Le circuit imprimé aluminium est un stratifié unique à base de métal recouvert de cuivre comprenant des couches de circuit, des couches d’isolation thermique et un substrat métallique. À partir d’une plaque d’aluminium comme matériau de base, des traces conductrices en cuivre sont formées à la surface par gravure chimique ou usinage, créant ainsi un carte électronique.
Composition des circuit imprimé aluminium
Couche de circuit
La couche de circuit (généralement une feuille de cuivre électrolytique) est gravée pour former des circuits imprimés, facilitant ainsi l’assemblage et l’interconnexion des composants. Par rapport au FR-4 conventionnel, les circuit imprimé aluminium peuvent supporter des courants plus élevés à épaisseurs et largeurs de traces identiques.
Couche isolante
La couche isolante représente la technologie de base des circuit imprimé aluminium. Elle sert principalement à assurer la liaison, l’isolation et la conduction thermique. Elle constitue la principale barrière thermique au sein des structures des modules de puissance. La conductivité thermique supérieure de cette couche facilite la dissipation de la chaleur générée pendant le fonctionnement de l’appareil, réduisant ainsi les températures de fonctionnement. Cela améliore la capacité de gestion de la puissance du module, réduit l’encombrement physique, prolonge la durée de vie et augmente la puissance de sortie.
Couche de base métallique
Le choix du métal pour le substrat métallique isolant dépend d’une évaluation complète de facteurs tels que le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, la résistance, la dureté, le poids, l’état de la surface et le coût.
Structure d’un circuit imprimé aluminium
La structure type d’un circuit imprimé aluminium est la suivante : la couche supérieure comprend la couche de traces, la couche intermédiaire est la couche d’interface thermique isolante avec une excellente conductivité thermique, et la couche inférieure est constituée du substrat de base en aluminium.
Circuit imprimé aluminium à montage en surface
Le circuit imprimé aluminium à montage en surface présente la structure la plus simple, est le plus facile à fabriquer et son coût est le plus bas. Les pistes sont directement gravées sur la couche de cuivre du stratifié d’aluminium. La chaleur est transférée des composants à la couche de pistes, passe à travers la couche intermédiaire d’interface thermique isolante, puis est conduite vers la couche de base en aluminium.
Assemblage simple face avec circuit imprimé aluminium double face à traces
L’assemblage simple face avec circuit imprimé aluminium double face à traces comporte deux couches de traces et deux couches isolantes. La chaleur est transférée des composants vers la première couche de traces, puis vers la première couche isolante, vers la deuxième couche de traces, vers la deuxième couche isolante et enfin vers la couche d’aluminium.
Assemblage double face avec circuit imprimé aluminium à traces double face
Il arrive parfois que le placement de composants sur une seule face d’un circuit imprimé aluminium ne réponde pas aux exigences. Les circuit imprimé aluminium peuvent être conçus pour un montage double face. Dans cette configuration stratifiée, les traces des couches supérieure et inférieure doivent traverser le substrat aluminium. L’aluminium étant un excellent conducteur, les vias doivent être isolés, par exemple en les remplissant de résine isolante. La chaleur générée par les composants est transférée des composants à la couche de traces, puis à la couche isolante et enfin au substrat en aluminium intermédiaire.
Principe des cartes de circuit imprimé aluminium :
Les circuit imprimé aluminium permettent une dissipation thermique efficace et une intégration des circuits grâce à une structure à trois couches :
Couche de circuit : les dispositifs de puissance montés en surface (par exemple, MOSFET, IGBT) transportent directement les signaux électriques.
Couche isolante : utilise des matériaux isolants hautement thermoconducteurs (par exemple, des adhésifs thermiques, des polymères chargés de céramique) pour transférer rapidement la chaleur générée par les composants vers le substrat métallique tout en assurant une isolation électrique.
Couche de base métallique : généralement un substrat aluminium ou en cuivre, qui dissipe la chaleur par conduction thermique vers l’environnement extérieur (par exemple, dissipateurs thermiques, boîtiers ou air), formant ainsi une voie de dissipation thermique.
Voie de dissipation thermique :
Le dispositif génère de la chaleur → La couche isolante conduit la chaleur → La couche de base métallique dissipe la chaleur → Environnement extérieur
(Point clé : la couche isolante doit trouver un équilibre entre une conductivité thermique élevée et des propriétés d’isolation électrique)
Comparaison des performances avec les matériaux conventionnels
| Dimension comparative | Circuit imprimé aluminium | FR-4 (circuit imprimé traditionnel en fibre de verre) | Circuits céramiques à couche épaisse |
| Conductivité thermique | Résistance thermique extrêmement faible (conductivité thermique élevée) | Résistance thermique élevée (conductivité thermique faible) | Conductivité thermique modérée, mais très fragile |
| Propriétés mécaniques | Excellentes (résistance aux chocs, résistance à la flexion) | Normales (sensibilité à l’humidité et à la déformation) | Très fragiles (se cassent facilement) |
| Adaptabilité au processus | Parfaitement adapté au SMT | Adapté au SMT mais avec une dissipation thermique limitée | Nécessite des processus spécialisés, ce qui entraîne des coûts élevés |
| Coût et volume | Réduire le nombre de dissipateurs thermiques pour diminuer les coûts matériels | Nécessite une conception supplémentaire pour la gestion thermique ; encombrant | Coûts élevés des matériaux, contraintes de volume |
Circuit imprimé aluminium avantages distinctifs
Conformité environnementale
Conforme à la directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive), sans plomb et sans halogène, répondant aux normes environnementales mondiales.
Compatibilité avec le processus SMT
Grande planéité de surface, adaptée au placement automatisé, améliorant l’efficacité de la production.
Excellente résistance aux températures élevées, supporte les températures de soudage par refusion (généralement ≥260 °C).
Optimisation de la gestion thermique
Traitement de diffusion thermique : disperse uniformément la chaleur à travers le substrat métallique, empêchant ainsi la surchauffe localisée et réduisant la température des modules de 10 à 30 %.
Durée de vie prolongée : chaque réduction de 10 °C de la température double approximativement la longévité du dispositif (modèle d’Arrhenius).
Densité de puissance améliorée : la réduction des exigences en matière de gestion thermique permet un espacement plus étroit entre les composants, augmentant ainsi la puissance de sortie par unité de surface.
Optimisation des coûts et du volume
Simplification du matériel : élimine les dissipateurs thermiques, les matériaux d’interface thermique (TIM), etc., réduisant ainsi les coûts de nomenclature.
Format compact : épaisseur minimale de 0,5 mm, adapté aux conceptions à espace restreint (par exemple, éclairage LED, modules d’alimentation).
Rationalisation de l’assemblage : la réduction des étapes d’assemblage diminue la main-d’œuvre et le temps nécessaires.
Optimisation de l’intégration des circuits
Intégration des circuits d’alimentation et de commande : intègre des circuits d’alimentation haute tension et des circuits de commande basse tension sur un seul substrat, minimisant ainsi les interférences de signal.
Conception modulaire : prend en charge les modules multi-puces (MCM), améliorant l’intégration du système.
Durabilité mécanique
Résistant aux chocs et aux vibrations, adapté aux environnements difficiles tels que les applications automobiles et aérospatiales.
Lors du remplacement des substrats céramiques, résiste à des contraintes mécaniques plus élevées, réduisant ainsi les risques de rupture.
Domaines d’application des circuit imprimé aluminium
Éclairage LED : les luminaires LED génèrent une chaleur importante pendant leur fonctionnement. Les circuit imprimé aluminium dissipent efficacement cette chaleur, garantissant ainsi des performances stables et une durée de vie prolongée. Ils sont donc largement utilisés dans les applications d’éclairage LED.
Modules d’alimentation : les modules d’alimentation génèrent également une chaleur importante pendant leur fonctionnement. Les circuit imprimé aluminium offrent une excellente dissipation thermique, garantissant la stabilité et la fiabilité des modules d’alimentation.
Électronique automobile : les systèmes électroniques automobiles sont confrontés à des environnements difficiles caractérisés par des températures élevées, de l’humidité et des vibrations. Les circuit imprimé aluminium, grâce à leur conductivité thermique et leur stabilité supérieures, constituent un choix idéal pour le secteur de l’électronique automobile.
