Comprendre les PCB à substrat d'aluminium : types et avantages

Les circuits imprimés (PCB) sont des composants essentiels de la quasi-totalité des appareils électroniques. Ce guide vous permettra de mieux comprendre les PCB et vous présentera les différents types de substrats en aluminium ainsi que les difficultés courantes rencontrées lors de leur duplication. Si les PCB ou le contenu de cet article vous intéressent, n'hésitez pas à poursuivre votre lecture.

Qu'est-ce qui distingue les PCB à substrat d'aluminium ?

Nous avons précédemment abordé les avantages et les inconvénients des circuits imprimés en céramique, notamment leur coût élevé et leur fragilité. Les circuits imprimés en fibre de verre classiques présentent une dissipation thermique insuffisante, tandis que les circuits imprimés en céramique sont stables et résistants à la déformation dans des environnements à haute température et forte humidité. Cependant, ils sont onéreux et principalement utilisés dans des produits haut de gamme. Si votre produit n'est pas haut de gamme, comme par exemple les cartes d'éclairage LED haute puissance de grande surface qui nécessitent une bonne dissipation thermique mais un coût abordable, existe-t-il un matériau adapté ?

La réponse est oui, et c'est là qu'interviennent les circuits imprimés à substrat aluminium. L'aluminium, métal conducteur, peut sembler un choix surprenant pour un matériau de circuit imprimé , mais les circuits imprimés à substrat aluminium sont composés de trois couches : une feuille de cuivre, une couche isolante et une couche d'aluminium métallique. Puisqu'il existe une couche isolante, peut-on utiliser d'autres matériaux que l'aluminium pour la couche métallique ? Des matériaux comme le cuivre, l'acier inoxydable, le fer, l'acier au silicium, etc. ? Lors du choix du substrat métallique, il convient de prendre en compte des facteurs tels que le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la résistance, la dureté, le poids, l'état de surface et le coût.

En général, compte tenu du coût et des performances techniques, l’aluminium constitue un choix idéal. Les choix courants pour les cartes en aluminium incluent 6061, 5052, 1060, etc. S'il existe des exigences plus élevées en matière de conductivité thermique, de performances mécaniques, de performances électriques et d'autres propriétés spéciales, le cuivre, l'acier inoxydable, le fer et l'acier au silicium peuvent également être utilisés.

Courants dans les produits d'éclairage LED, les PCB à substrat d'aluminium ont deux faces : une face blanche pour souder les broches LED et l'autre face est de couleur aluminium naturel, généralement recouverte de pâte thermique pour entrer en contact avec la partie conductrice de chaleur. Ils sont principalement utilisés dans les luminaires LED, les équipements audio, les équipements électriques, etc., leur principal avantage étant une conduction thermique rapide et d'excellentes performances de dissipation thermique.

Comparées aux cartes de circuits imprimés traditionnelles en FR-4 , les cartes à substrat en aluminium permettent de minimiser la résistance thermique, offrant ainsi une excellente conduction de la chaleur ; comparées aux substrats en céramique, elles présentent d'excellentes propriétés mécaniques.

 Types de substrats en aluminium pour PCB

1. Substrats en aluminium flexibles : L’une des dernières avancées en matière de matériaux IMS concerne les diélectriques flexibles. Ces matériaux offrent une excellente isolation électrique, une grande flexibilité et une conductivité thermique optimale. Appliqués à des matériaux comme le 5754 ou un aluminium flexible similaire, ils permettent de réaliser des formes et des angles variés, éliminant ainsi le besoin de fixations, de câbles et de connecteurs coûteux. Bien que flexibles, ces matériaux sont conçus pour se plier et rester en place.

2. Substrats hybrides en aluminium : Dans une structure IMS « hybride », les substances non thermiques sont traitées indépendamment puis liées au substrat en aluminium à l’aide d’un matériau thermique. La structure la plus courante se compose de 2 ou 4 couches de sous-composants en FR-4 traditionnel, collées à la base en aluminium par un diélectrique thermoconducteur. Ceci favorise la dissipation thermique, améliore la rigidité et assure un blindage. Autres avantages :

• • Coût inférieur à celui de la construction de tous les matériaux thermiques.
  • Meilleures performances thermiques que les produits FR-4 standards.
  • Élimination des dissipateurs thermiques coûteux et des étapes d’assemblage associées.
  • Convient aux applications RF nécessitant des couches de surface en PTFE pour les caractéristiques de perte RF.
  • Utilisation de fenêtres de composants en aluminium pour accueillir des composants traversants, permettant aux connecteurs et aux câbles de passer à travers la carte tout en soudant les coins arrondis pour créer un joint, sans avoir besoin de rondelles spéciales ou d'autres adaptateurs coûteux.

3. Substrats multicouches en aluminium : Sur le marché des alimentations hautes performances, les circuits imprimés IMS multicouches sont constitués de plusieurs couches de diélectrique thermique. Ces structures comportent une ou plusieurs couches de circuits intégrées dans le diélectrique, avec des vias borgnes servant de vias thermiques ou de chemins de signal. Bien que les conceptions monocouches soient plus coûteuses et moins efficaces en termes de transfert thermique, elles constituent une solution de dissipation thermique simple et efficace pour les conceptions plus complexes.

4. Substrats en aluminium traversants : Dans les structures les plus complexes, une couche d’aluminium peut constituer le cœur des structures thermiques multicouches. Avant la stratification, l’aluminium est pré-plaqué et imprégné de diélectrique. Des matériaux thermiques ou des sous-composants peuvent être stratifiés sur les deux faces de l’aluminium à l’aide d’une couche adhésive thermique. Une fois stratifié, le composant obtenu est similaire à un substrat en aluminium multicouche traditionnel percé de part en part. Des trous métallisés traversent l’aluminium pour assurer l’isolation électrique. Il est également possible d’utiliser des âmes en cuivre permettant des connexions électriques directes, ainsi que des trous traversants isolés.

Avantages des substrats en aluminium PCB

En plus de ses excellentes performances de dissipation thermique, le PCB à substrat en aluminium présente les avantages suivants :

• Conformité aux exigences environnementales RoHS.
• Plus adapté au processus SMT.
• Capacité de transport de courant plus élevée.
• Gestion efficace de la diffusion de chaleur dans la conception des circuits, réduisant la température de fonctionnement du module, prolongeant la durée de vie, augmentant la densité de puissance et améliorant la fiabilité.
• Réduction de l'assemblage des dissipateurs thermiques et autres matériels (y compris les matériaux d'interface thermique), réduction de la taille du produit, réduction des coûts de matériel et d'assemblage et optimisation de la combinaison des circuits de puissance et des circuits de contrôle.
• Remplacement des substrats céramiques fragiles pour une meilleure durabilité mécanique.

Par rapport aux cartes FR-4 ordinaires, le PCB à substrat d'aluminium présente un avantage majeur dans la mesure où il peut transporter un courant plus élevé. Comme le FR-4, les couches du circuit utilisent une feuille de cuivre comme conducteurs pour la connexion. Par rapport au FR-4 traditionnel, avec la même épaisseur et la même largeur de ligne, le PCB à substrat en aluminium peut transporter un courant plus élevé.

La technologie de base des PCB à substrat en aluminium réside dans le matériau de la couche d'isolation intermédiaire, qui remplit principalement les fonctions de liaison, d'isolation et de conduction thermique. La couche isolante du substrat PCB en aluminium constitue la plus grande barrière thermique dans la structure des modules de puissance. Plus la conductivité thermique de la couche isolante est bonne, plus elle est propice à la diffusion de la chaleur générée pendant le fonctionnement de l'appareil, ce qui à son tour est propice à la réduction de la température de fonctionnement de l'appareil, à l'obtention d'une charge de puissance plus élevée du module, à une réduction de la taille, prolongeant la durée de vie et augmentant la puissance de sortie. Tout en répondant à l’exigence d’une bonne conductivité thermique, il doit également avoir une capacité d’isolation haute tension.

Différences entre la base en aluminium et la carte FR-4

Dissipation de la chaleur

La plus grande différence entre le stratifié cuivré (CCL) à base d'aluminium et le FR-4 CCL conventionnel réside dans leurs propriétés de dissipation thermique. Par exemple, par rapport à un CCL FR-1.5 de 4 mm d'épaisseur, la résistance thermique d'un CCL à base d'aluminium est de 20 à 22 ℃ pour le premier et de 1.0 à 2.0 ℃ pour le second, ce qui est nettement inférieur.

Coefficient de dilatation thermique

En règle générale, les cartes FR-4 souffrent de problèmes de dilatation thermique, où des températures élevées peuvent provoquer des changements d'épaisseur et de planéité, en particulier dans le sens de l'épaisseur, affectant la qualité des trous et des circuits métallisés. Cela est principalement dû aux différents coefficients de dilatation thermique dans le sens de l'épaisseur du matériau : le cuivre a un coefficient de 17×10^-6 cm/cm℃, tandis que le matériau de base du panneau FR-4 est de 110×10^-6 cm/cm. ℃, ce qui peut facilement entraîner des effets de dilatation thermique. Le coefficient de dilatation thermique des panneaux à base d'aluminium est de 50 × 10 ^ -6 cm/cm℃, plus petit que celui des panneaux FR-4 généraux et plus proche de celui de la feuille de cuivre. Cela permet de garantir la qualité et la fiabilité des cartes de circuits imprimés.

principales applications

Les cartes FR-4 conviennent à la conception générale de circuits et aux produits électroniques ordinaires. Les cartes à base d'aluminium conviennent aux circuits ayant des exigences particulières, telles que les circuits intégrés hybrides à couches épaisses, la dissipation thermique pour les circuits de puissance, le refroidissement des composants dans les circuits, les substrats à grande échelle que les substrats céramiques ne peuvent pas gérer et les circuits que les dissipateurs thermiques ordinaires ne peuvent pas résoudre. problèmes de fiabilité.

Usinabilité

Les panneaux à base d'aluminium ont une résistance mécanique et une ténacité élevées, supérieures aux panneaux FR-4. Par conséquent, des cartes imprimées de grande surface peuvent être fabriquées sur des cartes à base d'aluminium et des composants lourds peuvent être installés sur de tels substrats.

Performance électrique

Par rapport aux cartes FR-4, les cartes à base d'aluminium ont une conductivité thermique plus élevée, ce qui entraîne une augmentation significative de la capacité de transport de courant des conducteurs. Cela indique la conductivité thermique élevée des panneaux à base d'aluminium. La dissipation thermique des panneaux à base d’aluminium est liée à l’épaisseur de leur couche isolante et à leur conductivité thermique. Des couches d'isolation plus fines entraînent une conductivité thermique plus élevée des panneaux à base d'aluminium (mais des performances de tension de tenue inférieures). Afin de garantir les performances des circuits électroniques, certains composants des produits électroniques doivent empêcher les rayonnements et les interférences électromagnétiques. Les panneaux à base d'aluminium peuvent servir de plaques de blindage pour protéger les ondes électromagnétiques.

Performance d'isolation

Dans des conditions générales, la tension de claquage des panneaux à base d'aluminium est déterminée par l'épaisseur de la couche isolante, avec une tension de claquage généralement autour de 500 V. Si vous devez tester la tension de claquage d'une carte à base d'aluminium de lampe fluorescente LED, il vous suffit d'effectuer un test haute tension sur le boîtier du port d'entrée. Les valeurs de certification UL et CE doivent être de 2500 3 V et la certification 3750C doit être d'environ XNUMX XNUMX V.