Les appareils électroniques sont de plus en plus petits. Parallèlement, ils offrent davantage de fonctionnalités : plus de puissance, plus de traitement, plus de chaleur. C'est précisément ce dernier aspect – la chaleur – qui constitue le véritable défi.
Dans les circuits haute puissance, la chaleur n'est pas un simple sous-produit. C'est un problème à résoudre. C'est là qu'interviennent les circuits imprimés à substrat en aluminium. Aussi appelés circuits imprimés à cœur en aluminium, ils sont conçus pour évacuer la chaleur des composants sensibles. Ils ne se contentent pas de transporter des signaux : ils transportent la chaleur vers l'extérieur et vers l'intérieur.
Comparés aux cartes FR4 standard, les substrats en aluminium révolutionnent la donne. Ils allient une bonne conductivité thermique à une résistance mécanique remarquable.
On les retrouve dans les systèmes LED, par exemple dans les convertisseurs de puissance et les véhicules électriques. Des environnements où la chaleur est incontournable. Dans ces environnements, la gestion de la charge thermique est indispensable : elle fait la différence entre des performances stables et une panne.
Cet article explique tout. Que sont ces cartes ? Pourquoi les utilise-t-on ? Et à quoi les ingénieurs doivent-ils penser lorsqu'ils les utilisent ?
Qu'est-ce qu'un PCB à substrat en aluminium ?
Il s'agit d'un circuit imprimé, mais avec du métal au cœur. Au lieu de fibre de verre (FR4), la couche de base est en aluminium. Ce simple changement fait toute la différence.
Pourquoi ? La chaleur. Ces cartes sont conçues pour gérer des températures élevées sans refroidissement externe. Pas de dissipateurs thermiques encombrants ni de ventilateurs supplémentaires.
Voici la structure de base :
● Couche de circuit en cuivre en haut – pour les voies électriques.
● Couche diélectrique au milieu – isole mais laisse passer la chaleur.
● base en aluminium en bas – évacue rapidement la chaleur.
Ce n'est pas une question d'esthétique. C'est une question de fonctionnalité. L'aluminium agit comme une autoroute thermique, évacuant efficacement la chaleur du système. La plupart des conceptions sont unilatérales : composants sur le dessus, métal en dessous. Des versions multicouches existent, mais elles sont plus difficiles à fabriquer et plus coûteuses.
Il ne s'agit pas de flexibilité. Il s'agit d'enDurabilité. Puissance et chaleur élevées. Faible encombrement. Voilà le champ de bataille.
Vous entendrez peut-être parler de « PCB à noyau métallique » ou de « PCB à noyau en aluminium ». Le concept est le même. L'aluminium est le choix le plus courant.
Pourquoi ? Il est léger, solide, bon marché et possède une excellente conductivité thermique.
La couche d'aluminium a généralement une épaisseur de 0.8 à 3 mm. Elle est souvent anodisée pour résister à la corrosion et prolonger la durée de vie.
Lorsque votre conception ne peut pas se permettre de défaillance thermique, c'est la carte que vous choisissez.
Pourquoi utiliser des substrats en aluminium dans les PCB ?
La chaleur étant l'ennemi numéro un des circuits haute puissance, une mauvaise gestion thermique n'est pas seulement un problème, c'est un point de défaillance. Les composants surchauffent. Les signaux se dégradent. La durée de vie diminue.
L'aluminium corrige ce problème. Sa conductivité thermique est d'environ 205 W/(m·K). À titre de comparaison, le FR4 atteint à peine 0.4 W/m·K. C'est loin d'être le cas.
L’aluminium évacue la chaleur rapidement et uniformément.
Mais ce n’est pas tout ce qu’il fait :
● Stabilité dimensionnelle: Il conserve sa forme sous contrainte thermique. Pas de déformation ni de microfissures.
● Blindage EMI : Le noyau métallique bloque naturellement les interférences. Signaux clairs, même à hautes fréquences.
● Force mécanique: Plus robuste que le FR4. Plus résistant aux chocs. Conçu pour résister aux manipulations brutales.
● Rapport coût-efficacité: Moins cher que la céramique, mais offre des performances thermiques similaires.
De plus, grâce à la fabrication moderne, le prototypage est plus rapide et plus simple que jamais. Vous pouvez itérer sans exploser votre budget.
C'est pourquoi l'aluminium n'est plus un choix de niche. Il est devenu la norme pour les conceptions thermiquement exigeantes.
Principaux avantages des circuits imprimés à substrat en aluminium
Voici les avantages du substrat en aluminium :
1. Dissipation rapide de la chaleur
L'aluminium agit comme un dissipateur thermique intégré. La chaleur est transférée des composants vers le noyau métallique à travers le diélectrique. Aucun refroidissement externe n'est nécessaire dans la plupart des cas.
2. Fiabilité améliorée
Une moindre contrainte thermique se traduit par une durée de vie prolongée des composants. Des températures stables réduisent systématiquement les taux de défaillance.
3. Densité de puissance élevée
Disposition compacte, mais courants plus élevés. Supports en aluminium.e, conceptions à haute puissance sans surchauffe.
4. Durabilité mécanique
Le circuit imprimé en aluminium est rigide et résistant aux chocs. De plus, il supporte mieux les vibrations, la compression et les contraintes physiques que le FR4.
5. Performances légères
Malgré son noyau métallique, il est léger. Bien plus léger que la céramique. Idéal pour les applications où le poids est important, comme les panneaux LED ou les modules automobiles.
6. Contrôle de la dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est plus proche de celui des composants comme les semi-conducteurs. Cela signifie moins de contraintes mécaniques lors des cycles de chauffage/refroidissement.
Applications courantes des circuits imprimés à substrat en aluminium
Systèmes d'éclairage à DEL
Les LED à haute luminosité chauffent. Trop pour la fibre de verre. L'aluminium évacue rapidement cette chaleur. Cela se traduit par des lumières plus brillantes, une dérive thermique réduite et une durée de vie plus longue.
Équipement de conversion de puissance
Pensez aux onduleurs et aux alimentations à découpage (SMPS). Haute tension. Ils offrent un courant élevé et des marges thermiques serrées. Les circuits imprimés en aluminium évacuent rapidement la chaleur. Meilleur rendement, moins de pannes thermiques.
Electronique automobile
Dans les véhicules modernes, les circuits imprimés à substrat d'aluminium sont utilisés dans les phares, les systèmes de contrôle de batterie et les modules de contrôle moteur. Ils résistent mieux aux vibrations, à la chaleur et aux produits chimiques que les cartes FR4 standard.
Matériel de télécommunications
Les stations de base, les routeurs réseau et les amplificateurs de signal utilisent souvent des circuits imprimés en aluminium pour maintenir des performances stables pendant les opérations prolongées à forte charge.
Electronique
Des modules d'alimentation pour ordinateurs portables aux consoles de jeu hautes performances, les circuits imprimés à noyau en aluminium permettent des conceptions plus minces et une gestion thermique plus silencieuse en réduisant la dépendance aux ventilateurs ou au refroidissement externe.
Considérations relatives à la conception et à la fabrication
Concevoir un circuit imprimé sur substrat aluminium n'est pas la même chose que travailler avec du FR4 standard. Les règles sont différentes, et elles ont leur importance.
Le chemin thermique est essentiel
Chaque conception doit tenir compte du transfert de chaleur des composants vers la base en aluminium. La couche diélectrique doit être aussi fine que possible, mais elle nécessite néanmoins une isolation solide. La plupart des diélectriques à base de polymère, parfois avec des particules de céramique, sont utilisés pour améliorer la performance thermique. Plus la couche est fine, meilleur est le flux thermique, mais pas trop. Les marges de sécurité sont importantes.
Le routage est également différent
Les pistes doivent être plus larges pour supporter des courants plus élevés. Les angles vifs sont évités. Les pistes courbes réduisent les points de contrainte. Les pastilles et les vias nécessitent une attention particulière. Les vias traversants ne peuvent pas pénétrer la base en aluminium sans perçage ni isolation spéciaux.
Dominance monocouche
La plupart des circuits imprimés en aluminium sont simple face, car le noyau métallique bloque les vias électriques. Si une conception multicouche est requise, elle requiert des techniques spécifiques comme l'empilement diélectrique ou des couches flexibles.
Le placement des composants est une question stratégique
Les composants chauds doivent être placés là où la chaleur peut se propager rapidement. Placez-les près du centre. Placez les circuits intégrés basse consommation plus loin. C'est comme construire une carte thermique avant même que la carte ne soit prête.
Le masque de soudure et la finition de surface doivent être alignés
L'aluminium pouvant se dilater sous l'effet de la chaleur, sa finition de surface doit résister. L'ENIG (or par immersion au nickel chimique) et l'OSP (préservatif de soudabilité organique) sont des produits courants.
Le prototypage peut être complexe
Le prototypage de circuits imprimés en aluminium coûte plus cher que le FR4 standard. L'outillage est différent, tout comme les paramètres de fabrication. Cependant, les prix ont baissé ces dernières années, grâce à la demande des secteurs de l'automobile et des LED.
L'isolement est essentiel
L'aluminium est conducteur. Aucune erreur de conception n'est tolérée. Une seule mauvaise piste suffit pour provoquer un court-circuit. Les concepteurs ajoutent souvent des fentes d'isolation ou des zones d'exclusion. Celles-ci agissent comme des coupe-feu.
Le perçage mécanique nécessite de la précision
On ne peut pas le traiter comme de la fibre de verre. L'aluminium émousse rapidement les outils. Les machines CNC utilisent des forets en carbure et des vitesses d'avance spécifiques. La finition des bords est importante. Un bord rugueux peut compromettre l'ajustement ou créer des problèmes d'interférences électromagnétiques.
Conclusion
Les circuits imprimés sur substrat d'aluminium ont révolutionné notre conception thermique. Ils résolvent des problèmes concrets : chaleur, fiabilité et encombrement. De plus, ils le font sans refroidissement externe important.
Dans les systèmes LED, ils prolongent la durée de vie. En électronique de puissance, ils améliorent le rendement de conversion. Cependant, dans les véhicules, ils supportent les vibrations et la chaleur extrême. Ils ne sont ni parfaits ni universels. Cependant, pour les applications à forte puissance et à forte intensité thermique, ils constituent souvent le meilleur choix.
Du prototypage de circuits imprimés en aluminium à la production à grande échelle, le succès dépend de la compréhension des points forts du matériau et de ses limites.
Face à la demande croissante de composants électroniques plus petits, plus rapides et plus performants, les circuits imprimés à substrat en aluminium gagneront en pertinence. Les ingénieurs doivent être préparés, connaître le matériau et, enfin, toujours concevoir en tenant compte de la chaleur.
