Pourquoi et comment utiliser un substrat de PCB en aluminium pour votre prochain empilement de conception

L'aluminium peut être utilisé pour bien plus que de simples canettes de soda

Je ne bois plus tellement de soda maintenant que je suis dans la trentaine, mais je sais que l'aluminium a de nombreuses utilisations en dehors de la fabrication de canettes de coca. Une utilisation est dans le cœur de votre PCB comme matériau pour la gestion thermique. L'aluminium possède une haute conductivité thermique et peut être utilisé pour évacuer la chaleur des composants actifs d'un PCB lorsque d'autres mesures de refroidissement passives ou actives ne peuvent pas réduire suffisamment la température des composants.

Utiliser un PCB en Aluminium pour la Gestion Thermique

Les composants actifs dissipent une quantité significative de puissance, d'où l'utilisation d'un ventilateur de refroidissement sur un CPU ou d'autres composants comportant un grand nombre de transistors commutateurs. Si la température ambiante est excessivement élevée, les mesures de refroidissement actives ne seront utiles que pour ramener la température de la carte près du niveau ambiant. De plus, vous ne pouvez dissiper qu'une certaine quantité de chaleur avec le refroidissement actif. C'est là que certaines stratégies supplémentaires doivent être utilisées pour dissiper la chaleur loin de vos composants actifs.

L'aluminium est un matériau alternatif qui peut être utilisé dans le noyau d'un PCB, communément désigné par le terme inapproprié de « PCB en aluminium ». Utiliser l'aluminium comme noyau métallique dans un PCB lui permet de dissiper facilement la chaleur loin des composants actifs grâce à sa haute conductivité thermique. La haute conductivité thermique de l'aluminium ou d'un autre métal dans le noyau d'un PCB permet de répartir la chaleur de manière plus uniforme à travers une carte.

Contrastez cela avec le FR4, qui est un conducteur thermique relativement médiocre comparé à un certain nombre d'autres matériaux alternatifs pour les substrats de PCB. Des points chauds peuvent se former sur un PCB près des composants actifs, d'où l'utilisation de mesures de refroidissement actives et passives pour dissiper la chaleur et ramener la température à un niveau sûr. La chaleur générée par les composants actifs peut également être transportée loin de la couche de composants et vers un plan de masse ou d'alimentation intérieur en utilisant des vias et des plages thermiques.

Dans les cartes avec un noyau en FR4, les plans de masse/d'alimentation sont limités dans la quantité de chaleur qu'ils peuvent transporter autour de la carte, car les noyaux ont une faible conductivité thermique. Les vias et les plages thermiques peuvent aider à la dissipation de la chaleur, mais d'autres stratégies doivent souvent être utilisées pour abaisser la température de fonctionnement des composants à un niveau sûr.

Un empilement de PCB en Aluminium

Bien qu'un PCB en aluminium puisse sembler être un choix étrange du point de vue de la fabrication, l'empilement qui peut être utilisé avec un PCB en aluminium ressemble en fait aux empilements qui peuvent être utilisés avec des substrats FR4. Un exemple d'empilement est montré dans l'image ci-dessous :

Exemple d'empilement de couches avec un PCB en aluminium

Un empilement de PCB en aluminium doit être conçu en tenant compte des considérations suivantes :

• Couche de surface : Il s'agit d'une couche standard de feuille de cuivre. Certains fabricants vous recommanderont d'utiliser du cuivre plus épais (jusqu'à 10 oz) que celui utilisé sur FR4.

• Couche diélectrique : La couche diélectrique intérieure peut être n'importe quelle couche thermiquement conductrice qui fonctionne comme un préimprégné. Cela peut être une couche de polymère ou de céramique. Opter pour un matériau avec une conductivité thermique plus élevée, en particulier une céramique avec un rapport élevé de conductivité thermique à électrique, aidera à la gestion thermique tout en fournissant une isolation suffisante. L'épaisseur typique de la couche diélectrique est de 0,05 à 0,2 mm.

• Couche de membrane en aluminium : La couche de membrane en aluminium joue un rôle protecteur en ce sens qu'elle protège le noyau en aluminium de la gravure indésirable. C'est une couche isolante très mince qui joue un rôle important pour tous les vias qui sont percés à travers le noyau (voir ci-dessous).

• Noyau en aluminium : La couche intérieure est le noyau en aluminium avec une haute conductivité thermique. La plupart des cartes en aluminium ont une épaisseur de 0,5 mm, bien que des cartes plus épaisses puissent être utilisées pour fournir une plus grande stabilité structurelle.

Notez que des vias peuvent être percés à travers le noyau en aluminium, bien que la couche de membrane en aluminium doive recouvrir l'intérieur du trou de via afin de former une couche isolante entre la paroi de via en cuivre et le noyau. Si vous choisissez d'utiliser un noyau en aluminium plus épais, vos coûts de matériaux et vos coûts de fabrication augmenteront.

Quelques applications des PCB en aluminium

Étant donné que les stratifiés utilisés dans un PCB en aluminium dissipent la chaleur plus rapidement que le FR4, ils peuvent être utilisés dans une variété de systèmes qui génèrent une chaleur significative. Un excellent exemple est dans les réseaux d'éclairage à LED. LED SMD qui fonctionnent à haute puissance produisent une quantité significative de chaleur. La chaleur dissipée par le noyau en aluminium éloigne rapidement la chaleur des LED, ce qui prolonge leur durée de vie.

Réseau d'éclairage avec LED SMD

Les PCB à âme en aluminium mince peuvent même être fabriqués comme des PCB flexibles. Les PCB flexibles, statiques et dynamiques, peuvent être fabriqués à partir de PCB en aluminium. Comme les céramiques sont beaucoup moins ductiles que l'aluminium, elles ne devraient pas être utilisées dans les PCB flexibles en aluminium. Par conséquent, des stratifiés polymères devraient être utilisés comme couche diélectrique dans ces cartes.

Les PCB en aluminium offrent d'autres avantages au-delà de la gestion thermique. La rigidité et une plus grande résistance contre la flexion et les chocs ont été mentionnées ci-dessus. De plus, l'âme métallique offre une meilleure protection contre les interférences électromagnétiques (EMI), donc un PCB en aluminium est également utile dans un environnement électriquement bruyant. Les âmes métalliques sont également plus écologiques que le FR4 ou d'autres matériaux, car l'aluminium est recyclable.

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