Circuits imprimés à noyau métallique : cartes à noyau en aluminium et en cuivre

Qu'est-ce qu'un PCB à noyau métallique ?

Les circuits imprimés à noyau métallique, également appelés circuits imprimés à noyau métallique en cuivre, sont composés d'une couche isolante, d'un noyau métallique et d'une feuille de cuivre composite, formant un substrat métallique servant de dissipateur thermique. Les LED peuvent être placées au centre, en haut ou en bas de la carte. Les circuits imprimés à noyau métallique en cuivre offrent une excellente dissipation thermique, une conductivité thermique élevée et une meilleure aptitude à la fabrication.

Si votre produit doit fonctionner dans des environnements à haute température pendant de longues périodes, les circuits imprimés à âme métallique sont préférables aux circuits imprimés FR-4 classiques. Ces circuits imprimés sont conçus pour dissiper la chaleur des composants critiques vers les zones moins critiques. L'aluminium et le cuivre sont des matériaux courants pour les substrats métalliques ; les circuits imprimés à âme en aluminium sont les plus répandus, notamment dans le domaine de l'éclairage LED. Comparés aux circuits imprimés à âme en aluminium, les circuits imprimés à âme en cuivre offrent de meilleures caractéristiques électriques et de meilleures performances, mais leur coût est plus élevé.

Les circuits imprimés à noyau métallique, qui consomment beaucoup d'énergie, génèrent généralement beaucoup de chaleur. Or, le métal dissipe rapidement la chaleur en absorbant celle des composants haute puissance. C'est pourquoi les circuits imprimés à noyau métallique sont largement utilisés dans les secteurs suivants : alimentations électriques, convertisseurs de puissance, systèmes d'éclairage LED, systèmes automobiles, applications LED et systèmes photovoltaïques.

1. Bonne dissipation thermique

Les circuits imprimés à âme métallique présentent une conductivité thermique élevée, contrairement aux circuits imprimés en FR-4 dont l'isolation entre les couches est médiocre. Les circuits imprimés à âme métallique dissipent la chaleur huit à neuf fois plus rapidement que les circuits imprimés en FR-4, ce qui permet d'éviter d'éventuels dommages aux circuits ou aux composants.

2. Meilleure stabilité dimensionnelle

Les circuits imprimés à noyau métallique présentent une excellente stabilité dimensionnelle face aux variations des conditions environnementales. Par exemple, lorsqu'un circuit imprimé à substrat aluminium est chauffé de 30 °C à 150 °C, la taille de la couche métallique ne varie que de 2.5 à 3 %, ce qui est très faible.

3. Durabilité accrue

Les circuits imprimés à âme en aluminium ou en métal offrent une résistance et une durabilité supérieures au FR-4, un matériau couramment utilisé dans leur fabrication. Ils réduisent considérablement le risque de casse accidentelle lors de la fabrication, de l'assemblage ou de l'utilisation du produit final.

4. Meilleure légèreté

Les circuits imprimés à noyau métallique sont plus légers, durent plus longtemps et conduisent mieux l'électricité que les circuits imprimés FR-4 traditionnels.

Les circuits imprimés à noyau aluminium sont un type de circuit imprimé à noyau métallique offrant une excellente dissipation thermique. Les circuits imprimés aluminium simple face classiques sont composés d'une couche de cuivre, d'une couche isolante et d'une couche de base en aluminium. De nos jours, la plupart des produits sont conçus pour des circuits imprimés aluminium double face, composés d'une couche de cuivre, d'une couche isolante, d'une couche de base en aluminium, d'une nouvelle couche isolante et d'une nouvelle couche de cuivre. Les circuits imprimés à noyau aluminium sont couramment utilisés dans les lampes LED et les systèmes d'éclairage.

Pour les circuits imprimés à base d'aluminium, les composants d'alimentation sont montés sur la couche de circuit imprimé. Pendant le fonctionnement de l'appareil, la chaleur est transmise à la base en aluminium à travers la couche isolante, puis la base en aluminium évacue rapidement la chaleur grâce à sa bonne dissipation thermique, protégeant ainsi non seulement le circuit, mais aussi l'équipement.

Avantages des panneaux à âme en aluminium (par rapport au FR-4)

1. Meilleure conductivité thermique
2. Le diélectrique utilisé pour les substrats en aluminium est généralement 5 à 10 fois plus conducteur thermiquement que le FR-4 conventionnel, et il est plus mince.
3. L'indice de transfert thermique est plus efficace que celui des circuits imprimés FR-4 traditionnels.
4. On peut utiliser une épaisseur de cuivre inférieure à celle recommandée par l'IPC.

Applications des circuits imprimés à noyau en aluminium

Les circuits imprimés à noyau en aluminium sont largement utilisés dans les équipements suivants :

1. Éclairage LED : écrans LED, éclairage public, etc.
2. Alimentation électrique : convertisseur CC/CA, régulateur à découpage, etc.
3. Électronique de communication : amplificateurs haute fréquence, appareils de filtrage, etc.
4. Bureautique : variateurs de vitesse, etc.
5. Automobile : régulateur électronique, allumeur, contrôleur de puissance, etc.
6. Ordinateur : carte mère, lecteur de disquettes, alimentation, etc.
7. Module de puissance : convertisseur, relais statique, pont redresseur, etc.
8. Audio : amplificateur d'entrée, de sortie, symétrique, audio et de puissance, etc.

Avec l'augmentation de la densité d'assemblage et de l'intégration des composants sur les circuits imprimés à noyau métallique en cuivre, la vitesse de transmission du signal s'accélère, entraînant une hausse de la consommation d'énergie. À l'ère des réseaux 4G, les signaux RF nécessitent d'excellentes performances de mise à la terre et un refroidissement performant. Les performances des circuits imprimés rigides classiques ne suffisent plus ; c'est pourquoi on utilise un autre type de substrat métallique : le circuit imprimé à base de cuivre. Grâce à sa technologie de noyau en cuivre, l'isolation thermique de ce type de circuit imprimé est parmi les plus coûteuses. La conductivité thermique du cuivre est nettement supérieure à celle de l'aluminium ou du fer. La couche de circuit du substrat en cuivre exige une capacité de transport de courant élevée, ce qui nécessite l'utilisation d'une feuille de cuivre plus épaisse, généralement de 35 à 280 µm.

La structure générale des circuits imprimés à noyau de cuivre est très similaire à celle des circuits imprimés à noyau d'aluminium. Ils offrent une meilleure conductivité thermique, une isolation électrique plus performante et une usinabilité facilitée. Ils sont particulièrement adaptés aux circuits haute fréquence, aux dispositifs à forte dissipation thermique et aux équipements de communication de précision.

Avantages des circuits imprimés à âme en cuivre

Conductivité thermique élevée

L'avantage le plus important des circuits imprimés à base de cuivre est leur excellente conductivité thermique élevée. Ils constituent le choix idéal pour les composants à forte dissipation thermique, car le noyau en cuivre permet un transfert de chaleur rapide et efficace, et le substrat à noyau en cuivre peut fonctionner de manière stable pendant longtemps, tout en évitant d'endommager l'équipement.

De meilleures performances électriques

Les circuits imprimés à noyau métallique offrent des performances électriques supérieures, ce qui les rend idéaux pour les applications haute fréquence et les équipements de communication de précision. Leur forme reste stable.

Les circuits imprimés à noyau métallique en cuivre conservent bien leur forme, même dans des conditions difficiles, sans se déformer, se plier ou se dilater sous l'effet de contraintes de température ou de pression élevées.

Meilleure durabilité

Les circuits imprimés à noyau métallique en cuivre présentent une meilleure résistance mécanique et sont plus durables que les circuits imprimés à base d'aluminium et de fer, ce qui prolonge la durée de vie du circuit imprimé et des composants.

Applications des circuits imprimés à noyau de cuivre

1. convertisseur d'énergie solaire
2. Énergie renouvelable
3. Redresseur haute puissance
4. Le système ferroviaire
5. Relais de surcharge, cordon d'alimentation pour surveillance

Différences entre les circuits imprimés en aluminium et en cuivre

1. Le prix du matériau utilisé pour le substrat en cuivre est beaucoup plus élevé que celui du substrat en aluminium.
2. La conductivité thermique d'un circuit imprimé à noyau de cuivre est deux fois supérieure à celle d'un circuit imprimé à noyau d'aluminium : base en aluminium : environ 200 W/mK ; base en cuivre : environ 400 W/mK. Par conséquent, la dissipation thermique d'une base en cuivre est meilleure que celle d'une base en aluminium.
3. Les circuits imprimés à noyau d'aluminium unique ne peuvent pas être percés directement dans des trous métallisés, tandis que les circuits imprimés à noyau de cuivre peuvent être usinés pour réaliser des trous métallisés.
4. Un circuit imprimé à noyau de cuivre a une densité plus élevée par unité de surface, il est donc plus lourd qu'un circuit imprimé à noyau d'aluminium.
5. Les circuits imprimés à noyau métallique présentent une ductilité supérieure à celle des circuits imprimés à noyau en aluminium.
6. Comparé aux circuits imprimés à noyau en aluminium, le circuit imprimé à noyau en cuivre présente un retrait et une déformation moindres.