Il existe de nombreux matériaux pour circuits imprimés, tels que les circuits imprimés métalliques, les substrats métalliques isolés (IMS ou IMPCB), les circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB), les circuits imprimés composites en aluminium et les substrats en aluminium, etc. Cependant, si la dissipation thermique est un critère important, les circuits imprimés à noyau métallique ou en aluminium constituent un bon choix. Dans ce cas, le circuit imprimé à noyau métallique est à privilégier. Les circuits imprimés métalliques offrent une dissipation thermique supérieure aux circuits imprimés traditionnels en résine époxy FR-4 à base de verre.
Ceci s'explique par une conductivité thermique 5 à 10 fois supérieure et une épaisseur 10 fois plus importante que les architectures conventionnelles. Ce transfert de chaleur exceptionnellement efficace permet aux circuits imprimés métalliques d'utiliser des couches de cuivre très fines, réduisant ainsi le coût et l'épaisseur de la solution. Par ailleurs, la couche métallique peut être entièrement composée de métal ou d'une combinaison de fibres de verre (FR-4) et de métal.
Structure d'un circuit imprimé à noyau métallique
Les circuits imprimés métalliques sont composés d'une couche diélectrique à haute conductivité thermique, d'une couche métallique et d'un film de cuivre à forte capacité de dissipation thermique. Les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication de circuits imprimés à âme métallique sont l'aluminium et le cuivre, et parfois l'acier inoxydable. Un circuit imprimé à âme métallique ou en aluminium permet d'évacuer la chaleur des composants haute puissance et ainsi de faciliter le transfert thermique. L'intérêt d'utiliser un circuit imprimé à âme métallique réside donc dans sa conductivité thermique nettement supérieure à celle du FR-4.
Généralement, la couche supérieure d'un circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB) chinois est constituée d'un film de cuivre mince, gravé comme pour un circuit imprimé classique. L'épaisseur de ce film varie de 1 à 4 onces. La couche interne est un matériau diélectrique qui assure l'isolation électrique entre la couche métallique et le film de cuivre, tout en permettant une dissipation thermique rapide entre les deux. Dans le cas d'un MCPCB multicouche, la couche métallique interne doit être répartie uniformément entre les couches. Par exemple, sur un circuit imprimé à 6 couches, la couche métallique se trouve au centre, sur les trois couches supérieures et sur les trois couches inférieures.
Il convient également de noter que le noyau métallique du circuit imprimé thermique peut être en aluminium, en cuivre, ou encore en cuivre épais ou en acier inoxydable. Cependant, les matériaux métalliques pour circuits imprimés sont très durs, et leur découpe en petits morceaux peut poser problème. Il est donc important de tenir compte de la compatibilité chimique avec ces matériaux lors du choix du circuit imprimé.
4 avantages des circuits imprimés à noyau métallique
La dissipation de chaleur
C'est l'un des principaux avantages des circuits imprimés à âme métallique. Leur coefficient de transfert thermique est 8 à 9 fois supérieur à celui des circuits imprimés FR-4. Si nos circuits imprimés doivent être refroidis rapidement, il est préférable d'utiliser des circuits imprimés métalliques plutôt que les substrats FR-4 traditionnels. Le principal atout des circuits imprimés à âme métallique réside donc dans l'utilisation d'un matériau de substrat spécifique qui améliore la fiabilité des circuits fonctionnant à des températures élevées. La conception des circuits imprimés à âme métallique permet une absorption active de la chaleur provenant des composants les plus chauds et son transfert vers la couche opposée du circuit imprimé, assurant ainsi une dissipation thermique plus efficace et plus sûre.
À bas prix
Outre ses performances thermiques, l'aluminium présente l'avantage d'être recyclable et peu coûteux. Lorsque nos circuits imprimés à noyau métallique pour LED sont mis au rebut, nous pouvons recycler le métal qu'ils contiennent, ce qui permet de réduire les coûts de production. Par ailleurs, les circuits imprimés à substrat métallique sont plus légers, plus durables et plus conducteurs. De ce fait, les coûts de fabrication associés aux circuits imprimés à substrat aluminium peuvent également être réduits. Les circuits imprimés en aluminium constituent également une alternative économique aux dissipateurs thermiques plus onéreux et encombrants. L'aluminium est reconnu comme un métal non toxique et entièrement recyclable. Son utilisation dans les circuits imprimés métalliques contribue à la protection de l'environnement tout au long de la chaîne, des producteurs aux consommateurs finaux.
Plus de stabilité
La conception de circuits imprimés à noyau métallique en Chine confère une meilleure stabilité au circuit imprimé. Prenons l'exemple des circuits imprimés à noyau métallique pour LED, très répandus : ils résolvent efficacement le problème de dissipation thermique nécessaire à une utilisation prolongée des lampadaires LED. Outre cette grande stabilité, l'aluminium, très léger, améliore la résistance et la flexibilité du circuit imprimé sans en augmenter le poids.
Durée de vie plus longue
Comparé aux matériaux couramment utilisés dans la fabrication des circuits imprimés, le métal offre une durée de vie plus longue. Les matériaux métalliques réduisent le risque de casse accidentelle des circuits imprimés lors de la production, de l'assemblage et de l'utilisation.
Où utilise-t-on les circuits imprimés à noyau métallique ?
Tous ces avantages font des circuits imprimés à noyau métallique la solution idéale pour une variété d'applications, notamment :
- Systèmes automobiles et LED pour l'éclairage public
- Photovoltaïque
- applications des unités de rétroéclairage
- Applications de commande de moteurs/hybrides
- Convertisseurs d'énergie
Composants de montage en surface MCPCB
La principale caractéristique des circuits imprimés à noyau métallique conçus en Chine est l'absence de trous métallisés. Leur fabrication repose généralement sur l'utilisation de composants montés en surface, une caractéristique essentielle du procédé. Si ces circuits étaient fabriqués avec des vias métallisés, l'épaisseur de la tôle métallique située sous la structure laminée pourrait provoquer un court-circuit. C'est pourquoi la dissipation thermique par trous métallisés n'est pas nécessaire, ce qui améliore leur capacité de refroidissement.
En supprimant les vias, les fabricants de circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB) accélèrent la production. Dans la plupart des usines, cette étape représente un goulot d'étranglement. Votre MCPCB monocouche s'affranchit ainsi de l'étape de préparation des parois des trous par cuivrage chimique, nécessaire au traitement PTH, et passe directement à l'imagerie du circuit après un perçage rapide. Ensuite, votre MCPCB suivra les mêmes étapes de fabrication qu'un circuit imprimé FR4 traditionnel.
Circuit imprimé FR4 vs MCPCB
| PCB FR4 | MCPCB | |
|---|---|---|
| Conductivité | Le FR4 a une faible conductivité thermique, généralement autour de 0.3 W. | La conductivité thermique des MCPCB est élevée, allant de 1.0 à 4.0 watts, 2.0 watts étant la valeur la plus fréquente. |
| Plaqué à travers des trous | Utiliser des trous traversants plaqués | Montage en surface |
| Libération par la chaleur | La dissipation de chaleur se fait généralement par transfert thermique à travers des trous. | Les opérations de perçage, de dépôt et de placage sont toutes éliminées lors de l'utilisation du matériau MCPCB car celui-ci dissipe sa propre chaleur. |
| Couche de protection contre la soudure | Couche de protection soudable FR4 PCB sur le dessus et le dessous, généralement verte, bleue, rouge, noire, etc. | Couche de vernis épargne MCPCB uniquement sur la face supérieure, généralement une carte LED blanche |
| Grosor | Gamme d'épaisseurs plus flexible pour les circuits imprimés FR4, avec diverses combinaisons de matériaux et nombres de couches disponibles | La variation d'épaisseur des MCPCB est limitée par l'épaisseur disponible du substrat et de la feuille diélectrique. |
| Processus | Processus standard pour les circuits imprimés FR4 : fraisage des trous, rainurage en V, fraisage des trous, routage, perçage | Utiliser les mêmes procédures de traitement que pour le FR4 (des lames de scie à revêtement diamant doivent être utilisées pour les plaques en V afin d'augmenter la contrainte lors de la coupe du métal). |
Comment utiliser la base pour la gestion thermique des circuits imprimés
L'une des causes les plus fréquentes de défaillance des circuits imprimés est le stress thermique. Un stress thermique excessif peut dégrader les performances d'un circuit imprimé, voire le rendre totalement inopérant. Avec les progrès des technologies de fabrication des circuits imprimés à noyau métallique, les exigences de miniaturisation des composants diminuent sans cesse, et le stress thermique s'accroît. Par conséquent, une gestion thermique efficace des circuits imprimés est devenue essentielle pour garantir le bon fonctionnement des appareils électroniques.
Comment fonctionne la gestion thermique des circuits imprimés avec des noyaux métalliques et des bases ?
Dans la plupart des cas, les couches de circuit et de diélectrique sont déposées sur un support. La gestion thermique utilise généralement un noyau métallique en cuivre ou en aluminium.
L'absence d'une gestion thermique efficace compromet les performances de toute application. Le transfert de chaleur du composant générateur de chaleur vers le dissipateur thermique externe est crucial. L'utilisation d'un matériau à haute conductivité thermique comme le cuivre améliore ce transfert. Les substrats à base de cuivre constituent une technologie alternative qui, au final, confère aux circuits imprimés une meilleure conductivité thermique.
Le cuivre présent dans le noyau métallique améliore la conductivité thermique tout en abaissant la température de fonctionnement du composant. De ce fait, il est idéal pour réduire les contraintes thermiques sur les circuits imprimés.
Utilisez des bases à base de cuivre dans les scénarios suivants.
- Simple face, monocouche
- matrice de vias thermiques laser remplie de cuivre
- Châssis double face
fabricant de circuits imprimés à noyau métallique
La fabrication de circuits imprimés à noyau métallique implique de prendre en compte plusieurs éléments. Nous vous proposerons, à titre d'exemple, une solution adaptée à votre matériau.
- Cartes PTH 2 couches remplies d'aluminium (des opérations coûteuses de pré-perçage/remplissage d'isolant/reperçage sont nécessaires pour réaliser des trous métallisés qui ne provoqueront pas de court-circuit).
- Cartes à 2 couches ou multicouches fabriquées à l'aide de techniques PCB typiques, mais avec un matériau thermo-diélectrique au lieu du FR4 et un support métallique pour le transfert de chaleur laminé sur le dessous.
Les circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB) peuvent constituer une solution intéressante lorsque le refroidissement de nombreuses LED est une priorité. Bien que la conception de ces circuits imprimés présente certaines limitations, leur processus de fabrication reste similaire à celui des autres circuits imprimés.
De la fabrication à l'assemblage des MCPCB, nous proposons un service complet, avec toutes les procédures de production consignées sur notre application développée en interne pour le suivi en ligne.