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Pourquoi la chaleur détruit les appareils électroniques et comment les circuits imprimés en aluminium y remédient
Ce qu’est réellement un circuit imprimé en aluminium…
Un circuit imprimé en aluminium est un circuit imprimé à base métallique, généralement en aluminium, parfois en cuivre, reliée à la couche de circuit en cuivre par un mince diélectrique thermoconducteur. Et ce, pour une seule raison. Chaque watt dissipé par un composant électronique doit quitter le circuit imprimé avant que la température de jonction ne dépasse sa valeur maximale. Sur un FR-4 standard, ce n’est pas possible. (contexte : publications de l’IEEE sur la gestion thermique)
C’est là que de nombreuses conceptions échouent.
Une LED de puissance ou un circuit de commande MOSFET de 3 W repose sur du FR-4, dont le stratifié dissipe la chaleur à environ 0,25 W/mK. La chaleur ne peut pas s’évacuer et retourne donc vers la puce. Sa température augmente, ce qui réduit le courant de sortie, l’intensité lumineuse et la durée de vie, ainsi que la durée de vie et les tensions de tous les composants électrolytiques et semi-conducteurs. Les équipes combattent cette hausse de température avec des dissipateurs, des ventilateurs et des vias thermiques, au prix d’une complexité et d’un poids accrus, ainsi que de nouvelles possibilités de défaillance.
Les 4 couches qui assurent la dissipation thermique
La capacité d’un circuit imprimé en aluminium à évacuer la chaleur qu’un circuit en FR4 retient tient à son empilement des couches. Contrairement à un circuit imprimé classique fabriqué sur fibre de verre tissée, un circuit en aluminium comporte 4 couches superposées, chacune ayant un rôle dans le cheminement de la chaleur :
01
Couche de circuit en feuille de cuivre
la feuille de cuivre gravée qui forme votre circuit, généralement de 1 à 6 oz. Son épaisseur détermine la capacité en courant, comme sur tout circuit imprimé.
02
Couche diélectrique thermoconductrice (isolante)
un mince polymère chargé de céramique qui assure l’isolation électrique tout en conduisant la chaleur vers le bas à une conductivité de 1,0 à 5,0 W/m·K. C’est cette couche qui distingue un bon circuit imprimé à âme métallique d’un circuit médiocre.
03
Couche de base en aluminium (substrat)
le substrat en aluminium, généralement un alliage 5052 ou 6061, qui répartit la chaleur et constitue la base structurelle du circuit imprimé.
04
Face arrière / finition de surface
le traitement de surface et la finition de surface facultative de la base, qui protègent le substrat en aluminium pendant l’assemblage de cartes électroniques et l’utilisation.
Capacités de PCBark pour les circuits imprimés en aluminium et à âme métallique (standard → maximum)
La plupart des pages de fabricants ne présentent qu’une colonne de caractéristiques « typiques » pour les circuits imprimés en aluminium : impossible alors de savoir si une conception aux limites des capacités est réalisable. Nous en publions 3. Le tableau à 3 niveaux des capacités de fabrication des circuits imprimés en aluminium ci-dessous présente notre plage de production standard, notre plage de capacités avancées pour les projets exigeants en dissipation thermique et le maximum que nous avons qualifié, afin qu’un ingénieur puisse choisir le niveau adapté avant même d’envoyer un fichier Gerber.
CONTRÔLE DFM // VALIDÉ
Franchement, l’essentiel de ce tableau relève du battage publicitaire, à l’exception de 2 chiffres. La conductivité maximale du diélectrique, de 5,0 W/mK, se situe à la limite supérieure de ce que permettent les stratifiés thermoconducteurs de production. Des demandes de brevet indépendantes sur les diélectriques IMS, dont le brevet américain n° 9 551 082 B2, font état de couches diélectriques en céramique dépassant 5 WmK et d’une rigidité diélectrique supérieure à 50 kVmm : il s’agit donc d’une limite matérielle exigeante, et non d’un argument commercial. Le maximum de 6 couches change considérablement la donne, car la plupart des fabricants de circuits imprimés en aluminium ne dépassent pas 1 ou 2 couches ; avec une âme métallique multicouche, vous pouvez intégrer toute la logique de puissance et de commande sur un seul circuit imprimé à gestion thermique. (limite du diélectrique vérifiée à partir de l’USPTO US 9 551 082 B2)
| Paramètre | Capacité standard | Capacité avancée | Capacité maximale |
|---|---|---|---|
| Type de produit | Circuit imprimé en aluminium simple ou double face | Circuit imprimé en aluminium à haute conductivité, pour LED et applications de puissance | Circuit imprimé multicouche en aluminium, à base de cuivre ou à âme métallique hybride |
| Couches | 1–2 | 1–4 | 6 |
| Épaisseur du circuit imprimé | 1,0–2,0 mm | 0,8–3,0 mm | 0,6–5,0 mm |
| Épaisseur de la base en aluminium | 0,8–1,5 mm | 0,6–3,0 mm | 5,0 mm |
| Épaisseur du cuivre | 1–2 oz | 1–4 oz | 6 oz |
| Conductivité thermique | 1,0–2,0 W/m·K | 2,0–3,0 W/m·K | 5,0 W/m·K |
| Largeur minimale des pistes / espacement minimal | 0,15 / 0,15 mm | 0,10 / 0,10 mm | 0,075 / 0,075 mm |
| Diamètre minimal de perçage | 0,30 mm | 0,20 mm | 0,15 mm |
| Épaisseur du cuivre dans les trous | ≥20 µm | ≥25 µm | ≥35 µm |
| Finition de surface | HASL-LF, OSP, ENIG | ENIG, HASL-LF, OSP | ENIG, argent par immersion, étain par immersion |
| Masque de soudure | Blanc, noir, vert | Blanc, noir, noir mat, bleu | Couleurs personnalisées |
| Découpe des contours | Fraisage CNC, rainurage en V | Fraisage CNC, rainurage en V, poinçonnage | Contours irréguliers et complexes |
| Dimensions maximales du circuit imprimé | 400 × 500 mm (jusqu’à 1500 × 400) | 500 × 600 mm | 600 × 1200 mm |
| Tension de tenue | 1–2 KV | 2–4 KV | 6 KV |
| Applications | Éclairage LED, modules de puissance | Éclairage automobile, commande industrielle, électronique de puissance | Modules à gestion thermique haute puissance, équipements pour les nouvelles énergies |
Circuits imprimés en aluminium, en FR-4 et à âme de cuivre : comparaison des performances
Un point contre-intuitif : une conductivité plus élevée du métal de base ne signifie pas automatiquement un circuit imprimé plus froid.
Le cuivre présente une conductivité d’environ 386 W/m·K et l’aluminium de 138–167 W/m·K, mais le véritable frein au transfert de chaleur est la mince couche diélectrique entre le circuit en cuivre et la base métallique : sa conductivité n’est que de 1–8 W/m·K et elle détermine l’essentiel de la résistance thermique totale. Choisir un circuit imprimé d’après le seul métal de base est l’erreur la plus fréquente que nous constatons dans les conceptions reçues.
C’est pourquoi il faut comparer la résistance thermique de chaque empilement complet, depuis le composant électronique jusqu’au dissipateur, plutôt que de se limiter à opposer aluminium et cuivre. Comme le montre ci-dessous la comparaison de 8 critères entre l’aluminium, le FR-4 et l’âme de cuivre, elle utilise des valeurs mesurées et publiées, et pas de simples mentions « élevée », « moyenne » ou « faible ». (données de référence sur le diélectrique des circuits à âme métallique : USPTO US 9 265 160 B2)
| Critère | FR-4 (standard) | MCPCB en aluminium | MCPCB à âme de cuivre |
|---|---|---|---|
| Conductivité du stratifié / diélectrique | 0,25 W/m·K | 1,0–5,0 W/m·K (diélectrique) | 1,0–5,0 W/m·K (diélectrique) |
| Conductivité de la base métallique | — | 138–167 W/m·K (5052 / 6061) | ~386 W/m·K (C110) |
| Résistance thermique RθJA (essai LED de TI) | 61,56 °C/W | 39,1 °C/W | encore plus faible |
| Transfert de chaleur par rapport au FR-4 | 1×, valeur de référence | environ 8–9× plus rapide | le plus élevé |
| Coût relatif du circuit imprimé nu | 1× | 2–4× | 4–8× |
| Tenue en température de la base | Tg 130–140 °C | jusqu’à ~400 °C | jusqu’à ~400 °C |
| Souplesse du nombre de couches | 1–20+ (multicouche) | 1–6 couches | 1–2 en général |
| Application la plus adaptée | logique et signaux courants | LED, puissance, gestion thermique automobile | très forte puissance, RF |
Note technique pour lire le tableau
Pour la plupart des circuits imprimés de signaux et de logique, le FR-4 reste la solution de référence.
Lorsque seule la dissipation de la chaleur d’un composant suffit à limiter la température de jonction — et rien de plus —, un circuit imprimé à âme métallique coûte 2 à 4 fois plus cher, mais son prix se justifie, par exemple dans les applications LED et de puissance lorsque l’écart thevezane ne peut autrement être compensé par le cuivre, du moins dans une plage de coût raisonnable avec un diélectrique de 2,0-3,0 W/mK pour un MCPCB en aluminium ; une âme en cuivre, compte tenu de son intérêt thermique par rapport à l’aluminium et de la chaleur qui reste dans le circuit imprimé, serait réservée à des cas d’utilisation extrêmement exigeants, comme les amplificateurs de puissance RF à densité de courant excessive.
8–9×
un transfert de chaleur plus rapide que celui d’un circuit imprimé équivalent en FR-4, ce qui, dans les conceptions de LED haute puissance, a permis à certaines équipes de supprimer les dissipateurs rapportés et de faire état de réductions du coût d’assemblage de cartes électroniques allant jusqu’à 58 % dans des études de cas publiées par le secteur.
Source : rapport des vitesses de transfert de chaleur selon SF Circuits / Power Electronics News ; étude de cas sur les coûts selon SMT Magazine (Saturn Electronics, 2012). Ces chiffres sont des références sectorielles et ne constituent pas une garantie de PCBark.
Types de circuits imprimés et choix : simple ou double face, multicouche, à âme de cuivre et IMS
Le bon circuit imprimé à âme métallique est celui qui répond à votre charge thermique, au nombre de couches requis et à votre objectif de coût : une erreur dans un sens comme dans l’autre a des conséquences, car choisir une âme en cuivre surdimensionnée pour une simple chaîne de LED porte le coût du circuit imprimé à 4-8 fois son prix sans apporter aucun avantage, tandis qu’un dimensionnement insuffisant peut vous coûter cher en renvoyant la chaleur vers la puce et en soumettant votre composant à des contraintes jusqu’à sa défaillance prématurée.
Ce compromis tient au fait que la conductivité du diélectrique et l’épaisseur du cuivre doivent correspondre à la puissance que vous dissipez, indépendamment de ce que dit l’étiquette.
Nous fabriquons les 5 types ci-dessous sur notre ligne interne, du simple face au multicouche de 6 couches : le choix dépend donc entièrement des caractéristiques techniques, sans devoir chercher un fournisseur qui aurait tel ou tel type de circuit imprimé en stock. Contrairement aux fournisseurs limités à la fabrication, qui peuvent vous orienter vers ce qu’ils tiennent en stock, PCBark évalue l’adéquation de chaque option lors de l’analyse DFM.
Suivez les 5 critères de sélection d’un circuit imprimé à âme métallique :
charge thermique, nombre de couches et densité du routage, environnement d’utilisation, volume de production et objectif de coût
Notre tableau de sélection
Le tableau de sélection ci-dessous indique où chaque type de circuit imprimé, jusqu’aux options les plus avancées à âme métallique et à revêtement métallique hybride, trouve le mieux sa place.
| Type de circuit imprimé | Couches | Conductivité du diélectrique. | Applications les plus adaptées |
|---|---|---|---|
| Circuit imprimé en aluminium simple face | 1 | 1,0–2,0 W/m·K | Rubans LED, ampoules, éclairage économique |
| Circuit imprimé en aluminium double face | 2 | 2,0–3,0 W/m·K | Modules de puissance, réseaux de LED plus denses |
| Circuit imprimé multicouche en aluminium | jusqu’à 6 | jusqu’à 5,0 W/m·K | Électronique de puissance et de commande combinée |
| MCPCB à âme de cuivre | 1–2 | diélectrique + base d’environ 386 W/m·K | Très forte puissance, amplificateurs RF |
| IMS (substrat métallique isolé) | 1–2 | 1–5 W/m·K | Automobile, circuits de commande à haute fiabilité |
Circuit imprimé en aluminium simple ou double face
L’âme métallique simple face. La solution de référence pour l’éclairage LED. Une seule couche de cuivre placée au-dessus de notre diélectrique et de notre base en aluminium évacue la chaleur des LED vers le bas, où elle peut se répartir dans le cuivre et se dissiper à travers le circuit imprimé. L’ajout d’une seconde couche au dos pour les composants de puissance double les possibilités de routage lorsque les besoins d’interconnexion augmentent, sans modifier le cheminement thermique dans l’âme métallique.
1–2 couches · 1,0–3,0 W/m·K · 1–4 oz Cu · MOQ adaptable dès le prototype
Circuits imprimés multicouches, à base de cuivre et à âme métallique hybride
L’âme métallique multicouche. Conçue pour accueillir jusqu’à 6 couches conductrices sur un seul circuit imprimé, elle permet de placer la logique de commande et d’autres composants sur la même âme métallique à gestion thermique. Proposées avec une âme entièrement en cuivre ou une âme métallique hybride dans une gamme toujours plus étendue qui maximise le transfert de chaleur, ces structures répondent aux conceptions RF de puissance et aux applications à fort courant les plus exigeantes, avec un diélectrique atteignant 5,0 W/mK au niveau maximal et des couches de cuivre allant jusqu’à 6 oz.
jusqu’à 6 couches · jusqu’à 5,0 W/m·K · jusqu’à 6 oz Cu · 600 × 1200 mm max
Applications : éclairage LED, automobile, électronique de puissance et nouvelles énergies
L’âme métallique et la structure en couches des circuits imprimés en aluminium et à âme métallique. Ces circuits imprimés deviennent indispensables dès que la chaleur produite par le composant électronique constitue le principal frein aux performances. Comme le montre le tableau des applications thermiques, des LED à l’automobile, vos besoins particuliers en matière de gestion thermique et de fiabilité déterminent le niveau de produit nécessaire. (contexte relatif à l’efficacité des LED : U.S. DOE Solid-State Lighting)
Grâce à leur bon équilibre entre performances thermiques et coût pour de nombreuses applications, les LED restent notre principal domaine d’application. Le principe physique est simple : des LED moins chaudes conservent leur luminosité plus longtemps, ou les concepteurs peuvent les alimenter plus fortement à charge thermique constante. Dans l’automobile, en particulier dans les compartiments moteur et les phares où la température ambiante élevée en permanence rend le FR-4 risqué, la couche de base métallique devient le seul moyen fiable d’évacuer la chaleur du circuit de commande par un chemin intégré, de maintenir le module dans ses spécifications de fonctionnement et d’éviter les mauvaises surprises sous le capot. Le même principe s’applique aux convertisseurs de puissance et aux équipements destinés aux nouvelles énergies : nous utilisons alors des structures à base de cuivre ou multicouches pour gérer les courants et les charges thermiques les plus élevés tout en respectant des objectifs de coût serrés.
Les convertisseurs de puissance représentent notre deuxième catégorie d’applications et présentent généralement un échauffement des circuits imprimés, des températures ambiantes ainsi que des tensions et des courants de fonctionnement plus élevés que dans les applications d’éclairage LED. Nos alimentations à découpage, modules de puissance DC-DC et variateurs de moteur sont conçus pour évacuer de grandes quantités de chaleur des composants critiques à fort courant grâce à la conductivité thermique de la base métallique, afin d’éviter toute défaillance prématurée. Notre structure robuste à substrat en aluminium sert de dissipateur thermique au niveau du circuit imprimé pour l’ensemble de l’étage de puissance, tandis que l’épaisseur importante du cuivre de nos circuits imprimés permet de supporter des courants plus élevés et constitue l’une des principales raisons pour lesquelles les ingénieurs passent d’un circuit imprimé en FR-4 à un circuit imprimé à base d’aluminium et de cuivre lorsque la densité augmente. Les hautes performances de gestion thermique ne peuvent plus être une option ajoutée à votre circuit imprimé : elles doivent faire partie de son architecture.
Certifications et contrôle qualité (classe IPC 2/3, ISO 9001, UL, RoHS)
Pour un nouveau fournisseur, la question décisive est de savoir si le circuit imprimé qualifié sera bien celui que vous pourrez acheter en volume. Nos références sont des normes reconnues par le secteur, et non des appréciations subjectives. Tous les circuits imprimés en aluminium et à âme métallique de PCBark sont conçus, fabriqués et contrôlés conformément à l’IPC-6012 (spécification et conception des circuits imprimés rigides), puis évalués selon les critères visuels de l’IPC-A-600, dans la classe IPC choisie par le client (classe 2 ou classe 3). Chaque circuit imprimé PCB bark subit un test électrique à 100 %. (système qualité conforme à l’ISO 9001:2015)
IPC-6012
Qualification des circuits imprimés rigides
IPC-A-600
Critères d’acceptation de classe 2 / classe 3
ISO 9001
Management de la qualité
UL 94V-0
Classement de résistance au feu
RoHS / REACH
Conformité des matériaux
Test électrique à 100 %
Chaque circuit imprimé, à chaque lot
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Outils avancés d’ingénierie pour circuits imprimés à âme en aluminium (MCPCB)
Estimateur de résistance thermique pour circuits imprimés en aluminium
Estimez la résistance thermique entre la jonction et l’air ambiant, ainsi que la baisse de température de votre composant sur un MCPCB en aluminium par rapport au FR-4. Modèle de premier ordre pour choisir un circuit imprimé dès les premières étapes de conception.
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Sélecteur de niveaux de capacité pour MCPCB en aluminium
Associez les exigences de votre conception aux niveaux de capacité Standard, Best ou Maximum de PCBark et voyez immédiatement si vos spécifications entrent dans nos capacités de production avant d’envoyer un fichier Gerber.
Lancer le sélecteur
Comparateur de coût total de possession : MCPCB ou FR-4 avec dissipateur thermique
Un circuit imprimé nu à âme métallique coûte plus cher, mais un circuit en FR-4 a besoin de dissipateurs, de ventilateurs et de vias thermiques pour gérer la même chaleur. Comparez le coût complet par unité des deux solutions pour votre volume de production.
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FAQ sur les circuits imprimés en aluminium : questions fréquentes des acheteurs
Le prix dépend du niveau de capacité, du nombre de couches, de l’épaisseur de cuivre, de la finition de surface et du volume ; un circuit imprimé standard simple face coûte bien moins cher qu’un circuit de 6 couches à 5,0 W/m·K. À titre indicatif, un circuit imprimé nu à âme métallique coûte généralement 2 à 4 fois plus cher que son équivalent en FR-4, même si la suppression des dissipateurs thermiques compense souvent ce surcoût dans les conceptions à forte puissance. Le FR-4 reste le matériau le moins cher pour les circuits imprimés, d’où son utilisation par défaut tant que la chaleur n’impose pas un changement. Envoyez vos spécifications pour obtenir un devis précis. (référence sur les diélectriques polymères : USPTO US 2010/0012354 A1)
Le FR-4 standard présente une conductivité thermique d’environ 0,25 W/m·K, tandis qu’un circuit imprimé à âme métallique utilise, entre le cuivre et une base en aluminium ou en cuivre, un diélectrique thermoconducteur de 1,0 à 5,0 W/m·K pour évacuer la chaleur 8 à 9 fois plus vite. C’est la conductivité thermique de l’empilement des couches du circuit imprimé à âme métallique qui a fait passer la résistance thermique de 61,56 à 39,1 °C/W lors du test sur LED de TI. Le FR-4 convient à tous les circuits imprimés dédiés aux signaux et aux applications sans problème de gestion thermique ; un circuit imprimé à âme métallique peut être choisi lorsque la dissipation de la chaleur des composants est déterminante ; en outre, le FR-4 reste généralement moins cher jusqu’à ce que la chaleur impose ce changement.
Ils exigent des opérations spécifiques pour le détourage, le perçage et le rainurage en V en raison de la couche métallique, ainsi qu’une bonne adhérence du diélectrique pour éviter les vides emprisonnés ; un fabricant disposant des capacités nécessaires pour les circuits imprimés à âme métallique peut toutefois les réaliser facilement. Une erreur de conception très fréquente avec ce matériau consiste à supposer que la base en aluminium conduit le courant. En clair : l’âme en aluminium sert à évacuer la chaleur, pas à conduire le courant. Si votre circuit imprimé doit conduire un courant élevé et que vous avez besoin de capacités supérieures à celles généralement offertes par l’aluminium, ajoutez des barres conductrices en cuivre pour améliorer les performances, au lieu d’épaissir l’aluminium. Retenez simplement que l’aluminium sert uniquement au transfert thermique, et non au passage du courant.
Non, car cela augmente le coût pour des performances thermiques dont certaines conceptions n’ont pas besoin. Ce circuit imprimé utilise une âme en aluminium et un diélectrique à forte conductivité ; comme il présente les mêmes caractéristiques thermiques et électriques qu’un circuit à base de cuivre, le choix du cuivre ne se justifie pas lorsque la couche diélectrique (1-8W/mK) constitue le principal goulot d’étranglement. Cela le rapproche également d’une solution offrant environ la moitié des performances thermiques d’un circuit imprimé à âme en cuivre ou à revêtement métallique, pour un prix presque identique.
Chez PCBark, nous fabriquons des circuits imprimés d’une épaisseur totale de 0,6 mm à 5,0 mm. Selon le niveau de capacité et le produit que vous recevrez, une épaisseur d’aluminium de 0,6 mm à 5,0 mm est possible ; nous tenons à fabriquer les circuits imprimés qui répondent le mieux aux besoins de nos clients. Pour les petits circuits imprimés à LED intégrés dans un boîtier, une faible épaisseur peut suffire ; pour les produits plus grands et de forte puissance qui nécessitent un transfert thermique accru, une base en aluminium plus épaisse peut être préférable.
Oui, nos lignes Standard et Best, présentées ci-dessus, permettent les deux ; tous nos travaux suivent un seul et même processus de fabrication. Cela réduit les changements d’outillage et peut simplifier notre fabrication, des prototypes jusqu’aux commandes en série. Lorsque vous nous adressez votre demande de devis, veillez à nous indiquer le délai dont vous disposez pour la production.
