Qu’est-ce qu’un PCB en métal ?
Un PCB en métal est un circuit imprimé à base de métal.
L’éclairage par LED, qui nécessite une dissipation de la chaleur, s’étant généralisé ces dernières années, la demande de PCB en métal, tels que les circuits imprimés en aluminium et en cuivre, a augmenté. Les circuits imprimés normaux ne parviennent pas à dissiper efficacement la chaleur. Cela se traduit par des températures élevées et une réduction de la durée de vie des composants.
La technologie de dissipation de la chaleur est également essentielle dans le secteur de l’électronique de puissance. Les substrats en carbure de silicium SiC, les substrats en nitrure de gallium GaN et les substrats d’amplificateurs, par exemple, nécessitent des substrats à base métallique.
Utilisations des PCB en métal
Les PCB en métal sont utilisés comme substrats pour l’éclairage avec des LED. Ils servent à éviter les dommages causés par la chaleur aux composants électroniques, à refroidir les éléments semi-conducteurs pour les applications de puissance et à utiliser les substrats dans des environnements à haute température.
Pour les utilisations autres que les LED, les PCB en métal servent alors à extraire la performance de la chaleur générée par les éléments semi-conducteurs pour les applications de puissance. Ils sont également utiles pour prévenir les dommages thermiques dans les circuits intégrés hybrides de l’électronique automobile, les boîtiers de montage à haute densité, l’énergie photovoltaïque et les appareils électroménagers.
Principes des PCB en métal
La configuration standard d’un PCB en métal consiste en une couche isolante sur une plaque de métal telle que l’aluminium, le cuivre ou l’acier inoxydable, avec un circuit de feuilles de cuivre comme conducteur par-dessus. L’aluminium et le cuivre sont des métaux qui conduisent mieux la chaleur que les résines et les céramiques. L’utilisation de métaux dans le substrat permet de ainsi de dissiper efficacement la chaleur générée par les LED et d’autres dispositifs.
L’épaisseur de la couche d’isolation influe sur la dissipation de la chaleur. Cette dernière s’améliore avec une couche d’isolation plus fine, mais la tension de tenue se détériore à l’inverse. La quantité de charge dans la couche d’isolation affecte également la dissipation de la chaleur.
Dans le cas des substrats non métalliques de qualité FR-4 résistant à la chaleur, la conductivité thermique est d’environ 0,38 W/m-K. En revanche, pour les substrats à base de métal, elle atteint environ 1,1 à 2,5 W/m-K. Plus la conductivité thermique est élevée, plus la chaleur est transférée rapidement. De même, la couche d’isolation est fine, plus la résistance thermique est faible et meilleures sont les caractéristiques de dissipation de la chaleur.
Types de PCB en métal
Deux principaux types de PCB en métal sont utilisés :
1. Les substrats en aluminium
Ils sont souvent utilisés parce qu’ils sont légers et ont de bonnes propriétés de dissipation de la chaleur. Ils sont principalement utilisés pour l’éclairage LED et comprennent, à partir de la surface, une feuille de cuivre, une couche isolante et de l’aluminium de base.
Les substrats à âme en aluminium double face sont fabriqués en pressant une couche isolante et une feuille de cuivre sur les deux faces de l’aluminium de base. Les feuilles de cuivre plus épaisses sont fabriquées en pressant une feuille de cuivre épaisse, une couche isolante et l’aluminium de base. L’épaisseur des feuilles de cuivre peut atteindre 400 µm.
2. Les substrats en cuivre
Les substrats en cuivre ont une capacité de dissipation de la chaleur environ 1,7 fois supérieure à celle de l’aluminium. Ils sont donc utilisés pour les composants générant beaucoup de chaleur. Ils sont constitués de cuivre, d’une couche isolante et d’une feuille de cuivre à partir de la surface. Ils sont plus lourds que les substrats en aluminium. Ils sont également plus chers, ce qui les rend difficiles à utiliser en petites quantités. Ils se caractérisent toutefois par une meilleure dissipation de la chaleur.
Les couches d’isolation les plus fines dissipent plus facilement la chaleur, tandis que les couches les plus épaisses résistent à des tensions plus élevées. Les cartes à âme en cuivre double face comportent une couche isolante et une feuille de cuivre sur les deux côtés de la plaque de cuivre. Elles sont connectées à l’aide de trous de passage.
Autres informations sur les PCB en métal
Avantages des PCB en métal
1. L’excellente dissipation de la chaleur
Comparés à la résine époxy à base de tissu de verre FR-4 et à la résine époxy composite CEM-3 couramment utilisées, les PCB en métal sont plusieurs fois meilleurs en termes de dissipation de la chaleur. L’utilisation d’une base métallique à haute conductivité thermique permet une excellente capacité de dissipation de la chaleur.
2. L’excellente stabilité dimensionnelle
Les substrats en aluminium et en cuivre ont un coefficient de dilatation thermique (CTE) inférieur à celui des substrats conventionnels. Par rapport aux substrats FR-4 standard, les substrats métalliques sont dimensionnellement plus stables en ce qui concerne les changements de température.
3. La faible transmission des contraintes
Les substrats en métal se caractérisent par une faible élévation de température en raison de leur excellente dissipation thermique. Par conséquent, la distorsion dans la transmission du signal est réduite.
Les substrats en métal sont donc utilisés dans les convertisseurs de puissance, l’éclairage, le photovoltaïque, l’éclairage arrière, les applications LED automobiles et les appareils électroménagers.