Les circuits imprimés en aluminium, qui font partie des circuits imprimés à cœur métallique, présentent une conductivité thermique, une résistance mécanique et une dissipation de puissance élevées. Contrairement aux circuits imprimés classiques en fibre de verre ou en plastique, leur substrat est en aluminium, ce qui contribue à la dissipation thermique. Ils sont donc idéaux pour l'éclairage LED, l'électronique automobile et les télécommunications.
Depuis l'essor des technologies d'économie d'énergie, les circuits imprimés à base d'aluminium, comme les LED haute puissance, sont également utilisés dans des circuits générant beaucoup de chaleur. Ce guide aborde leur construction, leurs différents types, leurs caractéristiques, leurs applications et la demande croissante de circuits imprimés. Sans plus attendre, découvrons ensemble les PCB en aluminium.
Qu'est-ce qu'un PCB en aluminium ?
Un circuit imprimé en aluminium est un circuit imprimé à base d'aluminium offrant la résistance mécanique et les propriétés thermiques nécessaires aux applications de puissance comme les LED et les circuits intégrés. La chaleur est un paramètre critique, surtout lorsque le dispositif est compact mais de grande puissance. Pour garantir l'aluminium Les PCB de substrat sont fonctionnels pendant longtemps, il faut s'assurer qu'ils sont stockés dans des environnements à faible humidité et température car l'oxydation est destructrice pour le PCB de base en aluminium et la couche de circuit en cuivre.
Structure du PCB en aluminium
En règle générale, les circuits imprimés en aluminium se composent de trois couches principales :
Ccouche de cuivre :
La couche externe, comme chacun sait, est en cuivre pour permettre la circulation des signaux électriques. Plus épaisse que toutes les autres couches du circuit imprimé, elle permet un courant plus élevé et une bonne répartition de la chaleur, d'où son rapport de transfert plus élevé. L'étape suivante consiste à ajouter une autre couche de cuivre, située au-dessus de la couche diélectrique et sous le corps en aluminium.
Couche diélectrique :
De plus, une barrière intermédiaire joue le rôle de barrière isolante du cuivre et de l'aluminium Substrat. Il assure principalement une fonction d'isolation électrique et des canaux conducteurs permettant le transfert de la chaleur de la couche de cuivre vers la base en aluminium. Les matériaux de la couche diélectrique sont choisis pour leur faible conductivité thermique. Parallèlement, les caractéristiques électriques du matériau sont également prises en compte.
Base en aluminium :
Un PCB en aluminium a un aluminium Le substrat, composant essentiel d'un tel circuit imprimé, est également métallique, ce qui confère au circuit imprimé à cœur métallique sa résistance mécanique et facilite la dissipation de la chaleur des composants électriques. Il est particulièrement utile pour les applications à haute puissance et celles où la chaleur est générée.
Ainsi, ces trois couches combinées créent un PCB léger et résistant à la chaleur, capable de gérer des densités de puissance plus élevées que les PCB à base de fibre de verre.
Types de PCB en aluminium
Comme les autres PCB, les PCB en aluminium existent en différents types. Les quatre types courants de PCB en aluminium sont :
PCB en aluminium simple face :
L'aluminium est le matériau principal, sur lequel est laminée une seule couche de cuivre conducteur. L'aluminium est largement utilisé dans les applications LED pour la dissipation thermique des applications à forte consommation d'énergie.
PCB en aluminium double face :
Cette forme comporte deux couches de cuivre de part et d'autre de la couche diélectrique, permettant ainsi la formation de circuits complexes. Sa base en aluminium est positionnée au milieu, ce qui assure un bon flux thermique dans la bonne direction.
PCB multicouche en aluminium :
Les circuits imprimés multicouches en aluminium sont utilisés dans la fabrication d'autres applications sous-techniques. Il s'agit notamment d'un ensemble de circuits en cuivre intercalés entre des circuits polydiélectriques et un substrat en aluminium. Ces couches multiples permettent une plus grande densité de circuits grâce à la base en aluminium unique, utilisable par tous grâce aux propriétés thermiques du cuivre.
PCB flexible en aluminium :
L'autre technologie en développement concerne les circuits imprimés flexibles en aluminium, courbés ou repliables. Ils sont idéaux pour les applications où l'espace est limité ou où la carte doit être positionnée selon des angles spécifiques et uniques, comme dans l'automobile et l'électronique portable.
Matériaux PCB en aluminium
Le matériau est l'un des éléments les plus critiques pour la performance d'un circuit imprimé en aluminium. La qualité des matériaux utilisés dans sa construction garantit des performances haut de gamme et de haute qualité. Voici les matériaux essentiels :
Substrat en aluminium :
Il est placé sur la face inférieure du circuit imprimé en aluminium et son rôle principal est de fournir un support mécanique et de favoriser l'évacuation de la chaleur. L'aluminium est privilégié en raison de son coût relativement inférieur à celui de métaux comme le cuivre, plus léger mais plus robuste.
Couche diélectrique :
La couche diélectrique se situe entre la couche de cuivre du circuit et la base en aluminium. Une conductivité thermique élevée est nécessaire pour conduire la chaleur de la couche de cuivre vers la base en aluminium, sans pour autant provoquer de court-circuit.
Couche de circuit en cuivre :
Cette couche envoie des impulsions électriques sur toute la carte ou horizontalement. Sa finesse peut aller jusqu'à quelques molécules, et son épaisseur peut varier selon la spécificité de son application. À haute puissance, les couches de cuivre des circuits sont plus lourdes pour supporter le courant de charge et la production de chaleur.
Performances des PCB en aluminium
Les performances des circuits imprimés en aluminium dépendent de leurs caractéristiques de gestion thermique, qui servent à évaluer leur performance. Dans les applications haute puissance, la chaleur pose problème aux composants et circuits électriques. Elle accélère leur dégradation, altère les performances du système, voire, dans le pire des cas, entraîne une panne totale. Ces problèmes sont généralement résolus avec les circuits imprimés en aluminium, car ils absorbent davantage de chaleur que les circuits imprimés en fibre de verre.
De plus, les circuits imprimés en aluminium offrent de bien meilleures performances mécaniques, ce qui améliore leurs performances physiques et leur environnement. Ils sont particulièrement utiles dans des applications comme l'électronique automobile, car ces composants sont sensibles aux vibrations et aux variations de température.
D'un point de vue électrique, nous disposons d'une couche conductrice en cuivre, qui assure le transfert du signal, et d'une couche diélectrique, qui prévient les courts-circuits. Globalement, le PCB en aluminium est un excellent composite thermoélectrique doté de propriétés mécaniques robustes lui conférant une grande endurance.
Avantages et inconvénients des PCB en aluminium
Avantages :
Dissipation thermique supérieure :
Les circuits imprimés en aluminium pourraient être utilisés efficacement grâce à leur capacité de dissipation thermique importante. Cela les rend utiles dans les applications où la dissipation thermique est essentielle, notamment l'éclairage LED et l'électronique de puissance.
Stabilité mécanique :
Les circuits imprimés en aluminium sont d'ailleurs bien plus faciles à entretenir que les cartes en fibre de verre. Leur base est en aluminium, ce qui renforce le cœur métallique de la carte et la rend moins sensible aux vibrations, aux chocs et aux variations de température.
Conception légère:
Les circuits imprimés en aluminium sont relativement plus légers que les autres solutions à base de circuits imprimés métalliques, bien qu'ils soient également constitués de métal. Ils conviennent donc aux applications nécessitant un équilibre entre le dissipateur thermique et la masse totale du système.
Respectueux de l'environnement:
Le fait de pouvoir être réutilisé est une autre caractéristique des PCB en aluminium, ce qui les rend plus respectueux de l'environnement que tous les autres types.
Désavantages:
Coûts de fabrication plus élevés :
Les circuits imprimés en aluminium sont plus coûteux que les cartes en fibre de verre courantes en raison des matériaux et des techniques utilisés.
Flexibilité de conception limitée :
Les circuits imprimés en aluminium offrent une excellente conductivité thermique et une excellente résistance mécanique, mais leur conception est inférieure à celle des circuits imprimés standard, en particulier dans les circuits épais et les cartes multicouches.
Difficultés de fabrication des PCB en aluminium
Les défis liés à la production de circuits imprimés en aluminium sont les suivants : la structure et les matériaux utilisés sont différents. Parmi ces obstacles figurent l'accessibilité à des équipements spécialisés et des tests de contrôle qualité sophistiqués, qui impactent les coûts et la productivité.
Équipement spécialisé :
Un autre inconvénient est que l’aluminium est très abrasif et nécessite beaucoup de pression sur les outils de perçage et de coupe, ce qui rend le coût de production des PCB élevé.
Uniformité de la couche diélectrique :
Les couches diélectriques doivent également être uniformes, afin d'éviter tout échauffement local, et les propriétés du matériau doivent posséder des propriétés électriques et thermiques favorables.
Processus de stratification :
Il s’agit d’un défi lorsque l’on souhaite assurer un bon contact entre plusieurs couches, ce qui peut conduire à une mauvaise résistance mécanique de la carte et à une mauvaise gestion thermique.
Tests de qualité complexes :
L'algorithme de contrôle qualité impliqué dans les circuits imprimés en aluminium est compliqué en raison de leur processus de test de charge électrique et thermique.
Applications de ce PCB à noyau métallique (PCB en aluminium)
Les circuits imprimés à cœur d'aluminium sont largement utilisés dans diverses technologies en raison de leur excellent transfert thermique et de leur résistance mécanique. Leurs propriétés les rendent particulièrement adaptés aux applications où la dissipation thermique est primordiale.
Éclairage LED:
Les circuits imprimés en aluminium sont utilisés dans les circuits d'éclairage LED, offrant ainsi de nombreuses possibilités de configuration. Les LED sont connues pour produire beaucoup de chaleur. Si les circuits imprimés en aluminium favorisent la dissipation thermique, ils peuvent également prolonger la durée de vie des lampes.
Électronique automobile :
Les circuits imprimés à base d'aluminium sont utilisés dans les applications électroniques automobiles, telles que les phares, les feux stop et les systèmes de gestion moteur. Grâce à leur conductivité thermique et leur résistance mécanique élevées, les substrats en aluminium sont largement utilisés dans les applications automobiles.
Alimentations:
Les circuits imprimés en aluminium sont également utilisés dans les circuits impliquant une alimentation électrique, où les composants à courant élevé, tels que les transformateurs et les inducteurs, produisent la chaleur.
Télécommunications:
Dans le secteur des télécommunications, les PCB en aluminium sont utilisés dans des équipements tels que les amplificateurs haute fréquence, où le système produit beaucoup de chaleur pendant le fonctionnement.
Équipement industriel:
Les domaines d'application des PCB en aluminium comprennent les systèmes de contrôle industriel, les contrôleurs de moteur et les onduleurs de puissance.
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Conclusion
Les circuits imprimés à base d'aluminium sont relativement nouveaux sur le marché de l'électronique et présentent des caractéristiques thermiques, mécaniques et électriques améliorées. Dans les domaines de l'éclairage, notamment les systèmes LED, l'électronique automobile, les télécommunications et diverses autres applications haute puissance, un circuit imprimé en aluminium peut constituer un atout précieux pour vos produits.
Dans des applications allant de l'éclairage LED aux équipements industriels et à l'automobile, ces circuits imprimés à cœur métallique répondent aux problèmes de surchauffe et aux exigences de fiabilité des équipements. Si vous avez besoin de circuits imprimés en aluminium pour vos produits, vous pouvez contacter une entreprise comme PCBasic.
