand public. Ces courants élevés doivent être transmis sans perte à travers des barres omnibus robustes et des bornes à usage intensif, à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du PCB. Contrairement aux joints de soudure SMT, qui ne forment des connexions que sur la surface du PCB, le soudage THT/à trou traversant implique l'insertion des broches des composants à travers des trous traversants métallisés (PTH) dans le PCB. La soudure fondue forme des joints robustes des deux côtés du PCB tout en réalisant une liaison métallurgique à 360 degrés le long des parois du trou. Cette structure, semblable au béton armé dans la construction, offre une résistance exceptionnelle aux vibrations et aux contraintes mécaniques, ce qui en fait le seul choix fiable pour la fixation de composants de puissance lourds tels que les grandes inductances, les condensateurs de filtrage et les modules IGBT.

Les avantages et les inconvénients de cette méthode de connexion se reflètent directement dans deux paramètres physiques clés : la résistance de contact et l'élévation thermique.

1. Minimisation de la Résistance de Contact: Une soudure THT de haute qualité peut atteindre une résistance de contact aussi basse que des micro-ohms (μΩ). Cela est dû à sa vaste surface de contact et à sa liaison métallurgique sans interstice, empêchant efficacement les augmentations de résistance causées par un mauvais contact microscopique ou une oxydation à long terme. Considérons un calcul simple : Si un point de connexion transporte un courant de 500A et que sa résistance de contact est seulement 1 milliohm (mΩ) plus élevée que l'état idéal, la formule de puissance P = I²R révèle que ce point générera 500² × 0,001 = 250 watts de chaleur excessive. Cela représente non seulement un gaspillage d'énergie significatif - réduisant potentiellement l'efficacité du système de plusieurs points de pourcentage - mais crée également un point chaud dangereux qui pourrait entraîner la fusion de la soudure, la carbonisation du substrat de la carte de circuit imprimé et, finalement, des risques d'incendie.
2. Contrôle Efficace de l'Élévation de Température: Une faible résistance de contact entraîne directement une faible élévation de température. Pendant la phase de conception initiale, en particulier lors des étapes NPI EVT/DVT/PVT (New Product Introduction Engineering/Design/Production Validation), nous devons effectuer des simulations thermiques détaillées (CFD) et des analyses de contraintes mécaniques (FEA) pour chaque structure de connexion THT critique. Il ne s'agit pas seulement de calculs théoriques, mais cela nécessite également la construction de prototypes pendant la phase DVT et la réalisation de mesures réelles à l'aide d'imagerie thermique sous pleine charge, surcharge et même conditions de court-circuit pour garantir que l'élévation de température reste dans la marge de conception. Ceci est particulièrement important pour les applications impliquant des PCB à Cuivre Épais. Les couches de cuivre épaisses (par exemple, 6oz ou plus) peuvent transporter des courants élevés mais agissent également comme de massifs dissipateurs de chaleur, évacuant rapidement la chaleur pendant le brasage, ce qui rend difficile la fusion complète de la soudure dans les trous. Cela impose des exigences extrêmement élevées sur l'apport d'énergie et la gestion de la chaleur du processus de brasage ; sinon, des "soudures froides" ou des remplissages incomplets peuvent se produire, créant des risques de défaillance à long terme.

Synergie Sertissage et Soudure : L'Art de Construire une Fenêtre de Processus à Haute Fiabilité

Dans l'assemblage des modules de puissance, le sertissage et la soudure sont les deux principales technologies de connexion. Le sertissage utilise une force mécanique pour lier fermement les bornes et les fils, offrant rapidité et sans besoin de chauffage, mais sa fiabilité à long terme dépend fortement d'outils précis et d'une parfaite correspondance des spécifications des bornes et des fils. Toute moindre déviation, telle que l'usure de l'outil, la tolérance du diamètre du fil ou les variations de la technique de l'opérateur, peut entraîner une force de sertissage insuffisante ou excessive. La première cause un mauvais contact et une résistance accrue, tandis que la seconde endommage le fil, réduisant sa résistance à la fatigue. Au fil du temps, les effets de fluage du matériau peuvent également réduire la force de sertissage, surtout après des cycles thermiques fréquents.

En revanche, la soudure THT/à trou traversant offre une liaison métallurgique plus stable et prévisible. La couche de composé intermétallique (IMC) formée entre la soudure, les broches et le cuivre de la paroi du trou assure des connexions permanentes et électriquement stables. Dans les domaines où la fiabilité est primordiale (par exemple, l'aérospatiale, le contrôle industriel haut de gamme), nous adoptons même une stratégie de redondance "sertissage + soudure" : le sertissage assure la fixation mécanique et une connexion électrique préliminaire, tandis que la soudure forme un chemin électrique permanent étanche et à faible résistance pour garantir une connectivité à sécurité intégrée. Définir et contrôler strictement la fenêtre du processus de soudage est au cœur de l'obtention de joints de soudure THT de haute qualité. Un fournisseur professionnel de PCBA clé en main, tel que HILPCB, doit maîtriser des processus de soudage complexes. Pour les composants THT, le soudage à la vague automatisé ou le soudage sélectif sont principalement utilisés :

• Soudage à la vague: Convient aux cartes avec de nombreux composants THT, offrant une grande efficacité mais un choc thermique important, nécessitant une protection pour les composants SMT proches.
• Soudage sélectif: Utilise une buse de soudage miniature pour souder précisément des joints THT individuels ou quelques-uns. Il permet des paramètres de soudage personnalisés (temps de préchauffage, température de soudage, temps de contact) pour chaque joint, répondant parfaitement aux défis de gestion thermique dans les PCB à cuivre épais ou les cartes à technologie mixte haute densité tout en minimisant l'impact thermique sur les composants environnants.

Tout au long du processus NPI EVT/DVT/PVT, nous validons à plusieurs reprises ces processus par le biais de DOE (Design of Experiments) afin de fixer les paramètres de production optimaux et de les consolider dans le flux de travail de production, garantissant une qualité élevée et constante pour chaque carte en production de masse.

Co-conception EMI et de Gestion Thermique pour les Connexions à Courant Élevé

Au niveau du système, la conception des connexions THT va bien au-delà des considérations mécaniques et électriques. Suppression des interférences électromagnétiques (EMI) : Les chemins à courant élevé sont les principales sources d'EMI. Le di/dt généré par la commutation haute fréquence crée une tension induite significative sur les boucles de courant, entraînant un bruit conduit et rayonné. Les broches et pastilles de connexion THT introduisent intrinsèquement une inductance et une capacité parasites. L'optimisation de la conception doit minimiser la longueur physique des boucles de courant de puissance grâce à des améliorations de la disposition et utiliser des plans de masse de cartes multicouches pour réduire la surface de boucle. La structure robuste des composants THT les rend idéaux comme points d'ancrage pour la mise à la terre "en îlot" ou les boîtiers de blindage. En soudant plusieurs broches de blindage à la couche de masse du PCB, un chemin à faible impédance vers la masse est créé pour le bruit haute fréquence, supprimant efficacement les fuites EMI. Synergie de la gestion thermique : Les joints de soudure THT eux-mêmes servent de canaux efficaces de dissipation de la chaleur. De grandes broches métalliques et des trous traversants plaqués peuvent rapidement conduire la chaleur des dispositifs de puissance (par exemple, MOSFET, IGBT) vers des couches à haute conductivité thermique (PCB à haute conductivité thermique) ou directement vers des dissipateurs thermiques montés à l'arrière du PCB. Cette conception de "refroidissement au niveau de la carte" est étroitement liée au processus final d'Enrobage/Encapsulation. Bien que les matériaux d'enrobage (par exemple, l'époxy ou le silicone) offrent une excellente isolation, une résistance à l'humidité et une protection contre les vibrations, leur conductivité thermique est généralement bien inférieure à celle du cuivre. Cela signifie que l'enrobage modifie le chemin de dissipation thermique original, piégeant la chaleur à l'intérieur. Ainsi, la co-simulation pendant la phase de conception est essentielle, traitant le refroidissement des composants THT, la conduction thermique de la couche de cuivre du PCB et la conductivité thermique du matériau d'enrobage comme un système intégré pour garantir que les températures de jonction des dispositifs centraux restent dans des limites sûres dans les conditions les plus défavorables. Pour les onduleurs modernes intégrant une logique de contrôle numérique complexe, cette co-conception devient encore plus difficile. Le cœur de contrôle est généralement constitué de puces BGA (Ball Grid Array) haute densité. Tout en garantissant la qualité de soudure THT pour les dispositifs de puissance, la qualité de refusion BGA à faible vide pour les puces de contrôle doit également être garantie. Les vides dans les joints de soudure BGA compromettent les performances thermiques et la fiabilité à long terme. Ces deux aspects sont mutuellement contraignants en fabrication : la masse thermique substantielle des composants THT affecte l'uniformité du profil de température de refusion BGA. Cela représente le test ultime des capacités techniques d'un fournisseur de PCBA clé en main, nécessitant un contrôle précis des processus et une expertise approfondie dans la fabrication de technologies mixtes.

Maintenance et Remplacement : Le difficile compromis entre la fiabilité des connexions et la facilité d'entretien sur le terrain

La robustesse des connexions de soudure THT/à trou traversant signifie qu'elles nécessitent rarement une maintenance tout au long de la durée de vie d'un produit. Ceci est essentiel pour les onduleurs installés dans des endroits éloignés (par exemple, les centrales photovoltaïques dans les déserts ou les parcs éoliens offshore), car tout service sur le terrain entraîne des coûts élevés de main-d'œuvre, de transport et d'immobilisation. Cependant, cette fiabilité extrême s'accompagne également du défi des réparations difficiles. Le remplacement d'un composant de puissance THT multipin est bien plus complexe que le remplacement d'un composant SMT. Il nécessite un équipement de reprise professionnel (tel qu'un poste de travail combiné avec un pistolet à air chaud et une pompe à dessouder) et des techniciens expérimentés. Autrement, pendant le processus de démontage, la structure multicouche du PCB ou les pastilles de soudure peuvent facilement être endommagées en raison d'une surchauffe, entraînant la mise au rebut de l'ensemble de la coûteuse PCBA.

Par conséquent, pendant les phases NPI EVT/DVT/PVT, l'équipe de conception doit soigneusement équilibrer la fiabilité et la maintenabilité. Une leçon typique tirée d'un échec est la suivante : une conception précoce d'onduleur soudait directement tous les dispositifs de puissance à la carte mère et encapsulait l'unité entière. Lorsqu'un module IGBT tombait en panne en raison d'un impact de surtension, l'onduleur entier devait être remplacé dans son ensemble, ce qui faisait grimper en flèche le coût total de possession (TCO) du client. Dans les conceptions ultérieures, l'équipe a tiré les leçons de cet échec et a repensé les modules vulnérables ou évolutifs pour qu'ils se connectent à la carte mère via des connecteurs THT de haute fiabilité, tandis que les chemins d'alimentation centraux, moins sujets aux pannes, ont continué à utiliser la soudure directe pour assurer une fiabilité ultime. L'enrobage/encapsulation a également été modularisé, réduisant encore la complexité et les coûts de réparation. Ces décisions ont un impact profond sur la compétitivité du produit sur le marché et la satisfaction du client.

Processus Mature et Contrôlable : S'appuie sur des fenêtres de processus précises (température, temps) et des équipements automatisés (soudure sélective/soudure à la vague) pour obtenir des joints de soudure de haute qualité, très cohérents et reproductibles, répondant aux normes industrielles et automobiles rigoureuses.