Un PCB en aluminium est un circuit imprimé qui combine des circuits en cuivre, un diélectrique thermique électriquement isolant et une base en aluminium. Le diélectrique dirige la chaleur vers le métal tout en isolant électriquement le circuit. Cette construction est utile pour l’éclairage LED et l’électronique de puissance lorsque la carte, l’interface de montage et la surface de refroidissement forment un chemin thermique adapté.
Choisir la carte implique de vérifier l’intégralité de ce chemin. Une conductivité plus élevée du diélectrique peut être utile, mais son effet dépend de l’épaisseur, de la surface de transfert thermique et de la résistance présente ailleurs dans l’assemblage.
Points clés
- Une carte standard à dos en aluminium utilise un diélectrique pour transférer la chaleur tout en isolant électriquement le cuivre de sa base métallique.
- Comparez l’épaisseur du diélectrique et la résistance thermique en parallèle avec la conductivité. Une valeur de conductivité seule ne permet pas de prédire la température du composant.
- Dans l’exemple illustratif ci-dessous, l’amélioration du dissipateur thermique réduit davantage la température de jonction calculée que le doublement de la conductivité du diélectrique.
- Précisez l’isolation électrique, la construction des trous et l’interface de montage avant de transmettre les fichiers de fabrication.
Qu'est-ce qu'un PCB en aluminium ?
Un PCB à âme en aluminium appartient à la grande famille des PCB à âme métallique, également appelés substrats métalliques isolés (IMS). Dans cette construction, l’aluminium est le métal de support ; le cuivre gravé constitue le circuit. L’orthographe PCB en aluminium désigne la même famille de cartes.
La version simple face courante place les composants et le routage en cuivre au-dessus d’un diélectrique isolant fixé à la base métallique. Les informations de TCLAD’s sur les substrats métalliques isolés décrivent cette combinaison de circuit, de diélectrique et de base métallique.
Un PCB LED en aluminium peut relier les pastilles thermiques de la LED à une surface de refroidissement plus grande à travers cet empilage. Les conceptions de conversion de puissance peuvent utiliser le même principe, à condition que leurs exigences de routage et d’isolation soient compatibles avec cette construction. Un support métallique ne dispense pas de vérifier les températures des composants, les distances d’isolement électrique ou les conditions de refroidissement.
Empilage : cuivre, diélectrique et base en aluminium
Fonction de chaque couche
Chaque couche remplit une fonction différente. Le cuivre assure les connexions électriques et la diffusion locale de la chaleur. Le diélectrique assure la séparation électrique tout en conduisant la chaleur à travers son épaisseur. La base en aluminium soutient la carte et diffuse la chaleur vers la surface de montage.
| Couche | Fonction principale | Question de sélection |
|---|---|---|
| Circuit en cuivre | Transporte le courant et diffuse localement la chaleur | La géométrie du cuivre répond-elle aux exigences électriques et thermiques ? |
| Diélectrique thermique | Isole le circuit de la base et transfère la chaleur | L’épaisseur, la résistance thermique et l’isolation sont-elles adaptées ensemble ? |
| Base en aluminium | Assure le support et la diffusion de la chaleur | La base est-elle compatible avec l’interface mécanique et de refroidissement ? |
Constructions simple face et plus complexes
Une deuxième couche de circuit ou une construction hybride modifie la manière dont les connexions électriques traversent ou contournent la base conductrice. Les interconnexions isolées nécessitent une construction définie. Confirmez cette construction avant de considérer une carte en aluminium multicouche comme une carte FR4 avec un support métallique.
Les conceptions à chemin thermique direct constituent une option distincte : certaines pastilles de composants peuvent avoir une connexion différente avec le métal. Elles nécessitent une vérification du potentiel des pastilles et de l’isolation. Les hypothèses standard applicables aux structures avec diélectrique ne peuvent pas leur être simplement appliquées.
La conductivité thermique n’est qu’un élément du chemin thermique
La question thermique utile consiste à déterminer dans quelle mesure la température du composant augmente pour la charge thermique attendue. La conductivité décrit un matériau. La résistance thermique décrit une géométrie ou un assemblage particulier et s’exprime en K/W, ce qui équivaut à °C/W pour une différence de température.
Calculer la résistance du diélectrique à partir de l’épaisseur et de la surface
Pour une conduction stationnaire et unidimensionnelle à travers une couche uniforme, la relation de résistance thermique expliquée par le MIT est :
Rθ = t / (k × A)
Ici, t est l’épaisseur en mètres, k est la conductivité en W/(m·K), et A est la surface efficace de transfert thermique supposée, en mètres carrés. La surface efficace ne correspond pas automatiquement à la surface totale de la carte.
Considérons un diélectrique hypothétique avec :
- Épaisseur : 100 µm = 0.0001 m.
- Conductivité : 1.5 W/(m·K).
- Surface effective : 100 mm² = 0.0001 m².
Sa résistance idéale dans le sens de l’épaisseur est de 0.667 K/W. Doubler la conductivité à 3.0 W/(m·K), en maintenant l’épaisseur et la surface constantes, donne 0.333 K/W. Doubler à la fois l’épaisseur et la conductivité donne la valeur initiale 0.667 K/W.
Il s’agit de valeurs pédagogiques, et non de matériaux disponibles en stock ou d’options interchangeables électriquement. Les valeurs de résistance des fournisseurs peuvent également être normalisées par rapport à la surface. Le tableau des matériaux diélectriques de TCLAD’s répertorie le matériau HT à 2.2 W/(m·K), avec une résistance de 0.05 °C·in²/W à 75 µm et de 0.077 °C·in²/W à 100 µm. Ces unités ne correspondent pas à des K/W pour une carte complète. Le tableau n’indique pas sa méthode de mesure et n’établit pas que ses valeurs de résistance suivent le calcul idéal d’une dalle. Obtenez la fiche technique actuelle de la qualité concernée et comparez des conditions d’essai similaires. Établissez un bilan jonction-ambiance
Supposons qu’un chemin thermique dominant en série évacue
5 W de chaleur dissipée vers de l’air à 40 °C . Les résistances suivantes sont des termes effectifs hypothétiques choisis pour cet exemple, et non des valeurs mesurées ou dérivées d’une fiche technique.Partie du chemin thermique supposé
| Résistance thermique | Jonction vers la pastille thermique du composant |
|---|---|
| 1.000 K/W | Étalement dans la soudure et le cuivre local |
| 0.400 K/W | Diélectrique, calculé ci-dessus |
| Contribution de la base en aluminium et interface avec le dissipateur thermique | 0.667 K/W |
| 0.300 K/W | Dissipateur thermique vers l’ambiance |
| 4.000 K/W | Total |
| 6.367 K/W | Pour ce réseau simplifié, |
Tj = Ta + Pheat × Rtotal . La température de jonction calculée est40 + 5 × 6.367 ≈ 71.8 °C Comparez deux modifications de conception.
Modifiez une seule donnée à la fois en maintenant les autres constantes :
Scénario
| Résistance totale | Température de jonction calculée | Réduction par rapport à la référence | Référence |
|---|---|---|---|
| 71.8 °C | Pour ce réseau simplifié, | Référence | Doubler la conductivité du diélectrique |
| 6.033 K/W | 70.2 °C | 70.2°C | 1,7 °C |
| Réduire la résistance entre le dissipateur et l’ambiance de 4 à 2 K/W | 4,367 K/W | 61,8 °C | 10,0 °C |
Le dissipateur domine ce budget supposé, de sorte que son amélioration aura le plus grand effet. Un assemblage différent peut produire un résultat différent. Les valeurs sont calculées avec des entrées non arrondies et affichées arrondies.
Ce modèle n’établit pas une température de fonctionnement acceptable. La diffusion réelle de la chaleur, les chemins thermiques parallèles, le flux d’air et les propriétés dépendantes de la température nécessitent une analyse ou des mesures. Utilisez les pertes thermiques plutôt que de considérer automatiquement toute l’entrée électrique de la LED comme de la chaleur.
Texas Instruments’ ; Métriques thermiques des semi-conducteurs et des boîtiers de circuits intégrés (révisé en mars 2024) explique pourquoi les métriques thermiques des fiches techniques dépendent de leurs conditions de test et de leurs chemins thermiques. Ne considérez pas θJA ou un θJC arbitraire comme une résistance propre au boîtier à ajouter à un réseau carte/dissipateur. Le terme jonction-à-pastille de l’exemple est explicitement supposé. Utilisez un modèle adapté à la surface réelle d’extraction de la chaleur, sans compter deux fois les chemins.
Confirmez la conception complète par rapport aux valeurs nominales des composants et à des mesures réalistes sur prototype ; le guide des points chauds thermiques des circuits imprimés couvre cette étape de validation.
Circuit imprimé en aluminium contre FR4, options à base de cuivre et en céramique
Choisissez le substrat en tenant compte simultanément du routage, de l’isolation électrique, du refroidissement et des contraintes mécaniques. Un matériau présentant une conductivité globale plus élevée ne produit pas automatiquement un assemblage fini plus froid.
| Option | À envisager lorsque | À vérifier avant de choisir |
|---|---|---|
| IMS à dos en aluminium | Les sources de chaleur peuvent utiliser un court chemin diélectrique vers une surface de montage | La résistance diélectrique, l’isolation, la liberté de routage et le contact avec le dissipateur |
| FR4 | La densité de routage ou une construction multicouche conventionnelle est importante | Vérifiez que la diffusion dans le cuivre, les vias thermiques et l’assemblage de refroidissement respectent les limites de température |
| Construction à base de cuivre | L’application peut bénéficier d’un chemin différent de diffusion de la chaleur dans le métal | La masse ajoutée, la construction, l’isolation électrique et le coût de fabrication |
| Substrat céramique | Des exigences thermiques, électriques ou de fonctionnement propres au matériau justifient une évaluation | La qualité de la céramique, la métallisation, le procédé de fixation et les charges mécaniques |
Le cuivre épais désigne des circuits en cuivre de forte épaisseur ; cela ne signifie pas nécessairement que la carte possède une base en cuivre. De même, une carte en aluminium peut acheminer des signaux, mais son empilage doit toujours répondre aux exigences de routage et d’électricité. Un support métallique ne remplace pas une structure de référence adaptée dans une conception sensible à l’impédance.
La guide de sélection des matériaux PCB compare les choix de substrat plus larges. Pour choisir entre un circuit imprimé en aluminium et du FR4, commencez par vérifier si les deux peuvent répondre aux mêmes exigences de température, d’isolation et de routage dans l’espace disponible du boîtier. Comparez des solutions complètes plutôt que de simples appellations de matériaux.
Vérifications de conception : isolation, trous et montage
Planifiez simultanément l’isolation électrique et le contact mécanique. Une base conductrice, une vis ou un bord exposé peut créer une connexion que le schéma n’avait pas prévue.
Séparer les connexions électriques du contact avec le noyau métallique
Distinguez les trous et vias métallisés électriques des trous de montage mécaniques sur le plan de fabrication. Une interconnexion électrique traversant une base métallique nécessite la construction d’isolation prévue. Un trou de montage peut relier intentionnellement la base au châssis, ou nécessiter une quincaillerie isolante ; précisez le cas applicable.
La service de fabrication en aluminium répertorie les trous métallisés isolés et l’assemblage traversant, les matériaux et l’empilage étant soumis à une revue d’ingénierie. Confirmez la séparation des fûts de connexion, des pastilles et de la base là où elle est requise. Demandez au fabricant d’identifier la géométrie de l’isolation et la méthode d’inspection plutôt que de supposer qu’un fichier de perçage FR4 standard décrit entièrement cette caractéristique.
Spécifier l’interface entre la carte et le dissipateur
Définissez la zone de contact, la planéité de la surface, le matériau d’interface thermique (TIM), l’épaisseur et la méthode de montage. Convenez du couple de serrage avec les fournisseurs de l’assemblage et de la quincaillerie. La pression de contact, les espaces et le matériau d’interface influencent le chemin thermique réel.
Demandez au responsable de la revue de conception de confirmer comment l’isolation requise est maintenue au niveau des vis, rondelles, fentes et bords de la carte. Si le produit nécessite une barrière d’isolation de sécurité, documentez les exigences applicables et convenez du système d’isolation ainsi que des preuves d’acceptation.
Confirmer les contraintes électriques et de fabrication
Indiquez la tension de fonctionnement, la fonction d’isolation requise, les lignes de fuite, les distances d’isolement et les essais d’acceptation. Demandez la spécification approuvée de la tension de fonctionnement ainsi que les résultats éventuels des essais de claquage ou de tenue ; ne déduisez pas la spécification de fonctionnement d’un numéro d’essai. Convenez des limites correctes pour l’application, la construction et les exigences produit applicables.
Le guide de fabrication de TCLAD traite séparément de la distance entre le circuit et le trou et des essais HiPot. Ses recommandations numériques de fabrication sont propres au fournisseur. Obtenez la géométrie et les critères d’essai approuvés par le fabricant choisi pour la fabrication réelle.
Consignez les exigences relatives au contour, aux trous et à la distance entre le cuivre et le bord pour revue par le fournisseur. Utilisez le liste de contrôle DFM PCB pour le dossier de lancement plus large, puis ajoutez les détails relatifs à la base métallique ci-dessus. Évitez les règles universelles de distance ou de tension d’essai détachées du produit prévu.
Fabrication, assemblage et facteurs de coût
La fabrication de la carte nue et l’assemblage de la carte équipée nécessitent des décisions de processus distinctes. La fabrication définit la construction du stratifié, le motif de cuivre, les trous, le contour, le masque et la finition. L’assemblage ajoute la soudure, les composants, le profil thermique et l’inspection.
Validez le profil de refusion pour la carte et l’ensemble de composants réels. Le guide d’assemblage d’Analog Devices pour les boîtiers uSLIC recommande de placer des thermocouples au niveau des joints de soudure réels et explique que les températures des joints diffèrent des réglages du four. Ces recommandations sont propres au boîtier et ne constituent pas une recette pour carte en aluminium. Appliquez le principe de mesure tout en respectant les limites de processus des composants et de la pâte à braser sélectionnés.
Le coût dépend de la classe et de l’épaisseur du diélectrique, du cuivre, du contour, des trous isolés, de l’utilisation du panneau, des quantités, de la finition, de l’inspection et de l’étendue de l’assemblage. Les valeurs minimales et maximales publiées ne garantissent pas que chaque combinaison soit disponible.
Check Capacités en matière de LED et de circuits imprimés en aluminium comme point de départ, puis demandez une confirmation pour la construction en aluminium sélectionnée. Cette page de capacités combinées couvre également les produits FR4 ; sa gamme complète ne doit pas être interprétée comme une spécification unique de empilement en aluminium.
Transformer la conception thermique en dossier de fabrication
Reportez les hypothèses à l’origine du calcul thermique dans le dossier de mise en fabrication. La surface effective, le terme associé au boîtier et la résistance d’interface de l’exemple calculé doivent encore être étayés avant de pouvoir décrire un produit réel.
| Type d’enregistrement | À inclure dans le dossier de fabrication | Statut dans cet exemple |
|---|---|---|
| Exigences de fonctionnement | Chaleur dissipée, plage de température ambiante, température de jonction maximale autorisée et modes de fonctionnement | 5 W et 40 °C supposés ; température acceptable non établie |
| Demande de matériau | Classe et épaisseur/tolérance réelles du diélectrique, méthode d’essai thermique, cuivre et construction de la base | Uniquement des données d’entrée génériques sur le diélectrique |
| Estimation calculée | Calcul, surface supposée, limites du réseau et limitations | 0,667 K/W pour le diélectrique ; référence de 71,8 °C |
| Interface mécanique | Plan du dissipateur/de l’interface, TIM, méthode de montage et couple de serrage convenu | Termes relatifs à l’interface et au dissipateur supposés |
| Critères d’acceptation électrique | Tension de fonctionnement, exigences d’isolation et méthode/critères d’essai convenus | Nécessite une définition spécifique à l’application |
| Dossier de fabrication | Fichiers de circuit, perçages, plan de fabrication, contour, détails des trous, quantité et finition | Doit être fourni pour la conception réelle |
Fournissez les fichiers Gerber ou les données ODB++ acceptées, accompagnés des informations pertinentes sur les perçages et la fabrication. L’assemblage nécessite également la nomenclature et les données de placement. Harmonisez les identifiants de révision dans tous les fichiers.
Avant la mise en fabrication, convenez de la provenance des données thermiques : données du fournisseur, simulation ou mesure sur prototype. Vérifiez que l’isolation électrique, les limites d’usinage et les matériaux sélectionnés sont compatibles au sein de la même fabrication. Une température calculée à partir de résistances supposées ne constitue pas une approbation de l’empilement de fabrication.
Questions fréquemment posées
Un circuit imprimé en aluminium a-t-il besoin d’un dissipateur thermique ?
Il peut nécessiter un dissipateur thermique séparé, une connexion au châssis ou une autre surface de refroidissement. La base en aluminium répartit la chaleur, mais l’ensemble complet doit tout de même la transférer vers l’environnement. Déterminez le besoin de refroidissement à partir de la puissance dissipée, des conditions ambiantes et de la température admissible des composants, puis vérifiez l’ensemble dans des conditions de fonctionnement réalistes.
Une carte à cœur en aluminium peut-elle utiliser des composants traversants ?
Oui, lorsque sa construction prend en charge les trous requis et l’isolation électrique nécessaire. La base conductrice rend la conception des trous importante. Précisez quels fûts et pastilles constituent des connexions électriques, si la base est reliée au châssis et où une isolation est nécessaire. Confirmez ces détails avec le fabricant avant la mise en fabrication.
Un diélectrique de 3 W/m·K est-il toujours meilleur qu’une option de 1,5 W/m·K ?
Non. À épaisseur et surface égales, une conductivité plus élevée réduit la résistance idéale dans l’épaisseur. Un diélectrique plus épais peut annuler cette amélioration, et une autre partie du chemin de refroidissement peut être déterminante. Comparez ensemble l’isolation électrique requise, les données thermiques réelles et les conditions d’assemblage, plutôt que de choisir uniquement en fonction de la conductivité.
La base en aluminium est-elle isolée électriquement du circuit ?
Dans une construction standard avec support diélectrique, le diélectrique est destiné à séparer le circuit en cuivre de la base. L’isolation dépend néanmoins du matériau sélectionné, de la géométrie, des trous et de l’assemblage. Les variantes à chemin thermique direct peuvent différer ; définissez donc les connexions électriques prévues et confirmez les essais requis pour la fabrication réelle.
Préparez votre circuit imprimé en aluminium pour examen
Soumettez les fichiers du circuit, le plan de fabrication, la charge thermique, les conditions de fonctionnement et les exigences de montage avec votre demande de fabrication de circuit imprimé en aluminium. L’examen doit confirmer une construction compatible et déterminer quelles hypothèses thermiques doivent encore être validées avant la production.
