Avec le développement rapide de l'industrie électronique, la taille des produits électroniques diminue sans cesse tandis que leur densité de puissance augmente. La dissipation thermique représente un défi majeur pour la conception de ces produits, et les circuits imprimés en aluminium constituent une solution pertinente. Comparés aux circuits imprimés FR4 traditionnels, les circuits imprimés en aluminium permettent de réduire la résistance thermique au minimum. Ils offrent d'excellentes performances de transfert thermique, supérieures à celles des circuits imprimés en céramique, et leurs propriétés mécaniques sont remarquables.
Les circuits imprimés FR-4 classiques présentent une faible dissipation thermique. Les circuits imprimés en céramique sont relativement stables et résistent bien à la déformation en environnements chauds et humides, mais leur prix est élevé et ils sont généralement utilisés dans les produits haut de gamme. Si votre produit n'est pas aussi haut de gamme, comme une carte LED haute puissance de grande surface, mais nécessite une excellente dissipation thermique, alors le circuit imprimé en aluminium est la solution la plus économique pour un bon compromis entre performances et coût.
Qu'est-ce qu'un PCB en aluminium ?
Le substrat en aluminium est un type de circuit imprimé à base métallique et cuivre offrant une bonne dissipation thermique. Généralement, un circuit imprimé simple face en aluminium est composé de trois couches : une couche de circuit (cuivre), une couche d'isolation thermique et une couche de substrat métallique. Pour les produits haut de gamme, on utilise généralement des circuits imprimés double face en aluminium, dont la structure est la suivante : couche de circuit, couche d'isolation, substrat en aluminium, couche d'isolation, couche de circuit. Les circuits imprimés multicouches sont très peu utilisés en raison de leur coût élevé.
Structures des circuits imprimés en aluminium
1. Couche de circuit
La couche de circuit imprimé (feuille de cuivre électrolytique) du circuit imprimé en aluminium est gravée pour former un circuit imprimé permettant l'assemblage et la connexion du dispositif. Comparé au FR-4 classique, le substrat en aluminium supporte un courant plus élevé à épaisseur et largeur de piste égales.
2. Couche d'isolation thermique
La couche d'isolation thermique est une technologie essentielle des circuits imprimés en aluminium. Elle assure principalement l'adhérence, l'isolation et la conduction thermique. Cette couche constitue la principale barrière de conductivité thermique dans la structure du module de puissance. Plus ses performances de conduction thermique sont élevées, plus la chaleur générée pendant le fonctionnement du dispositif est dissipée, ce qui contribue à réduire sa température de fonctionnement. Il en résulte une meilleure capacité de charge du module, une réduction de son volume, une durée de vie prolongée et une augmentation de la puissance de sortie.
3. Couche de base métallique
La couche de base métallique est constituée d'un substrat en alliage d'aluminium. Le choix du métal comme substrat isolant dépend de plusieurs facteurs : coefficient de dilatation thermique, conductivité thermique, résistance, dureté, poids, état de surface et coût du substrat.
Les performances des circuits imprimés en aluminium
1. Dissipation thermique
Actuellement, on trouve de nombreux circuits imprimés en aluminium double face et multicouches à haute densité et à forte puissance, mais présentant des difficultés de dissipation thermique. Les circuits imprimés FR4 et CEM3 classiques sont de mauvais conducteurs thermiques ; l’isolation entre les couches empêche la dissipation de la chaleur, ce qui peut entraîner la défaillance des composants électroniques par surchauffe. Les circuits imprimés en aluminium permettent de résoudre ce problème de dissipation thermique.
2. Dilatation thermique
La dilatation thermique et la contraction thermique sont des phénomènes naturels pour tous les matériaux, et le coefficient de dilatation thermique varie d'un matériau à l'autre. Les circuits imprimés à base d'aluminium permettent une dissipation thermique efficace, atténuant ainsi les problèmes de dilatation et de contraction thermique des composants et améliorant la durabilité et la fiabilité des équipements électroniques et mécaniques, notamment pour les composants montés en surface (CMS).
3. Stabilité dimensionnelle
Les dimensions des circuits imprimés à base d'aluminium sont nettement plus stables que celles des circuits imprimés isolés. Les circuits imprimés à base d'aluminium sont chauffés de 30 °C à 140-150 °C avec une variation dimensionnelle de 2.5 à 3.0 %.
4. Autres performances
Le circuit imprimé en aluminium présente d'autres avantages, tels qu'un effet de blindage ; il remplace le substrat et les composants en céramique du radiateur ; il améliore la résistance à la chaleur et les propriétés physiques du produit ; il réduit les coûts de production et la main-d'œuvre.
Les avantages des circuits imprimés en aluminium
1) La dissipation de chaleur est nettement meilleure que celle des circuits imprimés FR-4 standard.
2) Conforme aux exigences RoHS, plus adapté au processus SMT
3) Réduction des coûts d'assemblage du radiateur et des autres composants, réduction du volume du produit ; combinaison optimale du circuit d'alimentation et du circuit de commande
4) La conduction thermique est plus efficace que celle des circuits imprimés rigides traditionnels.
5) La conductivité thermique est 5 à 10 fois supérieure à celle des circuits imprimés FR4.
6) On peut utiliser une masse de cuivre inférieure à celle recommandée par l'IPC.
Applications des circuits imprimés en aluminium
Les circuits imprimés en aluminium sont largement utilisés dans les équipements audio généraux, les équipements d'alimentation électrique, les équipements électroniques de communication, les équipements de bureautique, l'automobile, l'informatique, les modules d'alimentation, l'éclairage et les équipements médicaux, etc.
1. Appareils audio : amplificateurs d'entrée et de sortie, amplificateurs symétriques, amplificateurs audio, préamplificateurs, amplificateurs de puissance, etc.
2. Dispositifs d'alimentation : régulateurs à découpage, convertisseurs CC/CA, régulateurs SW, etc.
3. Dispositifs de télécommunication : amplificateurs haute fréquence, appareils de filtrage et circuit émetteur.
4. Dispositifs automobiles : régulateurs électroniques, contrôleurs d'éclairage et de puissance, etc.
5. Périphériques informatiques : cartes mères, lecteurs de disquettes et dispositifs d’alimentation
6. Dispositifs d'automatisation de bureau : moteurs et variateurs électriques
7. Dispositifs de modules de puissance : convertisseurs, relais statiques, redresseurs de puissance et ponts
8. Dispositifs d'éclairage : éclairage public, signalisation routière, éclairage intérieur des bâtiments, éclairage paysager et matériel de camping. Avec la promotion des lampes à économie d'énergie, les lampes LED basse consommation sont très demandées sur le marché ; par conséquent, les circuits imprimés en aluminium pour lampes LED sont largement utilisés.
9. Dispositifs médicaux : éclairage de salle d'opération, outils d'éclairage chirurgical, technologie de numérisation haute puissance et convertisseurs de puissance.
10. Affichage LED : Affichage LED ; Affichage avec source lumineuse LED
Trois différences majeures entre les circuits imprimés FR4 et en aluminium
1、Prix
Les circuits imprimés FR4 seront beaucoup moins chers que les circuits imprimés en aluminium.
2. Technologie
Les circuits imprimés FR4 se déclinent en trois catégories : circuits imprimés FR4 double face en feuille de cuivre, circuits imprimés FR4 en feuille de cuivre perforée et circuits imprimés FR4 simple face en feuille de cuivre. Le prix des circuits imprimés FR4 varie donc en fonction des matériaux utilisés.
3. Performance
Grâce à sa bonne conductivité thermique, le PCB en aluminium présente des performances de dissipation thermique bien supérieures à celles du PCB FR4.