Assemblage de circuits imprimés à haute épaisseur de cuivre pour l'électronique à courant élevé

Highleap Electronics propose des services d'assemblage de circuits imprimés à forte épaisseur de cuivre pour l'électronique haute intensité, les cartes de contrôle de puissance, les cartes BMS, les chargeurs de véhicules électriques, les modules de puissance industriels et les applications de gestion thermique. La fabrication de ces cartes électroniques à forte épaisseur de cuivre exige une coordination étroite entre la fabrication du circuit imprimé, le processus de brasage, la sélection des composants, le chemin du courant, la conception thermique et le contrôle qualité. Highleap fabrique et assemble les cartes conformément aux fichiers, plans, nomenclatures et exigences de test approuvés par le client.

L'expression « cuivre épais » désigne généralement une construction de circuit imprimé utilisant une épaisseur de cuivre supérieure à celle des cartes de signaux standard. L'épaisseur exacte du cuivre doit toujours être définie pour chaque couche. Une carte à cuivre épais n'est pas automatiquement sûre pour un courant donné ; la capacité de courant dépend de l'épaisseur du cuivre, de la largeur des pistes, de la surface du plan de masse, de l'élévation de température admissible, du flux d'air, de la position des couches, du matériau du substrat et de l'environnement du produit. Le responsable du produit doit valider les performances électriques et thermiques au niveau du système.

Pour les pages de projets connexes, voir assemblage de circuits imprimés pour l'électronique de puissance, assemblage de circuits imprimés pour le BMS et assemblage de circuits imprimés pour chargeurs de véhicules électriques.

Capacité d'assemblage de circuits imprimés en cuivre épais

rôle important dans la fabrication du cuivre

Highleap peut prendre en charge la fabrication et l'assemblage de circuits imprimés à forte épaisseur de cuivre lorsque la conception est clairement définie et que la fabrication reste dans les limites des capacités convenues. Le schéma doit indiquer le poids du cuivre par couche, l'épaisseur finale, l'état de surface, le vernis épargne, le métallisation des trous, les dimensions critiques, les zones conductrices et les exigences d'inspection. En cas d'assemblage, le schéma doit également identifier les composants à courant élevé, les bornes, les connecteurs, les éléments générant de la chaleur et les interfaces mécaniques.

Utilisations typiques de PCBA à cuivre épais

Coordination de la fabrication et de l'assemblage

L'utilisation d'une épaisse couche de cuivre modifie la production et l'assemblage des cartes nues. La gravure de cuivre épais exige des tolérances de conception plus importantes que celle du cuivre fin destiné aux signaux. Les grandes surfaces de cuivre affectent l'équilibre de la refusion. Le remplissage de la soudure des bornes traversantes peut nécessiter un contrôle précis. Les pastilles thermiques peuvent requérir un contrôle par rayons X ou une inspection spéciale, le cas échéant. Pour des résultats optimaux, l'utilisation d'une épaisse couche de cuivre doit être envisagée dans le cadre d'un processus complet de conception de circuits imprimés et d'assemblages, et non comme une simple option de matériau.

Épaisseur du cuivre et exigences de transport de courant

La capacité actuelle dépend de la conception complète

Le poids du cuivre ne représente qu'une partie de la capacité de courant. Le concepteur doit également prendre en compte la largeur des pistes, la surface du cuivre, le nombre de couches, le nombre de vias, l'élévation de température admissible, la température ambiante, les conditions de refroidissement, l'épaisseur du circuit imprimé, les sources de chaleur à proximité et la circulation d'air dans l'enceinte. La norme IPC-2152 est couramment utilisée comme référence pour la capacité de courant dans la conception des circuits imprimés, mais la validation finale du produit reste sous la responsabilité du propriétaire du produit.

Impact sur la conception du cuivre plus épais

L'utilisation de cuivre plus épais améliore la conductivité et la dissipation thermique, mais influe également sur l'espacement minimal des pistes et des pistes, la compensation de gravure, la définition du masque de soudure, l'épaisseur du circuit imprimé et son coût. Le placement de composants à pas fin à proximité de zones de cuivre épais peut complexifier l'assemblage. Si le circuit imprimé combine des circuits de commande et des pistes de cuivre à courant élevé, il est recommandé, dans la mesure du possible, de séparer les composants sensibles des zones à forte dissipation thermique et à masse importante.

Via et partage d'avion

Le courant peut circuler entre les couches via des réseaux de vias ou des éléments métallisés. Le nombre de vias, leur diamètre, l'épaisseur de métallisation et leur disposition déterminent la répartition du courant et de la chaleur. Si un réseau de vias fait partie d'un chemin de courant, il ne doit pas être traité comme une simple jonction. Le schéma doit identifier les groupes de vias critiques ainsi que toute exigence de remplissage, de fermeture ou d'inspection.

Gestion thermique et dissipation thermique

La chaleur se propageant à travers le cuivre

L'utilisation de cuivre épais permet de dissiper la chaleur des composants d'alimentation, mais ne remplace pas une conception thermique complète. La chaleur doit s'évacuer de la carte par des plans de cuivre, des vias, des dissipateurs thermiques, la circulation de l'air, les contacts du boîtier ou les matériaux d'interface thermique. Si la carte repose sur une plaque de base ou un châssis, l'interface mécanique doit être décrite dans les instructions d'assemblage.

vias thermiques et pastilles exposées

Les composants de puissance avec pastilles exposées peuvent nécessiter des vias thermiques sous ou à proximité du boîtier. La conception de ces vias doit optimiser le transfert de chaleur, limiter les vides de soudure et faciliter la fabrication. Les vias ouverts sous les pastilles peuvent provoquer une migration de la soudure ; les vias remplis ou obturés peuvent engendrer un surcoût, mais améliorer la régularité d'assemblage. Le client doit définir la stratégie relative aux vias en fonction des exigences du produit.

Espacement des composants autour des sources de chaleur

Les composants sensibles à la chaleur, tels que les condensateurs électrolytiques, les capteurs, les optocoupleurs et les circuits intégrés de faible puissance, doivent être placés en tenant compte de leur exposition thermique. Du point de vue de la fabrication, l'espacement facilite également l'inspection et les retouches. Les cartes à forte épaisseur de cuivre comportent souvent des composants volumineux et une masse thermique élevée ; un placement trop dense peut donc accroître la fiabilité et les risques liés à l'assemblage.

Assemblage CMS et traversant sur cartes en cuivre épais

équilibre thermique de refusion

Les zones à forte teneur en cuivre absorbent la chaleur différemment des zones à faible teneur en cuivre servant de signaux. Cela peut engendrer des conditions de soudure irrégulières sur la carte. Il convient de revoir la conception du pochoir, le choix de la pâte à braser, le profil de refusion, la géométrie des pastilles et l'emplacement des composants. Les grandes pastilles de cuivre peuvent nécessiter un dégagement thermique ou une planification du processus en fonction des exigences électriques et thermiques.

Composants d'alimentation traversants

Les cartes à cuivre épais utilisent généralement des connecteurs traversants, des bornes, des relais, des transformateurs et des condensateurs de grande capacité. Le brasage de ces composants peut nécessiter une soudure à la vague, une soudure sélective ou une soudure manuelle contrôlée, selon leur conception et leur quantité. Le diamètre des trous, l'anneau de soudure, l'épaisseur du cuivre et le dégagement thermique influent sur le taux de remplissage. Si un pourcentage de remplissage ou une exigence de contrôle est obligatoire, il doit être indiqué sur le plan ou dans les notes d'assemblage.

Défis d'inspection

L'épaisseur importante du cuivre peut rendre l'inspection visuelle plus importante et parfois plus difficile. Les joints de soudure de grande taille, les pastilles cachées, les pastilles thermiques et les bords de cuivre épais peuvent nécessiter des instructions d'inspection spécifiques. Un examen aux rayons X peut être réalisé pour certains joints cachés, à la demande du client. Une analyse microscopique peut être demandée pour l'évaluation des trous métallisés lorsque les exigences de fiabilité le justifient.

Défis liés au soudage, au refusion et à l'équilibre thermique

dissipateur thermique en cuivre de grande taille

Les grandes surfaces de cuivre peuvent absorber la chaleur des joints de soudure lors du refusion ou du brasage traversant. Ceci peut entraîner un mouillage insuffisant si le processus n'est pas ajusté. Parallèlement, la surchauffe des petits composants pour compenser peut engendrer des risques de dommages. Un processus équilibré repose sur une analyse de la conception et des paramètres de processus adaptés, plutôt que sur une chaleur excessive.

Planification des pochoirs et de la pâte à souder

Les composants de puissance, les pastilles thermiques et les bornes de grande taille peuvent nécessiter des ouvertures de pochoir spécifiques ou un contrôle précis de la pâte à braser. L'objectif est d'assurer une quantité suffisante de brasure pour une fiabilité thermique et mécanique optimale, tout en évitant les pontages, les soudures flottantes, les vides et les billes de brasure. Si le produit présente des limites strictes en matière de vides, ces limites et la méthode d'inspection doivent être définies par le client.

limites de soudure manuelle

Le brasage manuel peut convenir aux prototypes ou à certaines pièces, mais il ne faut pas le considérer comme une solution fiable pour la production en grande série, sauf si le processus est maîtrisé et documenté. Les bornes de grande taille, le cuivre épais et l'inertie thermique importante peuvent exiger une grande expertise de l'opérateur et une bonne maîtrise de la température. Pour la production, le brasage sélectif ou l'outillage adapté peuvent offrir une meilleure reproductibilité lorsque la conception le permet.

Inspection et contrôles de fiabilité

domaines d'inspection prioritaires

• Qualité des pistes à courant élevé et de la zone de cuivre.
• Qualité de métallisation traversante pour les bornes et les matrices de vias.
• Remplissage et mouillage de la soudure pour les composants de puissance traversants.
• Qualité de la soudure des pastilles thermiques pour semi-conducteurs de puissance.
• Positionnement, orientation et dégagement mécanique des connecteurs.
• Planéité, contour et interface de montage de la carte.

Exigences en matière de documentation

La documentation peut comprendre un enregistrement des matériaux, une confirmation d'empilage, un test électrique, un rapport d'inspection, une microsection, un rapport sur le premier article ou un rapport de test fonctionnel défini par le client. Ces documents doivent être demandés avant l'établissement du devis. Si une carte est destinée à un produit à haute fiabilité, le dossier de documentation doit refléter le niveau de risque et non se limiter au coût de fabrication le plus bas.

Considérations relatives à la fiabilité

La fiabilité dépend de la conception du produit, du courant de fonctionnement, des cycles de température, du support mécanique, de la qualité des soudures, des caractéristiques des composants et de l'environnement. Un cuivre épais peut supporter le courant et dissiper la chaleur, mais ne garantit pas à lui seul la fiabilité. L'assemblage complet doit être examiné et validé dans les conditions d'utilisation prévues par le client.