Avec l'évolution technologique, les appareils électroniques deviennent de plus en plus puissants, ce qui engendre différents problèmes, notamment la surchauffe. Les circuits imprimés (PCB) à noyau métallique, également appelés PCB à noyau métallique ou MCPCB, sont de plus en plus prisés dans les appareils électroniques actuels, notamment ceux nécessitant une gestion thermique efficace. Ces circuits imprimés sont idéaux pour le contrôle thermique des systèmes compacts et de forte puissance.
Nous abordons les avantages des circuits imprimés à cœur métallique dans les appareils électroniques et explorons les composants électroniques haute puissance qui peuvent vous aider à optimiser le potentiel de tout projet électronique. Que vous utilisiez un circuit imprimé en aluminium, un circuit imprimé à cœur cuivre ou une carte hybride à cœur métallique, le choix du bon fabricant de circuits imprimés à cœur métallique ou de MCPCB est crucial.
Que sont les PCB à noyau métallique (MCPCB) ?
Il existe plusieurs noms pour ce type de circuit imprimé, notamment « PCB à substrat métallique isolé », « plaqué aluminium », « base aluminium » et « PCB métallique ». Tous ces termes désignent différents types de circuits imprimés à cœur métallique, qui présentent généralement des avantages et des caractéristiques identiques.
Les circuits imprimés à noyau métallique, comme leur nom l'indique, sont dotés d'un noyau métallique situé près de la partie dissipateur de chaleur. Le noyau métallique peut être placé au centre de la surface, sous la carte, ou à l'arrière. Cette conception est uniforme sur les différentes variantes de circuits imprimés métalliques, y compris les circuits imprimés en aluminium et les circuits imprimés à noyau en cuivre.
Le métal possède une conductivité thermique élevée, essentielle pour un circuit imprimé. Le noyau métallique joue un rôle important dans les systèmes de refroidissement en dirigeant la chaleur des principaux composants électroniques du circuit imprimé vers des composants essentiels tels que le support du dissipateur thermique métallique ou le noyau.
Selon l'utilisation du composant électronique visé, les circuits imprimés à noyau métallique peuvent être simple ou double face. Cependant, les circuits imprimés multicouches à noyau métallique sont peu répandus en raison de la complexité de leur fabrication.
Les circuits imprimés classiques sont en FR4 ou CEM3, tandis que les circuits imprimés à noyau métallique sont dotés de noyaux métalliques. Outre la dissipation thermique, les circuits imprimés à noyau métallique offrent une stabilité mécanique et maintiennent l'isolation électrique entre les couches du circuit et les composants.
Matériaux des circuits imprimés à noyau métallique
Les circuits imprimés à cœur métallique peuvent être en aluminium, en cuivre ou en métal. Dans certains cas, les cœurs métalliques peuvent être constitués d'un mélange de différents alliages spéciaux. Par exemple, le laiton ou l'acier peuvent être utilisés, mais leur dureté est déconseillée, ce qui rend difficile le démontage du circuit imprimé en plusieurs pièces.
Noyau en aluminium
Les circuits imprimés à cœur en aluminium sont les plus courants. Ils évacuent plus efficacement la chaleur générée par les composants à forte consommation de chaleur. Cela permet une meilleure répartition de la chaleur sur l'ensemble du circuit imprimé.
Noyau de cuivre
Certains PCB comportent également des noyaux en cuivre, qui améliorent la conductivité thermique et contribuent à réduire les températures de fonctionnement des composants.
Bien que le cuivre soit un excellent choix pour les appareils électroniques sujets à la surchauffe, il reste plus coûteux que l'aluminium. Les fabricants de circuits imprimés à noyau métallique utilisent principalement le cuivre dans les situations suivantes :
● Simple face simple couche : Un PCB équipé d'une seule couche d'un socle en cuivre à des fins de refroidissement.
● Matrice thermique laser remplie de cuivre : Dans les circuits imprimés à base de métal, les vias remplis de cuivre sont percés au laser, formant un réseau qui améliore la conduction thermique par rapport aux vias normaux.
● Piédestal double face : Dans un PCB double face, il y a un socle à base de cuivre sur les deux côtés pour une dissipation thermique plus rapide.
Structure et épaisseur du circuit imprimé à noyau métallique
La structure d'un PCB à noyau métallique typique comprend une couche de masque de soudure, une couche diélectrique et un noyau métallique en bas.
Couches supérieures
La première couche est le masque de soudure, suivie d'une couche de circuit et d'une couche de cuivre. Ces couches reposent sur un diélectrique, une couche centrale métallique. La couche supérieure, constituée d'un film de cuivre fin, est recouverte de traces de circuit. Son épaisseur varie de 1 à 4 g (onces par pied carré).
Couche diélectrique
La couche la plus interne fait office de couche diélectrique. Elle isole le noyau métallique du film de cuivre tout en facilitant le transfert de chaleur entre les couches.
Couche centrale métallique
Le noyau métallique est la couche la plus basse. Le métal utilisé est généralement de l'aluminium, dont l'épaisseur varie de 1 à 3.2 mm. Il agit comme un dissipateur thermique, absorbant la chaleur des composants générateurs de chaleur et la dissipant. C'est la couche la plus épaisse d'un circuit imprimé, lui conférant rigidité et planéité.
Détails sur l'épaisseur et la conductivité thermique
Le noyau rend la carte de circuit imprimé suffisamment épaisse pour être compatible avec tout le matériel de montage de carte standard, et la partie métallique exposée de la carte n'est pas recouverte d'une finition de surface ou d'un masque de soudure.
Le cœur métallique du circuit imprimé à cœur métallique présente une conductivité thermique élevée, généralement comprise entre 1 W/mK et 9 W/mK. Cette conductivité thermique élevée, combinée à une fine couche isolante d'environ 100 µm, permet à la carte de transférer rapidement la chaleur.
Avantages des circuits imprimés à noyau métallique
Les circuits imprimés à cœur métallique sont largement utilisés dans les appareils électroniques en raison de leurs excellentes performances thermiques, de leur meilleur couplage capacitif et de leur blindage électromagnétique élevé. Examinons plus en détail leurs avantages :
1. Dissipation thermique :
Le métal est reconnu pour sa conductivité thermique élevée, ce qui rend les MCPCB idéaux pour les appareils confrontés à des problèmes de surchauffe. Ces composants facilitent le transfert de chaleur à travers l'appareil, réduisant ainsi les problèmes de surchauffe localisés. Leurs capacités de conduction thermique rendent les circuits imprimés à noyau métallique idéaux pour les circuits haute puissance.
Une expérience de production de chaleur a été menée sur des luminaires LED de 1 W montés sur un circuit imprimé à cœur métallique ou un circuit imprimé FR-4. La surchauffe a eu peu ou pas d'impact sur le circuit imprimé à cœur métallique, tandis que le circuit imprimé FR-4 a atteint 37 °C.
2. Stabilité et résistance :
Les fabricants de technologie LED, en particulier les fabricants d’éclairage LED haute puissance, ont souligné le problème de la surchauffe ces dernières années.
Les appareils électroniques de forte puissance sont sujets aux dysfonctionnements sans un mécanisme efficace de dissipation thermique. Les circuits imprimés à noyau métallique résolvent ce problème en répartissant uniformément la chaleur dans l'appareil via le noyau métallique, minimisant ainsi les dommages dus à la chaleur.
L'aluminium est un matériau léger qui confère de la résistance au circuit imprimé sans nécessairement ajouter de poids à l'ensemble du dispositif électronique, ce qui rend le PCB idéal pour l'éclairage LED haute puissance.
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3. Stabilité dimensionnelle :
Les circuits imprimés à noyau métallique présentent une stabilité dimensionnelle relativement plus élevée que les circuits imprimés fabriqués à partir de matériaux traditionnels comme le FR-4, en particulier dans des conditions environnementales fluctuantes.
Par exemple, un matériau PCB métallique exposé à des processus de chauffage allant de 30 °C à 150 °C a montré un changement de dimension compris entre 2.5 % et 3.5 % par rapport au matériau conventionnel qui s'est dilaté jusqu'à environ 4 %.
Cependant, les circuits imprimés à cœur métallique, comme l'aluminium ou le cuivre, grâce à leur stabilité thermique supérieure, peuvent résister efficacement à cette contrainte thermique et maintenir une stabilité constante à différentes températures. Cette stabilité réduit le risque de déformation du circuit imprimé à haute température.
4. Longévité :
Les circuits imprimés traditionnels sont principalement constitués de matériaux fragiles comme la céramique et la fibre de verre, fragiles et destructibles. En revanche, les circuits imprimés à noyau métallique sont plus robustes grâce à ce noyau.
Les circuits imprimés métalliques réduisent les risques de casse ou de dommages lors de la fabrication et de l'assemblage. Ils prolongent la durée de vie des appareils.
La qualité garantit que le circuit imprimé résiste aux pressions mécaniques pendant la fabrication. La durabilité et la résistance de l'électronique garantissent qu'il ne se brisera pas sous l'effet de contraintes mécaniques.
5. Léger et peu coûteux :
Les variantes de circuits imprimés à noyau métallique sont plus légères et, par conséquent, plus rentables.
L'aluminium est plus facile à raffiner, ce qui en fait un choix rentable pour les substrats de circuits imprimés, réduisant les coûts de fabrication des cartes à base d'aluminium.
Par conséquent, les circuits imprimés en aluminium offrent une alternative économique aux options plus volumineuses et plus coûteuses.
6. Haute recyclabilité :
L'aluminium est un matériau recyclable, ce qui rend les circuits imprimés à cœur métallique plus écologiques et économiques. C'est l'un des matériaux les plus recyclables au monde. Il peut être recyclé à plusieurs reprises sans perte de qualité.
Différents types de circuits imprimés à noyau métallique
Les circuits imprimés à noyau métallique sont classés en différents types selon la position du noyau métallique dans les MCPCB. Parmi les différents types de circuits imprimés à noyau métallique, on trouve :
Une seule couche:
Comme son nom l'indique, un MCPCB monocouche est constitué d'une seule couche conductrice en cuivre, suivie d'une plaque de base métallique qui rigidifie le circuit imprimé.
La couche de circuit thermoconductrice isole le circuit imprimé, ce qui le rend adapté aux applications plus simples où la surchauffe n'est pas un problème.
Le noyau est généralement en aluminium. La structure de base d'un circuit imprimé monocouche est constituée d'un noyau métallique (généralement en aluminium) et d'une couche diélectrique ou isolante. Cette structure est particulièrement adaptée aux appareils audio, aux capteurs, aux équipements de conditionnement et aux relais automobiles.
Double face:
Un PCB double face se compose de deux couches, le noyau métallique étant pris en sandwich entre ces couches de cuivre, interconnectées à l'aide de trous traversants plaqués (PTH) qui relient les couches de cuivre.
Les fabricants de circuits imprimés à cœur métallique peuvent utiliser la double face de leur carte pour le montage des composants CMS et THT. Les MCPCB double face sont utilisés dans les circuits complexes avec des couches de traces de chaque côté du cœur métallique.
La stratification des deux couches de cuivre sur le noyau de cuivre nécessite à la fois du matériel et des compétences. Certains fournisseurs de circuits imprimés à noyau métallique proposent des feuilles pré-laminées pour le revêtement métallique, simplifiant ainsi le processus.
Multicouche:
Comme son nom l'indique, un circuit imprimé métallique multicouche abrite plus de deux couches conductrices. La base métallique est située en bas, ce qui permet aux fabricants de monter leurs composants sur un seul côté de la carte.
Dans les circuits imprimés multicouches, le noyau métallique est placé entre les autres couches, avec un nombre égal de couches en dessous et au-dessus. Par exemple, un circuit imprimé métallique à 12 couches comportera exactement 6 couches au-dessus et en dessous de son noyau métallique.
MCPCB COB (puce sur carte) :
Un MCPCB à circuit intégré (Chip-on-board) est utilisé lorsqu'une séparation thermoélectrique est nécessaire. Il permet un gain de place tout en offrant de bonnes performances.
Dans les circuits imprimés métalliques standard, il existe une couche diélectrique entre les traces de cuivre et le noyau métallique, ce qui limite la conductivité thermique en raison des propriétés isolantes de la couche diélectrique.
En revanche, les MCPCB COB sont dotés d'une puce sur le noyau métallique, ce qui facilite la dissipation thermique. Cette configuration crée une interconnexion électrique entre la puce et les pistes du circuit imprimé.
Procédés de fabrication de circuits imprimés à noyau métallique
Les circuits imprimés à noyau métallique sont fabriqués de la même manière que les circuits imprimés traditionnels, à l'exception de quelques étapes différentes dues à l'ajout d'un noyau métallique.
Choix des matériaux
Le processus commence par la sélection d'un matériau approprié pour le MCPCB, en fonction de son utilisation prévue. L'application d'un circuit imprimé spécifique détermine le matériau le plus adapté pour le noyau, la couche isolante et la feuille de cuivre.
Le choix des matériaux est généralement basé sur le niveau de conductivité thermique, la constante diélectrique et les propriétés mécaniques requises.
Forage Horizontaux
Avant le placement et le fraisage du métal, les fabricants de noyaux métalliques percent des trous dans le noyau à l'aide de perceuses commandées par ordinateur, ce qui optimise la régularité et la précision. La perceuse sélectionne automatiquement le foret adapté et charge la tête de perçage.
Bien que les perceuses soient capables de percer à grande vitesse, il s'agit d'un processus qui prend du temps car chaque trou doit être percé un par un.
Dépôt de cuivre
Le noyau métallique est recouvert d'une fine couche de cuivre. Ce procédé est réalisé par galvanoplastie, un procédé qui implique le placage électrolytique du métal.
Application de photorésist
Les couches de cuivre sont recouvertes d'un film organique optiquement actif appelé photorésist. Après exposition aux UV, le motif du film extérieur est appliqué sur la surface de la carte. L'exposition de la structure aux UV via un photomasque produit un motif de trace de cuivre.
Gravure
Les zones où la photorésine n'a pas été appliquée sont gravées pour éliminer l'excès de cuivre, laissant le motif de trace de cuivre intact et éliminant l'excès de cuivre sur la carte.
Stratification de la couche isolante
Une couche de polymère haute température, également appelée couche isolante, est laminée sur le noyau métallique des deux côtés. Cette étape permet de recouvrir les pistes de cuivre par la couche isolante.
Appliquer un masque de soudure
Un masque de soudure est appliqué sur les deux faces du circuit imprimé métallique. Il s'agit d'une couche protectrice de vernis photo-imageable qui protège la carte des dommages dus à l'oxydation et à l'exposition aux intempéries. Ainsi, la carte est protégée de la poussière et des autres composants.
Les fabricants de circuits imprimés à noyau métallique laissent des ouvertures dans la couche de masque de soudure pour faciliter le placement et la soudure des composants.
Routage
Le routage est effectué en fin de production pour créer le contour du circuit imprimé. Il est généralement réalisé à l'aide d'une machine CNC ou d'une fraiseuse commandée par ordinateur, qui perce des découpes ou des fentes internes. La machine est programmée pour suivre un tracé prédéfini dans le fichier d'outil d'origine.
La poussière produite lors du fraisage est collectée par la brosse située près de la tête de fraisage. Ce système d'aspiration fonctionne comme un aspirateur.
Application de finition de surface
Les couches de cuivre sont recouvertes d'une autre couche de matériau métallique ou organique destinée à protéger les couches de cuivre exposées de l'oxydation et des dommages environnementaux.
Coupe en V
Lors de la dernière étape de fabrication, le rainurage en V est réalisé en découpant un V de chaque côté du circuit imprimé. Il ne reste qu'un minimum de matière, ce qui permet aux fabricants de circuits imprimés à noyau métallique de séparer le circuit imprimé du panneau de production.
Essais et inspection
Tout comme tout composant électrique, un circuit imprimé doit être testé pour garantir sa qualité et son bon fonctionnement.
Les fabricants de circuits imprimés à noyau métallique effectuent des tests électriques sur les circuits imprimés à l'aide de testeurs à sonde mobile pour les circuits complexes. Ils peuvent également utiliser des testeurs de grille universels pour tester de grands lots de circuits imprimés.
Test Hi-Pot
Ce test vérifie si la sécurité électrique des circuits imprimés à âme métallique répond aux caractéristiques spécifiées et aux normes de performance d'isolation. Il consiste à mesurer la résistance d'isolement et la tension de claquage des circuits imprimés.
Le test de fiabilité peut également détecter des défauts dans le circuit imprimé, notamment des trous d'épingle sur l'isolant, un isolant cassé ou endommagé ou un faible espace électrique entre les composants.
Facteurs affectant la conception des circuits imprimés à noyau métallique
La fabrication de circuits imprimés métalliques implique l'évaluation de plusieurs facteurs pour garantir des performances et une fiabilité optimales. Parmi ces facteurs figurent :
1. Conductivité thermique
Plus la conductivité thermique du matériau du noyau est élevée, plus il dissipe rapidement la chaleur du composant générateur de chaleur dans l'appareil électronique.
Par conséquent, le matériau du noyau et son épaisseur dépendent des besoins en énergie de l'appareil et de la vitesse à laquelle la chaleur doit être évacuée de l'appareil.
2. Constante diélectrique
Les performances d'un circuit imprimé à cœur métallique dépendent également du type de matériau isolant, qui constitue la constante diélectrique dans la fabrication des MCPCB. Le matériau isolant, placé entre le cœur et les couches de cuivre, possède une constante diélectrique.
La constante diélectrique affecte la conductance d'une carte métallique. Une constante diélectrique élevée augmente la capacité et la transmission du signal. Une constante diélectrique faible diminue la capacité d'une carte métallique et la transmission du signal.
En fonction de la transmission du signal nécessaire pour une application spécifique, le fabricant de circuits imprimés à noyau métallique sélectionne le matériau isolant en fonction de sa constante diélectrique.
3. Largeur et espacement des traces
La capacité de transport de courant et la tension requise pour une application spécifique déterminent également la taille de la carte, ainsi que l'espacement laissé entre deux pistes. Par conséquent, l'espacement et la largeur de la carte sont susceptibles d'affecter l'efficacité.
4. Masque de soudure et sérigraphie
Le masque de soudure et la sérigraphie protègent les couches de cuivre de la carte. Ils permettent également d'identifier la carte et les composants grâce à la coloration et à l'étiquetage. La couleur du masque et de la sérigraphie dépend des besoins de l'application.
5. Stabilité mécanique
Les MCPCB sont soumis aux chocs, aux vibrations et à d'importantes variations de température. Par conséquent, la carte doit être suffisamment stable pour résister aux contraintes mécaniques. Cette stabilité dépend du type de matériau utilisé, de l'épaisseur du noyau et de la connexion réalisée.
Compte tenu de ces facteurs, il est essentiel de travailler avec un fabricant MCPCB expérimenté qui garantira que le circuit imprimé offre des performances optimales et répond aux exigences spécifiques de l'application.
Applications des circuits imprimés à noyau métallique
Il est essentiel de prendre en compte la différence entre les cartes de circuits imprimés FR-4 et les PCB métalliques pour comprendre les applications des cartes de circuits imprimés métalliques.
De nombreux appareils électroniques consomment beaucoup d'énergie pour fonctionner. Ils génèrent également une quantité importante de chaleur, qui peut parfois se concentrer suffisamment pour provoquer une surchauffe. Dans ce cas, les circuits imprimés à noyau métallique constituent une alternative supérieure aux circuits imprimés FR-4.
Les PCB à noyau métallique présentent l'avantage d'un refroidissement rapide et d'une dissipation thermique efficace pour les appareils à forte puissance. Les circuits imprimés en cuivre ou en aluminium offrent une meilleure conductivité thermique et une meilleure résistance à la traction, ainsi qu'une tension de claquage supérieure, idéale pour les appareils à chauffage rapide.
Les principales applications et utilisations des PCB métalliques sont répertoriées ci-dessous :
● Éclairage LED
● Relais statiques
● Fournisseurs d'électricité
● Régulateurs de tension
● Panneaux solaires
● Cellules photovoltaïques
● Contrôle moteur dans les véhicules électriques hybrides.
Conclusion
Les circuits imprimés à noyau métallique sont largement utilisés dans les applications nécessitant une dissipation thermique efficace, telles que l'éclairage LED, l'électronique automobile et l'électronique de puissance, où la surchauffe peut potentiellement endommager les appareils.
Le noyau métallique agit comme un dissipateur thermique, distribuant la chaleur à l'environnement, contrairement aux circuits imprimés traditionnels avec un substrat non conducteur comme le FR4.
Dans l’ensemble, les circuits imprimés à noyau métallique offrent une solution fiable et efficace pour diverses applications électroniques grâce à leurs capacités de gestion thermique et leurs performances mécaniques supérieures.
Foire Aux Questions (FAQ)
1. Quels noyaux métalliques sont utilisés dans les circuits imprimés métalliques ?
Les noyaux métalliques les plus couramment utilisés dans les circuits imprimés sont ceux en aluminium, car ils sont comparativement moins chers que les autres métaux. De plus, ils dissipent la chaleur plus efficacement que les autres. Cependant, d'autres métaux, comme le cuivre et l'acier, peuvent également être utilisés selon la complexité du dispositif.
2. Les PCB à noyau métallique sont-ils meilleurs que les PCB FR4 ?
Certes, les circuits imprimés à cœur métallique surpassent les circuits imprimés FR4 classiques en termes de conductivité thermique, de durabilité et de fréquence améliorées. Cependant, la plupart des fabricants préfèrent le FR4 aux circuits imprimés métalliques, car ils sont moins chers, ce qui contribue à réduire les coûts.
3. Pourquoi les circuits imprimés à noyau métallique sont-ils si largement utilisés ?
L'une des principales raisons pour lesquelles les circuits imprimés à cœur métallique sont si répandus est qu'ils empêchent les appareils de chauffer trop rapidement. Le cœur métallique absorbe la chaleur et la dissipe efficacement, protégeant ainsi l'appareil contre la surchauffe. De plus, ces circuits imprimés améliorent la conductivité thermique, prolongeant ainsi la durée de vie de l'appareil.
4. Les circuits imprimés à noyau métallique peuvent-ils être assemblés à l'aide de procédés SMT standard ?
Oui, les procédés CMS peuvent être utilisés sur les circuits imprimés à cœur métallique. Cependant, ils sont soumis à un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau du cœur.
5. Les PCB à noyau métallique sont-ils plus chers que les PCB standard ?
Les PCB métalliques se distinguent par leurs matériaux et leur procédé de fabrication. Ils sont donc plus coûteux que les cartes standard. Cependant, ils constituent un investissement rentable grâce à leurs performances et leur fiabilité accrues.
