Fabrication de circuits imprimés en cuivre lourd - PCBBasic
L'électronique moderne est confrontée à des problèmes croissants de puissance, de fiabilité et de température ; c'est pourquoi les circuits imprimés en cuivre épais s'imposent comme une solution technologique de pointe. Les circuits imprimés classiques utilisent généralement des couches de cuivre d'environ 1 g/m², tandis que les circuits imprimés en cuivre épais utilisent des pistes et des plans de cuivre beaucoup plus épais.
Les professionnels de l'industrie définissent un circuit imprimé en cuivre lourd comme un circuit dont les couches internes ou externes contiennent au moins 3 μm de cuivre. Certaines sources précisent que des cartes d'une épaisseur de 105 μm peuvent également être incluses. Ces cartes spécialisées contiennent généralement des poids de cuivre compris entre 2 et 70 g/m², et certaines versions extrêmes peuvent atteindre jusqu'à 3 g/m².
Les circuits imprimés en cuivre épais présentent évidemment des avantages par rapport aux circuits imprimés classiques. Le poids supplémentaire du cuivre offre des voies de faible résistance aux courants dans les appareils gourmands en énergie, ce qui les rend plus efficaces et réduit les risques de surchauffe. À titre d'exemple, observez comment des circuits imprimés de 3 g de cuivre d'épaisseur peuvent supporter des courants de 10 à 20 ampères de manière fiable pendant 10 ans, tandis que ceux de 10 g peuvent supporter plus de 50 ampères.
Ces cartes offrent une gestion thermique exceptionnelle et permettent aux composants de fonctionner à des températures optimales, même dans des conditions difficiles. La robustesse du cuivre améliore la résistance des trous traversants et des connecteurs, ce qui leur confère une résistance accrue aux cycles thermiques, aux vibrations et aux contraintes mécaniques.
La production de circuits imprimés en cuivre lourd nécessite des procédés spéciaux de gravure et de placage. Les procédés de fabrication modernes combinent placage et gravure, ce qui permet d'obtenir des parois latérales droites avec une contre-dépouille minimale, contrairement aux procédés précédents qui produisaient des parois latérales rugueuses. Les fabricants peuvent désormais prendre en charge des circuits à courant élevé et des circuits de commande standard sur une même carte, car ils peuvent déposer différents poids de cuivre dans la même couche.
Cette technologie répond aux demandes croissantes des consommateurs en matière de produits électroniques dotés d’une conductivité thermique améliorée, d’une tolérance aux tensions élevées et de performances améliorées dans des environnements difficiles.
Qu'est-ce qu'une PCB en cuivre lourd (ou PCB en cuivre épais)?
Les circuits imprimés standard contiennent des couches de cuivre de 1 à 3 g d'épaisseur, ce qui convient aux composants électroniques courants. Les circuits imprimés en cuivre épais (ou PCB en cuivre lourd) présentent une épaisseur de cuivre de 3 g ou plus sur une ou toutes les couches. Certains experts du secteur qualifient de PCB en cuivre lourd les cartes dont l'épaisseur de cuivre dépasse 2 μm (70 oz).
Ces circuits imprimés spécifiques contiennent généralement entre 4 et 10 g de cuivre. Les versions ultra-épaisses supportent des charges de courant exceptionnelles, atteignant jusqu'à 20 à 200 g par pied carré. L'épaisseur accrue du cuivre modifie les caractéristiques électriques et thermiques de la carte.
Les circuits imprimés en cuivre massif sont particulièrement adaptés aux applications haute puissance, où une gestion thermique ultra-élevée est nécessaire pour des courants élevés. Les circuits imprimés classiques ne résisteraient pas à des conditions aussi extrêmes, mais les circuits imprimés en cuivre massif sont parfaits pour gérer le flux de courant.
À propos de PCBaSic
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Structure interne de Cuivre lourd Boards
Les circuits imprimés en cuivre massif sont fabriqués selon des procédés spécialisés, bien plus avancés que ceux de la fabrication classique. Le procédé simple reste le même : gravure et galvanoplastie. Ces circuits ne nécessitent cependant que des techniques de gravure et de galvanoplastie spécifiques. Cela permet d'obtenir des flancs de piste et des contre-dépouilles conformes à des spécifications précises.
Les fabricants utilisent plusieurs techniques pour construire ces cartes spécialisées :
● Processus de la barre bleue
Des barres de cuivre épaisses pénètrent directement dans le circuit imprimé. Cela minimise le poids total et améliore la planéité grâce à l'infiltration de la résine dans les zones en cuivre du circuit.
● Dépôt de stratifié
Cette technique utilise une base en cuivre épaisse pour plus de fiabilité et de régularité. Elle permet également un contrôle aisé des bords pour les tracés fins.
● Cuivre enterré
Du cuivre épais est pré-installé dans le préimprégné. L'épaisseur de la résine et la découpe laser sont déterminantes pour l'épaisseur du cuivre.
L'épaisseur inégale reste le principal obstacle technique à la production. Les fabricants doivent définir précisément la position des pastilles et l'alignement des couches afin d'obtenir une répartition équilibrée du cuivre sur la carte.
Pourquoi Choisir PCB en cuivre lourds Sont utilisés ?
L'automobile, l'électronique de puissance et les équipements industriels nécessitent des cartes capables de supporter des conditions rigoureuses. Les circuits imprimés en cuivre robustes ont été conçus pour répondre à ces exigences élevées et offrent une solution là où les cartes classiques sont vouées à des pannes rapides.
PCB ordinaire VS. PCB en cuivre lourd
Les circuits imprimés (PCB) en cuivre standard et lourds se distinguent principalement par leur poids. Les PCB commerciaux classiques utilisent un poids de cuivre compris entre 0.5 et 3 oz/ft², ce qui est suffisant pour la transmission du signal, mais insuffisant pour les conceptions gourmandes en énergie. Les PCB en cuivre lourds utilisent un poids de cuivre compris entre 4 et 60 oz/ft² et offrent ainsi une plateforme beaucoup plus robuste pour les conceptions gourmandes en énergie.
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Fonctionnalité
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PCB ordinaire
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PCB en cuivre lourd
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Épaisseur de cuivre
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0.5 oz/pi² à 2 oz/pi²
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3 oz/pi² à 20+ oz/pi²
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Capacité actuelle
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Normal (ampères limités)
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Beaucoup plus élevé (idéal pour un courant élevé)
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Force mécanique
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Standard
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Très solide et robuste
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Dissipation de la chaleur
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Modérée
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Excellent (supporte plus de chaleur)
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Difficulté de fabrication
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Plus facile, moins cher
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Plus dur, plus cher
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Applications courantes
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Électronique grand public, ordinateurs
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Alimentations électriques, automobiles, militaires, systèmes industriels
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Prix
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Coût en adjuvantation plus élevé.
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Meilleure performance du béton
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Bénéfices du PCB en cuivre lourds
Le poids supplémentaire du cuivre transforme un circuit imprimé instable en une plateforme de câblage robuste et stable. Les circuits imprimés en cuivre épais offrent des chemins de courant à faible résistance pour les appareils gourmands en énergie, améliorant ainsi l'efficacité et réduisant le risque de surchauffe.
● Capacité de transport de courant élevée
Les circuits imprimés de prototypage en cuivre de 3 g d'épaisseur peuvent supporter un courant de 10 à 20 ampères de manière constante pendant plus de dix ans. Les circuits imprimés de 10 g d'épaisseur supportent facilement plus de 50 ampères. Cette augmentation considérable de la capacité de transport de courant rend ces circuits imprimés de prototypage idéaux pour les applications à haute densité de puissance.
● Excellente dissipation de chaleur
Le poids supplémentaire en cuivre sert de dissipateur thermique et dissipe efficacement la chaleur des composants gourmands en énergie. Cette gestion thermique améliorée prévient les points chauds et renforce la fiabilité du système.
● Résistance mécanique améliorée au niveau des sites de connexion
Le test de cycle thermique (TCT) montre un faible taux de défaillance de 0.57 % après huit cycles pour les cartes plaquées cuivre d'au moins 2.5 mils. Cette résistance mécanique accrue rend ces circuits imprimés idéaux pour les emplacements de connecteurs et les trous traversants métallisés, là où les cartes classiques échouent.
● Haute fiabilité dans les environnements difficiles
Ces circuits imprimés présentent une excellente résistance aux contraintes mécaniques dues aux cycles thermiques. Cette excellente durabilité explique leur utilisation intensive dans les applications aérospatiales, de défense et de contrôle industriel, notamment lorsque la défaillance est inacceptable.
Considérations de conception pour PCB en cuivre lourds
La conception de circuits imprimés en cuivre lourd doit être réalisée avec un soin particulier, car les paramètres techniques diffèrent sensiblement des procédures de conception standard. De nombreux facteurs importants doivent être pris en compte pour les performances de fabrication, la fiabilité et la fabricabilité, en particulier pour les poids de cuivre supérieurs à 3 oz/pi².
Épaisseur et largeur de trace du cuivre
L'épaisseur et la largeur des pistes des circuits imprimés en cuivre sont étroitement liées dans la conception de circuits imprimés en cuivre épais. La largeur minimale des pistes doit augmenter avec l'épaisseur du cuivre. Les règles de conception standard ne sont plus valables : une largeur de ligne de 3 mils, adaptée à une épaisseur de cuivre de 0.5 oz ou 1 oz, ne suffit pas pour des poids plus importants. Les circuits imprimés en cuivre de 3 à 20 oz nécessitent des pistes beaucoup plus larges pour une fabrication optimale. La gravure sur cuivre plus épais nécessite une exposition chimique plus agressive ; les concepteurs doivent donc prévoir une éventuelle contre-dépouille.
Comment choisir la bonne épaisseur de cuivre
Pour choisir l'épaisseur optimale d'un PCB en cuivre, il faut d'abord déterminer les exigences actuelles de votre application. Les calculateurs de largeur de piste sont d'excellents outils pour obtenir trois paramètres : largeur de piste, courant admissible et échauffement. Ces outils peuvent calculer le troisième paramètre dès que deux paramètres sont fournis en entrée, vous permettant ainsi de sélectionner l'épaisseur optimale pour votre PCB en cuivre. Pour les applications nécessitant un courant supérieur à 100 A, les pistes standard ne conviennent pas et il faut utiliser des barres omnibus en cuivre.
Capacité de transport de courant
La capacité de courant est mathématiquement corrélée au poids du cuivre du circuit imprimé et à la taille des pistes. La norme IPC-2221 fournit la formule I = KΔT^0.44 × A^0.75, où K est égal à 0.024 pour les conducteurs internes et à 0.048 pour les conducteurs externes. Les couches internes ne peuvent supporter que la moitié de la capacité de transport de courant des pistes exposées. L'échauffement doit être compris entre 10 et 20 °C dans la plupart des applications. La chaleur due aux pertes I²R doit être suffisamment dissipée pour éviter toute défaillance des composants.
Sélection du substrat et des matériaux d'isolation
Le poids du cuivre des PCB rend le choix du substrat plus important. L'épaisseur de la carte devra être supérieure à 1.6 mm pour 20 oz de cuivre. L'utilisation de PCB à cœur de cuivre élevé nécessite des matériaux à Tg élevée avec un CTE comparable. Le FR-4 est efficace, mais les PCB à cœur métallique (MCPCB) offrent de meilleurs avantages thermiques. Certaines applications extrêmes nécessiteront des laminés spéciaux offrant une meilleure conductivité thermique.
Gestion thermique et coefficient de dilatation thermique (CTE)
CTE (coefficient de dilatation thermique) mesure dans quelle mesure un PCB se dilate avec la température, en ppm / ° C.
Stratifiés FR-4 standard avoir un ETC de 14–17 ppm/°C.
Boîtiers de puces de silicium ont un CTE inférieur d'environ 6 ppm/°C.
Inadéquation CTE entre PCB et puces causes la concentration de stress lors des changements de température.
PCB en cuivre lourd need inadéquation minimale de l'ETC car le cuivre épais génère de grandes forces thermiques.
PCB en cuivre lourds Processus de fabrication
La fabrication de circuits imprimés en cuivre épais nécessite des procédés spécialisés, très différents de la production standard. Les circuits imprimés classiques utilisent des procédés de gravure et de placage simples. Les circuits imprimés en cuivre épais nécessitent des techniques avancées pour répondre aux exigences d'épaisseur de cuivre extrêmes.
1. Méthodes de fabrication traditionnelles
Les méthodes traditionnelles formaient des motifs en cuivre épais en gravant des panneaux laminés plaqués cuivre épais. Cela produisait des flancs irréguliers et une contre-dépouille excessive. La technologie de placage moderne combine désormais placage et gravure pour créer des flancs droits avec une contre-dépouille minimale.
2. Épaisseur du cuivre et traitement des couches
Les fabricants gravent généralement des laminés cuivrés pour les circuits imprimés dont l'épaisseur de cuivre est inférieure à 10 g. Ils gravent directement les couches internes sur les laminés cuivrés. Les couches externes subissent ensuite une galvanoplastie supplémentaire pour obtenir l'épaisseur souhaitée. Un circuit imprimé en cuivre épais de 3 g utilise des laminés cuivrés de 3 g pour les couches internes et de 2 g pour les couches externes. La galvanoplastie ajoute le cuivre restant.
3. Fabrication pour Ultra-PCB en cuivre épais
Les circuits imprimés d'une épaisseur de cuivre de 10 g ou plus sont fabriqués à partir d'une feuille de cuivre rouge plutôt que de laminés cuivrés. Cette feuille, combinée à du préimprégné, permet de créer des circuits imprimés en cuivre ultra-épais.
4. Défis du masque de soudure
L'application du masque de soudure pose des défis uniques dans la fabrication de cuivre lourd. La sérigraphie traditionnelle entraîne souvent une épaisseur inégale du masque. L'encre s'accumule dans les coins du circuit et autour des vias. Certains fabricants utilisent la technologie de pulvérisation électrostatique qui applique le masque de soudure uniformément sur la surface de la carte.
La possibilité d'associer du cuivre lourd à des caractéristiques standard sur une même carte offre des avantages de fabrication considérables. Cette combinaison réduit le nombre de couches, assure une distribution d'énergie à faible impédance et permet des encombrements réduits, avec des économies potentielles. Les circuits à courant élevé et leurs circuits de commande nécessitaient autrefois des cartes séparées. Désormais, ils s'associent harmonieusement pour créer des structures de cartes très denses et simples.
Des contrôles de processus stricts et des tests complets garantissent que ces cartes spécialisées répondent aux exigences des applications haute puissance.
Applications de PCB en cuivre lourds
Les circuits imprimés en cuivre massif sont essentiels dans les secteurs où les circuits imprimés classiques ne répondent pas aux exigences électriques, thermiques ou mécaniques. Ces cartes spécialisées constituent la base de nombreux systèmes critiques.
1. Industrie automobile
L'industrie automobile voit les circuits imprimés en cuivre épais exceller dans les systèmes de charge des véhicules électriques et les contrôleurs de moteur. Ces cartes permettent aux systèmes de gestion de batterie de gérer des courants allant jusqu'à 100 ampères pendant les cycles de charge et de décharge. Leur capacité à supporter des températures supérieures à 150 °C les rend idéales pour les environnements automobiles.
2. Systèmes de distribution d'énergie
Les systèmes de distribution d'énergie dépendent désormais largement de ces circuits imprimés. Les entreprises les utilisent dans les systèmes d'excitation des régulateurs de puissance, des systèmes de commutation de réseau, des redresseurs haute puissance et des relais de surcharge. Les circuits imprimés modernes en cuivre épais ont remplacé les anciennes méthodes de distribution par câbles et de tôlerie, simplifiant ainsi les processus et améliorant la fiabilité des produits.
3. Applications militaires et aérospatiales
Les secteurs militaire et aérospatial dépendent de ces circuits imprimés spécialisés pour les systèmes de contrôle d'armes, les équipements radar et les systèmes de surveillance. L'électronique des systèmes avioniques et de communication dure plus longtemps grâce à ses performances mécaniques exceptionnelles dans des conditions difficiles.
4. Systèmes d'énergie renouvelable
Les systèmes d'énergie renouvelable ont plus que jamais besoin de circuits imprimés en cuivre épais. Les onduleurs solaires, les contrôleurs d'éoliennes et les panneaux de commande des centrales hydroélectriques utilisent ces cartes pour gérer les charges électriques importantes. À titre d'exemple, un onduleur solaire de 5 kW peut utiliser des pistes conçues pour 30 ampères.
5. Équipement médical
Les équipements médicaux tels que les appareils d'imagerie et les systèmes de surveillance des patients fonctionnent mieux grâce à la fiabilité des circuits imprimés flexibles en cuivre. Les systèmes d'automatisation industrielle les utilisent dans les systèmes de sécurité, les équipements de soudage et les parasurtenseurs, où les courants et tensions élevés sont fréquents.
6. Progrès dans la technologie de fabrication
Les progrès technologiques de fabrication ont permis à ces cartes spécialisées de remplacer les méthodes de transmission traditionnelles. Ce changement a permis de réduire la taille des produits tout en les rendant plus fiables.
PCBaSic PCB en cuivre lourd CAPACITÉS DE PRODUCTION
PCBasic est un leader dans la fabrication de circuits imprimés en cuivre épais. PCBasic est également l'un des principaux fournisseurs chinois de circuits imprimés en cuivre épais. Ses produits en cuivre épais sont définis comme des cartes dont l'épaisseur interne ou externe du cuivre est supérieure ou égale à 3 oz (105 µm). Leurs circuits imprimés en cuivre ultra-épais répondent à des besoins énergétiques exceptionnels avec des cartes dépassant 300 µm.
Les techniques de fabrication avancées de l'entreprise vont bien au-delà de la production standard de circuits imprimés. Le principal problème rencontré lors de la fabrication de cuivre épais réside dans la perte importante de forets due à l'augmentation de l'épaisseur du cuivre. PCBasic utilise des forets UC en cuivre épais spécialisés pour relever ce défi. Leur équipement et leurs paramètres de perçage optimisés permettent de créer des parois de trous planes et lisses, même à travers du cuivre exceptionnellement épais.
La phase de gravure joue un rôle essentiel dans la production de circuits imprimés en cuivre lourd. PCBasic la considère comme sa technologie de base pour la fabrication de circuits. La qualité des circuits devient plus difficile à maintenir à mesure que l'épaisseur du cuivre augmente.
PCBasic est devenu expert en techniques de sérigraphie pour les applications en cuivre épais. L'entreprise se concentre sur les forces de liaison élevées entre le masque de soudure et le matériau de base. Une pompe à vide pour masque de soudure élimine les problèmes de qualité liés aux bulles de masque, plus fréquentes avec le cuivre épais.
Tous les circuits imprimés en cuivre épais de PCBasic utilisent des matériaux à haute teneur en titane. C'est pourquoi l'entreprise a investi dans des couteaux à gong spéciaux plaqués titane. Cet investissement permettra d'obtenir une finition lisse des bords des cartes tout au long de la fabrication.
Le département R&D a créé une documentation complète, comprenant notamment les « Directives de conception et d'exploitation pour les circuits imprimés en cuivre épais » et le « Contrôle des modes de défaillance des circuits imprimés en cuivre épais ». Ces systèmes contrôlent la conception des produits, les paramètres de processus et les tests des produits finis afin de répondre aux exigences des clients.
Ce système complet fait de PCBasic l'un des meilleurs fabricants de circuits imprimés en cuivre lourd, fiables pour des applications exigeantes. Leurs produits sont particulièrement adaptés aux dispositifs médicaux, aux équipements d'automatisation industrielle, aux systèmes automobiles, aux trains à grande vitesse, aux navires, aux produits militaires et aux systèmes d'éclairage LED.
Conclusion
Les circuits imprimés à haute teneur en cuivre sont essentiels pour l'électronique haute puissance moderne, avec des épaisseurs de cuivre de 3 oz/pi² ou plus. Ces cartes peuvent gérer des courants de plus de 50 ampères sans compromettre la stabilité thermique, ce qui les rend indispensables pour les applications gourmandes en énergie.
Le cuivre lourd pour circuits imprimés se distingue par sa résistance à la chaleur, sa fiabilité et sa prévention des pannes de composants dans des conditions extrêmes. Cette technique remplace les anciennes méthodes de transmission d'énergie, permettant ainsi la création de produits compacts et plus performants.
La conception de circuits imprimés en cuivre lourds nécessite des calculs de courant précis, un choix précis des substrats et une bonne dilatation thermique. Des procédés de production spécifiques, tels que la gravure et le placage, sont essentiels à leur fabrication.
Le marché des circuits imprimés en cuivre lourd est en pleine expansion dans des secteurs comme l'automobile, l'armée, les énergies renouvelables et le médical. Avec l'évolution des systèmes électroniques, les avancées technologiques amélioreront la densité de puissance et la fiabilité des applications futures.
