Qu'est-ce qu'un circuit imprimé à substrat d'aluminium ?
Les PCB à substrat d’aluminium (cartes de circuits imprimés à base de métal) sont des cartes de circuits imprimés spéciales dotées d’une structure "sandwich". La couche supérieure est une couche de circuit en feuille de cuivre. La couche intermédiaire est une couche isolante hautement thermoconductrice (généralement composée de résine époxy mélangée à de la poudre de céramique). La couche inférieure est un substrat en alliage d'aluminium. Cette structure permet d'obtenir une isolation électrique grâce à la couche isolante intermédiaire, tout en utilisant la meilleure conductivité thermique de l'aluminium pour améliorer considérablement l'efficacité de la dissipation de la chaleur. Elle est spécialement conçue pour gérer la chaleur produite par les appareils électroniques de grande puissance.
Principaux types de circuits imprimés à substrat d'aluminium
- Substrat d'aluminium monocouche: Le type le plus basique, adapté aux éclairages simples et aux circuits peu complexes.
- Substrat d'aluminium double couche: Couches de circuit sur les deux faces, connectées par des trous métallisés
- Substrat hybride en aluminium: Utilisation partielle de matériaux à base d'aluminium et utilisation de matériaux FR-4 conventionnels dans d'autres zones.
- Substrat d'aluminium multicouche: Structure complexe adaptée aux applications hautement intégrées (telles que les modules électroniques automobiles)
Avantages exceptionnels des substrats en aluminium
Performance thermique exceptionnelle
Les substrats en aluminium offrent des coefficients de conductivité thermique de 1 à 3 W/m·K, soit 5 à 10 fois supérieurs à ceux des substrats ordinaires. PCB FR-4 (0,3-0,5 W/m·K), capable de réduire la température des composants chauffants de plus de 10 °C, prolongeant ainsi considérablement leur durée de vie.
Excellentes propriétés mécaniques
Les substrats en aluminium présentent une résistance supérieure aux chocs et aux vibrations par rapport aux circuits imprimés classiques, avec un coefficient de dilatation thermique (CTE) proche de celui des puces en silicium (10-15 ppm/℃), ce qui réduit les déformations et les défaillances de connexion causées par les contraintes thermiques.
Léger et très fiable
La densité de l'aluminium est inférieure à celle du cuivre, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant à la fois une dissipation thermique et une conception légère. Il offre également de bonnes performances d'isolation électrique (tension de tenue ≥ 3000 V).
Avantages pour l'environnement et rentabilité
Les matériaux en aluminium sont recyclables et répondent aux exigences environnementales. Bien que les coûts initiaux soient plus élevés, ils permettent de réduire, voire d'éliminer, la nécessité d'utiliser des dissipateurs thermiques supplémentaires, ce qui se traduit par des avantages considérables en termes de coûts globaux.
Processus de fabrication des substrats en aluminium
Déroulement du processus de base
Découpe → Perçage → Imagerie à film sec → Inspection → Gravure → Inspection de la gravure → Masque de soudure → Impression des légendes → Inspection du masque de soudure → HASL (nivellement à l'air chaud) → Traitement de surface en aluminium → Poinçonnage → Inspection finale → Emballage → Expédition
Points techniques clés
- Traitement de la couche d'isolation: Utilisation d'un milieu isolant à haute conductivité thermique (résine époxy + charge céramique), épaisseur 50-200 μm
- Sélection de feuilles de cuivre: Généralement, une feuille de cuivre de 2 à 10 oz d'épaisseur est utilisée pour réduire la perte de chaleur due au courant.
- Traitement de surfaceÉviter les températures élevées Procédés HASL pour éviter d'endommager la couche d'isolation
Quand choisir un circuit imprimé à substrat en aluminium ?
Applications appropriées
- Équipements à haute densité de puissance et à forte production de chaleur (éclairage LED, modules de puissance)
- Applications avec de grandes variations de température de fonctionnement (électronique automobile, équipement extérieur)
- Produits nécessitant une conception miniaturisée tout en maintenant la gestion thermique
- Occasions exigeant une stabilité mécanique et une fiabilité élevées
Applications inadaptées
- Scénarios de transmission de signaux à haute fréquence (>1GHz) (les matériaux FR-4 sont plus avantageux)
- Applications à faible consommation d'énergie extrêmement sensibles aux coûts
- Produits électroniques conventionnels ne nécessitant pas de refroidissement supplémentaire
Considérations relatives à la sélection
Idées fausses sur la sélection
- Plus de couches signifie une meilleure dissipation de la chaleur: Il faut tenir compte de la conception de la distribution de la source de chaleur ; les structures multicouches conviennent aux modules à plusieurs puces, tandis que les structures monocouches sont plus rentables pour les scénarios d'éclairage simples
- Se concentrer uniquement sur la conductivité thermique: Nécessité d'une évaluation complète de la tension de résistance, de la résistance thermique, de la résistance mécanique et d'autres indicateurs.
- Convient à toutes les applications de haute puissance: Le FR-4 conserve ses avantages dans les scénarios de transmission de signaux à grande vitesse
Paramètres de sélection clés
- Performance thermique: Conductivité thermique 1-3 W/m·K, résistance thermique de la couche isolante <0,5 ℃·in²/W
- Performance électrique: Tension de tenue ≥ 3 000 V, tension de claquage ≥ 4 kV
- Performance mécanique: Résistance au pelage 1,0-1,5 kgf/cm, passe le test de soudage par refusion à 260 °C en trois cycles.
Champs d'application
- Éclairage LED: Lampes LED haute puissance, lampadaires, systèmes d'éclairage automobile
- Équipements électriquesRégulateurs à découpage, convertisseurs DC/AC, modules de conversion de puissance
- Électronique automobileRégulateurs électroniques, allumeurs, contrôleurs de puissance
- Contrôle industrielPilotes de moteur, modules de puissance, relais à semi-conducteurs
- Équipement audioAmplificateurs de puissance, amplificateurs symétriques, étages de sortie audio
- Équipements de communicationAmplificateurs haute fréquence, équipements de filtrage, circuits de transmission
Solutions d'optimisation de la dissipation thermique des circuits imprimés à substrat d'aluminium
L'efficacité de la dissipation de la chaleur peut être encore améliorée par la sélection des matériaux, la conception des structures et l'optimisation des processus :
- Utiliser une feuille de cuivre de 2 à 3 oz d'épaisseur pour étendre la zone de contact avec la couche d'isolation.
- Disperser les éléments de chauffage pour éviter une disposition concentrée
- Appliquer la technologie thermique via (une matrice 6×6 peut réduire la température de jonction d'environ 4,8 °C)
- L'optimisation de la conception des coussinets, l'exposition du cuivre à la base de la puce, peuvent réduire la résistance thermique de 15 à 20 %.
Analyse des coûts
Les circuits imprimés sur substrat d'aluminium coûtent généralement 30 à 50 % de plus que les circuits imprimés ordinaires en FR-4, principalement pour les raisons suivantes :
- Coûts des matériaux spéciaux (substrat en aluminium, couche d'isolation à haute conductivité thermique)
- Techniques et exigences de traitement complexes
- Besoin d'équipement spécialisé et de personnel technique
Toutefois, les prix unitaires peuvent être considérablement réduits dans le cas d'une production en grande quantité (plus de 3 000 pièces), et la fiabilité à long terme peut entraîner une réduction des coûts de maintenance, ce qui compense l'investissement initial.