Les circuits imprimés en aluminium présentent d’excellentes performances électriques, une capacité de dissipation thermique élevée, un blindage électromagnétique, une grande rigidité diélectrique et une résistance à la flexion, et sont largement utilisés dans de nombreux secteurs tels que l’éclairage LED haute puissance, l’énergie, les sources de rétroéclairage pour téléviseurs, l’automobile, l’informatique, les modules de climatisation à fréquence variable, l’électronique aérospatiale, les télécommunications, le secteur médical, l’audio, etc. Même pour l’appareil photo de téléphone portable, qui est l’un des plus couramment utilisés, le circuit imprimé en aluminium constitue une partie essentielle du téléphone. En tant que type de circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB), les circuits imprimés en aluminium présentent de nombreuses similitudes avec les circuits imprimés FR4 en termes de procédé ou de technique de fabrication, comme la gravure de feuilles de cuivre épaisses, la protection de surface en aluminium lors de la gravure, la fabrication de cartes en aluminium etmasque de soudureimpression, etc.
Développés dans les années 1970, les circuits imprimés en aluminium ont commencé à se répandre depuis leur première application dans les circuits intégrés hybrides d’amplification de puissance. Ces dernières années ont vu des applications de plus en plus larges et une tendance au développement des circuits imprimés en aluminium, notamment grâce au dynamisme de l’industrie des LED. Il est donc nécessaire de connaître certaines caractéristiques importantes des circuits imprimés en aluminium afin de pouvoir mieux les exploiter dans vos produits ou votre secteur.
Propriétés des circuits imprimés en aluminium
• Structure de PCB en aluminium
Lorsqu'il s'agit de la structure des PCB en aluminium, cela indique authentiquement la structure de l'aluminiumstratifié cuivre (CCL)composé de feuille de cuivre, de couche diélectrique, de base en aluminium et de membrane de base en aluminium (facultative). La structure du CCL en aluminium est indiquée ci-dessous.
1. Couche de feuille de cuivre
Le CCL en aluminium présente la même couche de feuille de cuivre que les CCL ordinaires, et une grande capacité de transport de courant est requise pour la couche de circuit, ce qui explique pourquoi un circuit en cuivre relativement épais est choisi, avec une épaisseur allant de 1 oz à 10 oz. Le revers de la feuille de cuivre doit subir un traitement d’oxydation par voie chimique, tandis que la face de surface doit être soumise à un zingage et à un placage de laiton afin d’améliorer la résistance au pelage.
2. Couche diélectrique
La couche diélectrique est composée d’une couche de matériau diélectrique thermoconducteur à faible résistance thermique, dont l’épaisseur est comprise entre 50 μm et 200 μm, ce qui constitue la technologie de base du CCL en aluminium. Elle présente d’excellentes performances de résistance au vieillissement thermique et peut supporter les contraintes mécaniques et thermiques.
3. Couche de base en aluminium
La couche de base en aluminium est en réalité le matériau de substrat en aluminium qui constitue le composant de support de la couche de base en aluminium. Elle doit présenter une conductivité thermique élevée et être adaptée aux procédés de fabrication mécanique ordinaires tels que le perçage, le poinçonnage et la découpe.
4. Membrane à base d’aluminium
La membrane de base en aluminium joue un rôle dans la protection de la surface en aluminium contre les rayures et la corrosion par les agents chimiques. Les membranes peuvent être classées en ordinaires (inférieures à 120 °C) et résistantes aux hautes températures (250 °C). Ce dernier type répond aux exigences du procédé HASL (nivellement à l’air chaud).état de surface.
• Performances des circuits imprimés en aluminium
1. Dissipation thermique
Comparées aux PCB FR4 ordinaires, les PCB en aluminium offrent de meilleures performances en matière de dissipation thermique et sont capables d’évacuer la chaleur rapidement. Prenons comme exemple la comparaison entre un PCB FR4 et un PCB en aluminium d’une épaisseur équivalente de 1,5 mm. La résistance thermique d’un PCB FR4 est comprise entre 20 °C/W et 22 °C/W, tandis que celle d’un PCB en aluminium se situe entre 1 °C/W et 2 °C/W. Ainsi, l’aluminium assure une excellente dissipation thermique.
2. Dilatation thermique
La dilatation et la contraction thermiques sont une propriété commune des substances, et différentes substances possèdent différents coefficients de dilatation thermique. Étant donné que les PCB en aluminium offrent d’excellentes performances en matière de dissipation thermique, les problèmes de dilatation et de contraction thermiques des composants à la surface de la carte peuvent ainsi être considérablement réduits, ce qui améliore la durabilité et la fiabilité de l’appareil complet et de l’équipement électronique. Cet avantage des PCB en aluminium est particulièrement efficace pour les problèmes de dilatation et de contraction thermiques liés à la technologie de montage en surface (SMT, surface mount technology).
3. Stabilité dimensionnelle
Les circuits imprimés à base d’aluminium présentent une stabilité dimensionnelle évidente. Lorsqu’ils sont chauffés de 30 °C à 140 °C ou 150 °C, leur taille ne varie que de 2,5 % à 3,0 %.
4. Autres performances
a. Applicable pour le montage SMT de dispositifs de puissance.
b. Efficace pour la dilatation thermique dans la conception de circuits.
c. Utile pour réduire la température de fonctionnement, améliorer la densité de puissance et la fiabilité du produit, et prolonger la durée de vie du produit.
d. Réduire le volume du produit et diminuer les coûts de matériel et d’assemblage.
e. Remplacement de la base en céramique fragile par une base offrant de meilleures propriétés d’isolation et une meilleure résistance mécanique.
Classification des circuits imprimés en aluminium
En fonction du type d’application et du matériau de la couche diélectrique, les circuits imprimés en aluminium peuvent être classés en trois catégories :
• PCB universel en aluminium - La couche diélectrique est composée de préimprégné en fibre de verre époxy.
• PCB en aluminium à haute conductivité thermique - La couche diélectrique est composée de résine époxy ou d’autres types de résine à haute conductivité thermique.
• PCB en aluminium haute fréquence et micro-ondes - La couche diélectrique est composée de résine polyoléfine ou de préimprégné en fibre de verre à base de résine polyimide.
Difficultés de fabrication des circuits imprimés en aluminium et solutions
Qu’il s’agisse de circuits imprimés en aluminium simple couche, double couche ou multicouche, ou de MCPCB, ils présentent de nombreuses similitudes avec le procédé de fabrication des circuits imprimés FR4. Néanmoins, les circuits imprimés en aluminium, en tant que type avancé de circuits imprimés, possèdent encore des particularités dans leur procédé de fabrication, nécessitant une gestion et un contrôle rigoureux et efficaces.
• Gravure de feuille de cuivre épaisse
Les circuits imprimés en aluminium sont généralement utilisés dans des dispositifs de puissance à haute densité de puissance, de sorte que le cuivre est relativement épais. Lorsque l’épaisseur du cuivre est de 3 oz ou plus, la gravure du cuivre nécessite une compensation de la largeur des pistes. Sinon, la largeur des pistes sera hors tolérance après la gravure. Par conséquent, afin de garantir une largeur/distance de piste et un contrôle d’impédance optimaux pouvant répondre aux exigences de conception, le travail suivant doit être effectué à l’avance.
a. La compensation de la largeur des pistes doit être conçue de manière appropriée.
b. L’effet de la fabrication des pistes sur la largeur/l’espacement des pistes doit être éliminé.
c. Les facteurs de gravure et les paramètres des agents doivent être rigoureusement contrôlés.
• Impression du masque de soudure
L’impression du vernis épargne est considérée comme une difficulté de fabrication des PCB en aluminium en raison de l’effet du cuivre épais. Si l’épaisseur du cuivre des pistes est exceptionnelle après la gravure de l’image, une grande différence sera générée entre la surface des pistes et le substrat, et l’application du vernis épargne deviendra difficile. Pour garantir une impression fluide du vernis épargne, les principes suivants doivent être respectés :
a. L’huile de vernis épargne doit être choisie avec des performances de haute qualité.
b. Une impression du masque de soudure en deux passes est utilisée.
c. Lorsque cela est nécessaire, on a recours à la méthode de fabrication consistant d’abord à remplir de résine, puis à appliquer le vernis épargne.
• Fabrication mécanique
La fabrication mécanique de circuits imprimés en aluminium comprend le perçage mécanique, le fraisage, le moulage et le rainurage en V, et des bavures ont tendance à rester sur les vias internes, ce qui réduit la rigidité diélectrique. Par conséquent, afin de garantir une fabrication mécanique de haute qualité, les principes suivants doivent être strictement respectés :
a. Pour une production de faible volume, il convient d’utiliser une fraiseuse électrique et une fraiseuse professionnelle.
b. La technique de contrôle et le modèle doivent être pris en compte dans le processus de moulage de la matrice.
c. Les paramètres de perçage doivent être correctement ajustés sur les circuits imprimés en aluminium à cuivre épais afin d’éviter la formation de bavures.
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