Circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB) par PCBasic
Alors que les produits électroniques deviennent de plus en plus puissants, compacts et performants, la dissipation thermique est devenue un problème majeur à résoudre lors de la conception de circuits imprimés. Les matériaux traditionnels pour circuits imprimés (tels que le FR-4 et le polyimide) présentent une faible conductivité thermique et une dissipation thermique difficile dans les circuits haute puissance, ce qui peut facilement entraîner un échauffement excessif des composants, voire les endommager.
Pour résoudre ce problème, PCBasic s'est concentré sur la conception et la fabrication de circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB), également appelés circuits imprimés à noyau métallique, circuits imprimés à revêtement métallique ou circuits imprimés thermiques. Ce type de circuit imprimé intègre une couche de noyau métallique, qui accélère la dissipation thermique, améliorant ainsi la stabilité et la fiabilité du circuit. Il est particulièrement adapté à une utilisation dans divers produits électroniques haute puissance et hautes performances.
Qu'est-ce que le MCPCB ?
Les MCPCB, également connus sous le nom de PCB à substrat métallique isolé (IMS) ou PCB à revêtement thermique, sont un type de carte de circuit imprimé à noyau métallique spécialement conçue pour résoudre le problème de chauffage des produits électroniques.
Contrairement aux circuits imprimés FR-4 traditionnels, dont le matériau de base est la résine ou la fibre de verre, un circuit imprimé à cœur métallique intègre une couche de base métallique, généralement composée d'alliages d'aluminium, de cuivre ou d'acier. Cette couche métallique peut rapidement évacuer la chaleur générée par les composants et la transférer vers le dissipateur thermique ou la couche de cœur métallique, améliorant ainsi la stabilité du circuit et réduisant les risques de surchauffe.
Parmi ces matériaux métalliques, l'aluminium est le plus couramment utilisé en raison de sa bonne conductivité thermique, de sa résistance mécanique élevée et de son faible coût. Il constitue actuellement le choix le plus répandu pour la fabrication de MCPCB.
Les MCPCB sont constitués d'une couche conductrice, d'une couche d'isolation thermique et d'une couche de substrat métallique.
Un circuit imprimé standard à noyau métallique est composé de :
• Couche de masque de soudure
• Couche de circuits
• Couche de cuivre (1 oz à 6 oz de cuivre, le plus courant 1 à 2 oz)
• Couche d'isolation diélectrique
• Couche centrale métallique (aluminium, cuivre ou acier) — fonctionnant comme un dissipateur thermique
• Revêtement ou finition de protection en option
Avantages du MCPCB
Par rapport aux circuits imprimés traditionnels, les PCB à noyau métallique présentent les avantages évidents suivants :
1. Dissipation thermique supérieure
Grâce à l'utilisation de matériaux métalliques, la conductivité thermique des circuits imprimés à cœur métallique (notamment les substrats en aluminium et en cuivre) est excellente. Ils permettent de dissiper rapidement la chaleur générée par les LED haute puissance, les modules d'alimentation, l'électronique automobile, etc., améliorant ainsi considérablement l'efficacité de la dissipation thermique et la stabilité du circuit.
2. Besoin réduit de dissipateurs thermiques externes
Les cartes MCPCB conduisent très bien la chaleur par elles-mêmes ; dans de nombreux cas, il n'est donc pas nécessaire d'ajouter des dissipateurs thermiques ou des ventilateurs supplémentaires. Ainsi, l'équipement est plus compact, plus léger et sa conception est simplifiée.
3. Haute résistance mécanique
La couche de noyau métallique (en particulier le matériau en aluminium) rend le circuit imprimé plus rigide, capable de résister aux contraintes causées par la flexion, les vibrations et la dilatation et la contraction thermiques, et plus durable à la fois dans la production et l'utilisation.
4. Léger et écologique
Comparés aux circuits imprimés en céramique ou en fibre de verre, les circuits imprimés à cœur métallique sont non seulement plus légers et plus durables, mais aussi recyclables et réutilisables. L'aluminium, en particulier, non toxique, écologique et recyclable, est particulièrement adapté à une fabrication durable.
5. Stabilité dimensionnelle
Dans la plage de température de 30 °C à 150 °C, les circuits imprimés à noyau métallique maintiennent des dimensions et des performances stables, garantissant le fonctionnement fiable à long terme de l'équipement.
Types de MCPCB
Selon la configuration des couches conductrices et métalliques, les MCPCB peuvent être classés en cinq types principaux :
1. MCPCB monocouche
2. COB MCPCB (puce sur carte)
3. MCPCB double couche
4. MCPCB double face
5. MCPCB multicouche
MCPCB monocouche
MCPCB monocouche
Un circuit imprimé monocouche à noyau métallique se compose de trois parties : la couche de circuit imprimé en cuivre, la couche d'isolation diélectrique et la base métallique (généralement en aluminium). Cette structure est simple et pratique, économique et fiable, et parfaitement adaptée à la production en série.
Applications :
• Éclairage LED et lampes à haute luminosité
• Relais automobiles et industriels
• Équipement audio et amplificateurs
• Capteurs et machines d'emballage
Les MCPCB monocouches produits par PCBaSic sont largement utilisés dans l'éclairage LED. Grâce à leurs excellentes performances de dissipation thermique, ils permettent de réduire efficacement la température, garantissant ainsi la luminosité et la longévité des lampes.
COB MCPCB
Un circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB) COB est un type particulier de circuit imprimé à noyau métallique. Sa principale caractéristique réside dans l'installation directe des puces nues sur le noyau métallique, éliminant ainsi la nécessité d'une couche barrière diélectrique dans la structure traditionnelle.
Cette conception permet un contact direct entre la puce et le cœur métallique du circuit imprimé, ce qui accélère et optimise le transfert de chaleur. La conductivité thermique peut dépasser 200 W/m·K, soit une valeur quasiment équivalente à celle du matériau de base métallique lui-même.
La structure de base du PCB à noyau métallique COB comprend :
• Collage direct de puces sur PCB à noyau métallique
• Liaison par fils pour l'interconnexion des signaux
• Encapsulation de résine époxy pour la protection des puces
La puce est solidement intégrée à la carte MCPCB grâce à un câblage par microsoudage et une encapsulation époxy. Cette conception améliore l'uniformité de la lumière et, par conséquent, prolonge la durée de vie des LED haute puissance.
La plupart des cartes MCPCB COB utilisent l'aluminium comme matériau de base en raison de sa bonne conductivité thermique, de sa résistance élevée et de son faible coût, ce qui en fait le matériau de choix de la plupart des fabricants de circuits imprimés à cœur métallique. Certains produits haut de gamme utilisent également des circuits imprimés en aluminium à finition miroir avec placage argent/or pour améliorer la réflectivité et la dissipation thermique.
Applications :
• Lampadaires et projecteurs à LED
• Modules de rétroéclairage et d'affichage à LED
• Alimentations et convertisseurs
• Phares et systèmes de signalisation automobiles
• Lampes de culture agricoles et horticoles
• Systèmes d'éclairage industriels et architecturaux
MCPCB double couche
MCPCB double couche
Un MCPCB double couche est un type de circuit imprimé à cœur métallique dont la structure est plus complexe qu'un circuit imprimé monocouche. Il comporte deux couches de cuivre, toutes deux laminées sur la base métallique, du même côté. Les matériaux couramment utilisés sont l'aluminium ou le cuivre. Le cœur métallique est situé au bas du circuit imprimé, ce qui assure un bon maintien mécanique et favorise une dissipation thermique rapide.
Contrairement aux circuits imprimés à noyau métallique double face, où les deux couches de cuivre sont réparties des deux côtés du noyau métallique, tous les composants électroniques d'un MCPCB double couche sont installés du même côté, ce qui rend la structure plus compacte.
Comparée aux circuits imprimés monocouches à cœur métallique, la production de circuits imprimés double couche à cœur métallique est plus complexe. Lors de la fabrication, une étape de laminage supplémentaire est nécessaire pour solidariser la couche thermoconductrice au substrat métallique. Cette étape exige une précision de processus élevée et doit garantir l'isolation et la fiabilité de la conduction électrique des couches.
Applications du MCPCB double couche
• Onduleurs et redresseurs de puissance
• Préamplificateurs et amplificateurs audio
• Unités de contrôle et régulateurs de puissance
• Équipements d'automatisation industrielle
• Pilotes de moteur et modules de communication
En tant que fabricant professionnel de MCPCB, PCBasic adopte une technologie de laminage avancée pour garantir que dans chaque carte MCPCB double couche, la couche conductrice thermique est étroitement combinée avec le substrat métallique et n'est pas sujette au délaminage.
MCPCB double face
Similaires aux circuits imprimés à noyau métallique double couche, les circuits imprimés à noyau métallique double face comportent également deux couches de conducteurs en cuivre. Cependant, leur noyau métallique est situé entre ces deux couches. Autrement dit, des pistes de circuit se trouvent sur les faces supérieure et inférieure de la couche de noyau métallique, connectées par des vias métallisés.
Contrairement aux circuits imprimés à noyau métallique simple face, les MCPCB double face nécessitent une étape de laminage supplémentaire pendant la production, qui lie fermement les couches conductrices thermiques à motifs au substrat à noyau métallique.
Comparés aux circuits imprimés FR-4 classiques, les circuits imprimés double face à âme métallique exigent une précision et une expérience de fabrication supérieures. Lors du laminage de deux couches de cuivre sur l'âme métallique, il est nécessaire de contrôler précisément la température, la pression et les performances d'isolation. C'est la seule façon de garantir une bonne isolation électrique et des performances thermiques stables.
Applications :
• Unités de contrôle industrielles
• Convertisseurs et régulateurs de puissance
• Systèmes CVC
• Tableaux de bord automobiles
• UPS et systèmes de communication
MCPCB multicouche
MCPCB multicouche
Un circuit imprimé multicouche à cœur métallique est un type de carte de circuit imprimé hautes performances. Il est composé de plusieurs couches de cuivre et de matériaux diélectriques thermoconducteurs empilés sur une base métallique solide.
Cette structure permet au circuit imprimé de réaliser un routage interne des signaux, des plans de masse et des vias borgnes ou enterrés, tout en maintenant une conductivité thermique élevée. Elle offre également une plus grande flexibilité de conception et une meilleure gestion thermique.
Comparés aux circuits imprimés FR-4 traditionnels, les MCPCB multicouches sont soumis à des exigences de fabrication plus élevées. Lors du processus de laminage, il est nécessaire de contrôler précisément la température, la pression et les performances d'isolation afin de garantir une adhérence optimale de chaque couche de cuivre au noyau métallique.
Applications :
• Serveurs et centres de données
• Systèmes aérospatiaux et satellitaires
• Électronique médicale (ECG, moniteurs cardiaques)
• Systèmes de communication à haute fréquence
• Instrumentation scientifique
