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PCB à base d'aluminium

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Table des matières
Article principal (H2)

Comme nous le savons, les PCB peuvent être fabriqués en utilisant différents métaux comme substrats. L'une des options est l'aluminium. Ces PCB en aluminium sont utilisés dans de nombreuses industries car ils conduisent bien la chaleur et isolent l’électricité. Ces qualités contribuent à leurs performances supérieures. Mais que peuvent-ils offrir d’autre ? Découvrons-le dans cet article complet.

Qu'est-ce qu'un PCB à base d'aluminium ?

Il s'agit d'un type de PCB constitué d'un noyau en aluminium et d'un matériau FR4 standard. Au lieu de fibre de verre ou de plastique, ces PCB utilisent des substrats métalliques. Habituellement, vous rencontrerez des PCB à base d'aluminium simple face et double face. Cependant, les PCB multicouches sont rares car difficiles à fabriquer. 

C’est aussi pourquoi ils sont principalement utilisés dans la production de LED. Ces objets émetteurs de lumière produisent de la chaleur, qui est efficacement évacuée par l'aluminium et augmente la durée de vie d'une LED. Quelques exemples incluent les substrats en aluminium dans les lampadaires et l’éclairage domestique. D’autres industries utilisent également des PCB à base d’aluminium, mais ce n’est pas aussi courant que celui de l’éclairage.

PCB à base d'Al Globalwell 1

Types de PCB à base d'aluminium ?

PCB multicouche: Il comporte de nombreuses couches de matériau diélectrique avec des vias borgnes et permet une bonne dissipation de la chaleur. Bien qu’ils soient avantageux en termes de dissipation thermique dans des dispositifs complexes, leur coût de production est relativement plus élevé. Par conséquent, ils sont principalement utilisés dans les produits d’alimentation électrique. 

PCB hybride en aluminium: lorsqu'un matériau de base en aluminium est fusionné avec un matériau non thermique, vous obtenez un PCB hybride en aluminium. Par exemple, des panneaux FR-4 à 2 ou 4 couches. Il peut être fixé sur une base en aluminium à l'aide d'un matériau diélectrique. 

PCB en aluminium traversant: Ceux-ci sont livrés avec des trous déjà percés et sont remplis de matériau diélectrique. Après la construction, le matériau thermique est laminé des deux côtés avec des substances appropriées adaptées à la chaleur. Enfin, des trous sont percés. Ces trous garantissent que l’électricité ne circule pas là où elle ne devrait pas. 

PCB en aluminium à haute conductivité thermique : Comme leur nom l’indique, ils sont excellents en termes de conductivité thermique. Un matériau en résine époxy est utilisé pour fabriquer la couche isolante de ces types de PCB en aluminium. 

PCB en aluminium haute fréquence: Contrairement à ce qui précède, la couche isolante comprend du polyimide ou de la polyoléfine. Dans certains cas, la fibre de verre peut être utilisée dans une résine époxy. Mais quel que soit le matériau utilisé dans sa fabrication, l’objectif est d’améliorer la flexibilité du PCB en aluminium. 

PCB universel en aluminium: Le préimprégné de fibre de verre époxy constitue la couche diélectrique.

PCB flexibles: Dans ce type de PCB, une couche de polyimide intègre des filtres en céramique. Les deux matériaux garantissent que les PCB résultants ont une flexibilité, une efficacité thermique et une isolation électrique suffisantes.  

De plus, leur capacité de flexion est élevée. Mais cela ne signifie pas qu’ils peuvent être utilisés pour des applications nécessitant une flexion constante. De plus, ils sont économiques et vous n'aurez pas besoin de câbles ou de connecteurs pour leur fabrication. Il y a cependant un inconvénient : vous ne pouvez apporter aucune modification une fois le produit fabriqué. 

PCB à base d'aluminium Globalwell

La physiologie d'un PCB à base d'aluminium

Couche de cuivre

Une couche de 1 à 10 onces (oz) d'épaisseur de feuille de cuivre électrolytique est une caractéristique distinctive de cette couche. Le cuivre est généralement gravé pendant la production. Une fois réglé, la face arrière subit une oxydation avec des produits chimiques et la surface est traitée avec du zinc et du laiton pour éviter la corrosion. 

La fonction principale de cette couche est de connecter deux appareils et d'améliorer leurs fonctionnalités. 

Couche diélectrique

Constitué d’une couche diélectrique thermoconductrice, son épaisseur est comprise entre 50 µm et 200 µm. Lorsque le courant traverse le PCB, il contribue à la dissipation thermique, à l'isolation et à la gestion des contraintes mécaniques. 

Couche de base en aluminium

C'est ce qui donne son nom à ce PCB, PCB à base d'Al. C’est aussi la couche qui le différencie des autres couches. Le noyau de cette couche est constitué d'un substrat en aluminium et convient bien au perçage, à la découpe et au poinçonnage.

N'oubliez pas de rechercher une plaque d'aluminium qui a une conductivité thermique élevée, qui est ferme et rentable. Ce serait bien si le métal (Al ici) remplissait tous ces pré-requis. Sinon, ajoutez du fer, du cuivre ou du silicium pour améliorer sa capacité de dissipation thermique. 

Membrane de base

Là encore, cette couche est constituée d'un substrat en alliage d'aluminium. Cela permet de protéger la couche de substrat contre les gravures et grattages indésirables. Cette couche fait 1 mm d'épaisseur et peut être divisée en une membrane ordinaire (moins de 120°C) ou une membrane anti-haute température (250°C). La deuxième membrane répond aux exigences HASL et peut être considérée comme une finition de surface. 

La fabrication d'un PCB à base d'aluminium

Alors que fabriquer un PCB à base d'Al, une fine couche diélectrique est insérée juste entre le circuit et la base. Après cela, la couche de circuit est gravée afin que vous receviez le motif dont vous avez besoin. Enfin, la couche diélectrique et le circuit imprimé travaillent ensemble pour éliminer la chaleur générée. 

Pourquoi utiliser l'aluminium dans la fabrication de PCB ?

Plus léger

L’un des avantages de l’utilisation des PCB est le poids du métal. L'aluminium pèse 169 lb/pied cube, ce qui est considérablement léger, ce qui permet au fabricant d'ajouter facilement plus de puissance et de résilience au circuit imprimé.

Durable

En tant que métal, l’aluminium est considéré comme très durable. Même s’il existe un léger risque de déchirure lors de la production ou de l’expédition, vous devez être tranquille. L'inclusion d'un circuit imprimé en aluminium garantit que ce n'est pas le cas. De plus, on pense que l’aluminium a une meilleure résistance qu’une base en céramique ou en fibre de verre. 

Bon pour l'environnement. 

La substance métallique est recyclable à 100 pour cent, ce qui signifie qu'elle est bonne pour l'environnement. Ce qui rend les Al-PCB encore meilleurs, c'est qu'ils sont faciles à assembler et non toxiques. 

Rapport coût-efficacité 

Ce métal est un excellent investissement car il résiste à tous les temps. Ils sont plus faciles à extraire et à raffiner, ce qui facilite l’approvisionnement en matières premières. Cela rend le processus de production beaucoup moins cher. 

Excellente dissipation thermique

Les composants PCB sont sujets aux dommages dus aux températures thermiques élevées. Mais pas avec l'aluminium. C’est l’une des seules substances capables de très bien dissiper la chaleur. Il évacue la chaleur produite par les composants, éliminant ainsi tout risque pour les éléments essentiels.

Inconvénients des PCB à base d'aluminium

  • Ce sont des produits unilatéraux. L'installation de composants des deux côtés d'un PCB en aluminium est difficile. Par conséquent, vous aurez des PCB à base d'Al uniquement sous forme de cartes simple face. 
  • Cher. Ceux-ci coûtent beaucoup plus cher aux fabricants que les PCB standards
  • Fonctionne uniquement pour des applications spécifiques: Comme ces circuits sont principalement utilisés là où la génération de chaleur est si élevée, ils ne peuvent donc être utilisés que dans certains composants électroniques spécifiques. Un exemple de ceci est la LED. 

Performances des PCB à base d'aluminium

Stabilité dimensionnelle

Par rapport aux PCB traditionnels, la stabilité dimensionnelle des PCB en aluminium est beaucoup plus élevée. Par exemple, les dimensions ne changeront que de 2,5 à 3,0% jusqu'à 150 °C. Toutefois, la situation pourrait changer à des températures plus élevées. 

Dissipation de la chaleur

Vous savez peut-être que plusieurs substrats utilisés pour fabriquer des PCB, dont le FR4, sont de mauvais conducteurs de chaleur. La situation s'aggrave lorsque la chaleur produite par les appareils électroniques contenant une conception de PCB spécifique produit de la chaleur qui se déplace rapidement. Les deux combinés peuvent faire des ravages, conduisant parfois à la défaillance du composant électronique. Un substrat en aluminium gère très bien cela. 

Dilatation thermique

L'aluminium, comme nous l'avons déjà évoqué, est excellent pour répartir la chaleur de manière uniforme afin d'éviter tout dommage aux composants. Cela contrôle essentiellement l’expansion et la contraction du matériau. Ainsi, cela rend le PCB plus durable et plus fiable. 

Autres indicateurs de performance

Outre les trois ci-dessus, il existe encore un autre matériau, le substrat céramique. Cette substance offre une protection renforcée contre la chaleur et réduit ainsi le coût de production. 

PCB 2 à base d'aluminium Globalwell

Dépannage des difficultés liées à la fabrication de PCB et de solutions en aluminium

Émettre aucune. 1 : Gravure sur feuille de cuivre épaisse

Ces cartes de circuits imprimés en aluminium sont généralement utilisées dans les appareils à haute densité de puissance et nécessitent donc une feuille de cuivre épaisse. Cependant, lorsque la feuille de cuivre est plus épaisse que 3oz, il est important de modifier la largeur des lignes. Dans le cas contraire, la largeur de la trace sera soit trop large, soit trop étroite après la gravure. Par conséquent, pour vous assurer que tout se passe bien, ajustez la largeur du tracé en fonction du design.

Solutions:

  • Concevoir correctement la compensation de gravure pour la largeur de trace
  • Contrôler strictement les éléments impliqués dans la gravure
  • Supprimez tous les effets que la création de traces peut avoir sur leur largeur ou leur distance.

Émettre aucune. 2 : Fabrication mécanique

Les processus mécaniques inclus dans la fabrication des PCB à base d'aluminium comprennent le fraisage, le perçage et le moulage. Pendant que ces processus sont exécutés, le v-scoring et bavure peut rester à l’intérieur des trous. Cela peut affaiblir les connexions électriques. 

Solutions: Voici comment cela peut être surmonté. 

  • Utilisez des fraises professionnelles et des fraiseuses électriques pour la fabrication à petite échelle.
  • Ajustez les paramètres de perçage sur les PCB épais en cuivre et aluminium. 
  • Gardez un œil sur la technique et le motif pendant le moulage.

Problème n°3 : Impression du masque de soudure

L'application d'un masque de soudure sur une épaisse feuille de cuivre d'un PCB en aluminium est difficile. Ainsi, si le cuivre est plus épais que d'habitude, même après gravure, il sera alors visible entre la surface de la trace et la carte restante. Cela rend l'application de la soudure difficile. 

Solutions: 

  • Envisagez d'imprimer deux fois un masque de soudure.
  • Utilisez de l'huile de masque de soudure de haute qualité.
  • Une méthode utilisant un remplissage de résine suivi d'un masque de soudure peut également être utilisée. 

Applications des PCB à base d'Al

  • Équipements audio : amplificateurs audio, amplificateurs de puissance, préamplificateurs, amplificateurs d'entrée et de sortie, amplificateurs symétriques, etc.
  • Équipements électroniques de communication : amplificateurs haute fréquence, circuits électriques à filtres, 
  • Ordinateurs : bloc d'alimentation, carte mère et lecteur de disquettes.
  • Contrôle électronique : les différents composants du circuit, base du transistor, relais
  • Éclairage : lumières LED
  • Modules de puissance : onduleurs, ponts redresseurs, relais solides
  • Alimentation : conditionneur, adaptateur DC-AC, stabilisateur
  • Bureau automatique : conducteur de moteur
  • Véhicules industriels : allumage, système de contrôle automatique de sécurité, système de conversion d'éclairage et régulateur de tension
  • Commutateurs : dispositifs à semi-conducteurs, dispositifs à semi-conducteurs, contrôleurs de moteur, 
  • Bureau : conducteur de moteur

Pensées d'adieu

Ainsi, vous savez maintenant que les PCB en aluminium offrent une conductivité thermique et une dissipation thermique élevées et constituent un bon remplacement pour les substrats en céramique. Cela les rend parfaits pour une utilisation dans différents secteurs. Cependant, vous devez vous assurer que ces cartes proviennent d’un fabricant fiable. Vérifiez donc leur expérience et leur capacité à répondre à vos besoins spécifiques.

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