Grâce aux progrès des sciences sociales et des équipements technologiques domestiques, les attentes des utilisateurs en matière de fiabilité des produits électroniques sont en hausse. Les consommateurs attendent désormais de leurs produits une conductivité thermique supérieure, une meilleure tolérance à la tension et des performances accrues dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Les circuits imprimés en cuivre massif répondent notamment à ces attentes, ce qui en fait un élément essentiel des stations de service 5G, de l'aérospatiale et des applications militaires.
À mesure que les secteurs de la fabrication de véhicules électriques et de l'automatisation industrielle se développent, les fabricants de ces produits ont de fortes demandes de cartes de circuits imprimés capables de gérer des densités de puissance élevées et une génération de chaleur intense.
Compte tenu de la nature critique de ces composants, ces circuits imprimés se sont révélés une solution prometteuse, garantissant une efficacité accrue, une maintenance réduite et une résistance aux pannes. Cet article examine ce que sont les circuits imprimés en cuivre épais, leurs applications, ainsi que les considérations de conception permettant d'éviter les problèmes courants lors de leur développement.
Qu'est-ce qu'un PCB en cuivre lourd ?
Il s'agit d'un circuit imprimé composé de structures multicouches et de pistes de cuivre plus épaisses que celles des circuits imprimés domestiques ordinaires. Alors que les circuits imprimés traditionnels utilisent des couches de cuivre d'environ 1 g/m², les circuits imprimés en cuivre épais commencent à 3 g/m² et peuvent atteindre 20 g/m², voire plus.
Dans les circuits électriques modernes, une épaisseur appropriée du PCB en cuivre permet :
● Capacité de gestion du courant plus élevée
● Résistance électrique plus faible
● Chute de tension réduite le long des chemins de trace
● Impédance plus faible
● Perte de signal et distorsion minimales
Quand utiliser un PCB en cuivre épais ?
Utilisez ces PCB dans des applications qui nécessitent une résistance mécanique, une densité de puissance élevée et une durabilité dans des conditions difficiles.
Ils renforcent également les couches des circuits électriques dans les systèmes qui nécessitent une gestion adéquate de la chaleur, comme les circuits des véhicules électriques.
À propos de PCBaSic
Le temps, c'est de l'argent dans vos projets – et PCBasique l'obtient. PCBasic est une Entreprise d'assemblage de circuits imprimés qui offre des résultats rapides et impeccables à chaque fois. Notre gamme complète Services d'assemblage de circuits imprimés Nous offrons un soutien technique expert à chaque étape, garantissant une qualité optimale pour chaque carte. En tant que leader Fabricant d'assemblage de circuits imprimés, Nous proposons une solution complète pour optimiser votre chaîne d'approvisionnement. Faites appel à nos experts Usine de prototypes de PCB pour des délais d'exécution rapides et des résultats supérieurs auxquels vous pouvez faire confiance.
Pourquoi utiliser des circuits imprimés en cuivre lourd ?
Ces circuits imprimés créent un chemin de faible résistance pour les courants dans les appareils trop gourmands en énergie. Cela améliore l'efficacité et réduit le risque de surchauffe. Par exemple, un circuit imprimé d'une épaisseur de cuivre de 3 g peut supporter des courants de 10 à 20 ampères sur une période de 10 ans. Par ailleurs, il supporte plus de 50 ampères dans les applications d'une épaisseur de 10 g.
De même, ils sont durables et offrent une excellente résistance mécanique pendant le fonctionnement, résistant aux contraintes telles que la flexion ou les vibrations.
En termes de coût, ils réduisent le nombre de réparations et de remplacements dans les infrastructures éloignées, telles que les éoliennes et les systèmes d’énergie solaire hors réseau, où la maintenance est longue et coûteuse.
De plus, les circuits imprimés en cuivre épais permettent aux ingénieurs de construire des circuits électriques avancés sur une seule carte sans affecter les performances de transport du courant. Cela permet la fabrication de systèmes de petite taille, contrairement aux circuits imprimés standard qui nécessitent des matériaux supplémentaires pour fournir la même puissance.
Quelle est l'application des PCB en cuivre lourd ?
Ils sont utilisés dans l'industrie automobile pour les systèmes de gestion de batterie (BMS) des véhicules électriques. Ces systèmes s'appuient sur des circuits imprimés en cuivre épais pour fournir de l'énergie. Leur composition en traces de cuivre offre un chemin à faible résistance qui évite les problèmes de surchauffe lors du passage du courant.
De plus, dans les applications d'énergie renouvelable comme les onduleurs solaires, le circuit imprimé régule la conversion de l'énergie solaire en courant alternatif utilisable. Parallèlement, il contrôle efficacement les condensateurs de stockage des éoliennes pour éviter toute accumulation de chaleur indésirable.
Dans les centres de données et les stations de base 5G, les circuits imprimés en cuivre massif permettent au système de fournir une alimentation électrique ininterrompue, résolvant ainsi les problèmes de génération de chaleur lors des transmissions de signaux haute fréquence. Les équipements militaires et aérospatiaux en bénéficient également, car ces circuits imprimés contrôlent en toute sécurité les rhéostats et les résistances utilisés dans le circuit.
Les PCB en cuivre lourd sont également présents dans les dispositifs médicaux. Ils assurent une distribution électrique stable dans des équipements tels que les défibrillateurs ou les appareils d'IRM.
De plus, ils sont utilisés dans les systèmes de véhicules autonomes (VA) pour alimenter les tableaux de bord de navigation et d'ordinateur.
Considérations de conception pour un PCB en cuivre lourd ?
Des facteurs tels que la largeur des traces, l'épaisseur du PCB en cuivre et le matériau du substrat affectent directement l'efficacité des cartes imprimées plus épaisses.
Épaisseur et largeur du cuivre
Le choix d'une épaisseur de cuivre et d'une largeur de piste appropriées est important lors de la conception de circuits imprimés. Cela permet aux ingénieurs de choisir des épaisseurs capables de supporter les charges de courant requises sans provoquer d'échauffement excessif. Il est conseillé de choisir une épaisseur de cuivre comprise entre 3 et 20 g lors du développement, car des pistes plus larges véhiculent davantage de courant avec une résistance moindre.
Dans le même ordre d’idées, les concepteurs doivent suivre la norme IPC-2221 lors du calcul de l’épaisseur et de la largeur des traces.
Calcul de la largeur et de l'épaisseur des traces :
Selon la norme IPC-2221, la largeur de trace (W) peut être calculée pour un courant donné (I) et une élévation de température acceptable (ΔT) à l'aide de la formule suivante pour les traces externes :
Où? :
● I est le courant en ampères,
● ΔT est l'augmentation de température en °C
● K est une constante qui dépend de l'emplacement de la trace (par exemple, 0.048 pour les couches internes et 0.024 pour les couches externes).
● L'exposant 1/0.725 (environ 1.38) explique la relation non linéaire entre la largeur de la trace et l'augmentation de la température.
Par exemple, si les traces de cuivre externes sur un PCB doivent transporter 8 ampères de courant avec une augmentation de température maximale de 20 °C, nous pouvons alors calculer la largeur (W) comme suit :
En supposant que K = 0.048
W = 85.11
Sur la base du calcul ci-dessus, la largeur de la trace est de 85.11 mm
Matériau du substrat
Le substrat constitue la base de la carte. Il assure le support mécanique et l'isolation des couches de cuivre. Lors de la conception, des matières premières comme le « FR-4 », dont la température de fonctionnement est de 130 °C, doivent être utilisées pour la fabrication du circuit imprimé. Cependant, les autorités de réglementation recommandent également l'utilisation de matériaux présentant des températures de transition vitreuse (Tg) plus élevées, comme les substrats en polyimide et en céramique, qui résistent aux cycles thermiques répétés sans perte de résistance.
De plus, les ingénieurs doivent choisir des matériaux de substrat avec des coefficients de dilatation thermique similaires à ceux du cuivre afin de réduire les contraintes mécaniques et d’éviter les fissures, un facteur majeur dans les matériaux utilisés dans les applications à haute température.
Limite de courant admissible
Lorsque le courant électrique circule à travers les « traces de cuivre » d'un circuit imprimé, sa résistance interne génère de la chaleur, qui s'échappe du circuit par convection. Par conséquent, les techniciens doivent concevoir des PCB en cuivre d'une épaisseur suffisante pour supporter le courant maximal attendu sans dépasser l'échauffement acceptable.
Lors du développement, les ingénieurs doivent utiliser des simulations par analyse par éléments finis (AEF) pour prédire la distribution de température autour des tracés. Cette approche améliore l'efficacité thermique et maximise la marge de sécurité de ces systèmes.
Gestion de la chaleur
Pour gérer les variations de chaleur lors de la conception des circuits imprimés, les concepteurs doivent privilégier des techniques garantissant la fiabilité, la fraîcheur et la durabilité des cartes en cuivre. Commencez par des vias thermiques et des solutions de refroidissement actif, telles que des micro-ventilateurs, pour créer des chemins conducteurs qui transfèrent rapidement la chaleur entre les couches du système.
Les ingénieurs doivent également ajouter des dissipateurs thermiques aux composants principaux et utiliser des coussinets chauffants à base de graphite ou de silicone pour faciliter le transfert de chaleur sur les surfaces du circuit.
Impact environnemental de la fabrication de circuits imprimés en cuivre lourd
Lors de la conception de ces circuits imprimés lourds, adoptez des pratiques durables et respectueuses de l'environnement afin de minimiser les impacts environnementaux. Premièrement, les fabricants doivent utiliser des systèmes de recyclage du cuivre pour gérer efficacement les déchets de cuivre. De même, sélectionnez des matériaux auprès de fournisseurs appliquant de bonnes pratiques de recyclage.
En outre, les fabricants devraient utiliser des procédés de gravure et de placage plus propres en utilisant des produits chimiques non toxiques, tels que des solutions à faible teneur en acide ou sans ammoniaque, pour réduire les déchets toxiques.
Pour les matériaux de substrat, les concepteurs peuvent choisir parmi des alternatives respectueuses de l’environnement, comme les stratifiés biosourcés, qui réduisent la dépendance aux combustibles fossiles.
Après la fabrication, privilégiez des finitions exemptes de plomb ou d'autres composés toxiques. Par exemple, les finitions de surface comme l'or par immersion au nickel chimique (ENIG) offrent durabilité et bonne conductivité électrique sans introduire de métaux lourds nocifs.
PCB ordinaires contre PCB en cuivre lourd
Il existe des différences structurelles entre les PCB en cuivre lourds et ordinaires, notamment au niveau du poids du cuivre, des procédés de fabrication et des propriétés thermiques.
|
Fonctionnalité
|
PCB en cuivre ordinaire
|
PCB en cuivre lourd
|
|
Processus de fabrication
|
Cela nécessite un processus simple avec des feuilles de cuivre standard (généralement 1 oz/ft²) laminées et gravées avec des procédés chimiques de base.
|
Ils nécessitent des techniques de gravure et de placage spécialisées, ainsi que des méthodes de fabrication plus complexes.
|
|
Poids de cuivre
|
L'épaisseur du cuivre varie de 0.5 oz/pi² à 1 oz/pi².
|
L'épaisseur varie de 3 oz/pi² à 20 oz/pi² ou plus.
|
|
Couche intérieure en cuivre
|
Ils ont de fines couches de cuivre, d'épaisseur similaire à celle des couches extérieures.
|
Il est conçu avec des PCB en cuivre épais.
Ils supportent des charges de courant plus élevées mais transportent généralement environ 50 % du courant de la couche externe.
|
|
Cuivre externe
|
Il possède des couches de cuivre externes plus fines qui gèrent une distribution de courant modérée.
|
Ils sont constitués de couches de cuivre plus épaisses qui peuvent supporter des courants de charge plus importants.
|
Outre ces différences, les circuits imprimés en cuivre lourd offrent des avantages en termes de durabilité grâce à leur durée de vie prolongée et à leurs faibles besoins de remplacement. Cependant, leur processus de fabrication a un impact environnemental plus important en raison des produits chimiques et des déchets de cuivre.
Conclusion
PCB en cuivre lourdLes circuits imprimés ont contribué positivement au développement de l'industrie électronique en remédiant aux problèmes rencontrés sur les circuits imprimés classiques, sujets à des pannes sous l'effet de courants élevés. Ils prolongent la durée de vie des composants électroniques et gèrent efficacement la chaleur générée par le système.
La conception comprend des traces de cuivre qui présentent une résistance minimale lorsqu'elles sont connectées à un équipement à courant élevé.
Avec cette ampleur de caractéristiques qu'offre le PCB en cuivre épais, pensez à les utiliser dans votre prochain projet.
