Circuits imprimés à noyau métallique : règles de conception influençant le rendement d’assemblage

La plupart des problèmes d’assemblage sur un circuit à noyau métallique proviennent de trois choix de conception : la quantité de masse thermique placée sous un composant donné, la taille des pastilles de soudure sur le chemin thermique et l’emplacement des trous de fixation par rapport aux pastilles et aux bords. Si ces éléments sont corrects sur le plan, le profil de refusion devient un simple travail de réglage normal. S’ils sont erronés, aucun réglage de four ne pourra les corriger complètement.

Cet article présente les directives de conception de circuits imprimés en aluminium que nous vérifions avant qu’un dossier à cœur métallique ne parte en production, rédigé pour les ingénieurs qui développent des modules d’éclairage LED et de puissance où la densité thermique est la raison même du choix de ce substrat.

En quoi une carte à cœur métallique est-elle différente du FR4 sur la ligne ?

La base métallique absorbe la chaleur pendant la refusion, et cela change tout en aval. Une carte FR4 se réchauffe de manière assez uniforme et rapide. Une carte à noyau métallique possède une épaisse plaque d’aluminium ou de cuivre sous un mince diélectrique, elle chauffe donc lentement, retient cette chaleur et refroidit lentement. Les petits composants sur des pistes étroites atteignent rapidement la phase liquide, tandis qu’un grand pad thermique sur la même base peut prendre du retard.

Trois conséquences pratiques en découlent :

Le profil doit être développé sur la carte réelle avec des thermocouples, et non emprunté à un travail en FR4.

Les circuits imprimés présentant une répartition très inégale du cuivre et des composants affichent une plage de températures plus large sur l’ensemble du panneau.

La manipulation est importante. La face inférieure est en métal nu, il faut donc un support pour le transport et le maintien des cartes. Nous utilisons pour cela des gabarits en pierre synthétique, et le fait de conserver une carte plane et stable pendant l’impression de pâte et le placement fait partie des conditions nécessaires pour maintenir la régularité des dépôts.

Nos circuits à cœur métallique standard sont fabriqués selon la norme IPC Classe 2. Les matériaux de base sont l’aluminium 1060 ou le cuivre, l’épaisseur des cartes va de 0,8 à 5,0 mm, et l’épaisseur que vous choisissez a un effet direct sur le temps nécessaire pour que la carte atteigne la température. Plus épais n’est pas automatiquement meilleur pour le produit. Si une base de 1,0 mm respecte votre budget thermique, spécifier 3,0 mm juste par sécurité rend la refusion plus difficile sans avantage.

Chiffres diélectriques et thermiques à indiquer sur votre dessin

Indiquez les performances diélectriques dans les notes de fabrication au lieu de les laisser sous forme de nom de matériau, car c’est ce que l’atelier de fabrication et votre propre inspection à la réception peuvent vérifier. Pour nos cartes en aluminium, les valeurs de référence sont :

Deux remarques concernant la lecture de ce tableau. Premièrement, la valeur de conductivité thermique décrit la couche diélectrique, et non l’aluminium. Le diélectrique est le goulet d’étranglement dans le chemin thermique, c’est pourquoi la valeur de conductivité thermique du circuit imprimé en aluminium reçoit autant d’attention dans les comparaisons de fiches techniques. Deuxièmement, la résistance thermique dépend de la surface sur laquelle elle est mesurée ; vérifiez donc quelle surface est prise en compte dans votre modèle thermique avant de la comparer à l’empreinte d’un pad.

Sur la finition de surface : l’ENIG offre un pad plat, ce qui aide pour les composants à pas fin et pour une dépose de pâte régulière sur les petits pads. Le HASL est moins cher et parfaitement utilisable pour les empreintes de LED et de puissance plus grandes, mais il laisse une certaine variation de hauteur des pads ; nous ne le choisirions donc pas pour une carte qui mélange des circuits intégrés à pas fin avec de grandes pastilles thermiques. Si vous n’êtes pas sûr de la finition adaptée à votre combinaison de composants, envoyez-nous la nomenclature (BOM) et nous vous le dirons.

Pour une vue plus large de la manière dont les chemins thermiques sont construits sur ces cartes, notrepage des capacités des circuits imprimés en aluminiuménumère l’ensemble des options de matériaux et de procédés.

Poids du cuivre, limites de largeur de piste et d’espacement

L’épaisseur de cuivre fini varie de 0,5 à 10 oz, avec une largeur et un espacement de piste allant jusqu’à 4/4 mil. Dans la plupart des cas, ces deux extrêmes ne devraient pas se trouver sur la même carte. Le cuivre épais nécessite un espacement plus large, et c’est une réalité aussi bien pour la fabrication que pour l’assemblage.

Pour l’assemblage, le poids de cuivre est important, car il ajoute de la masse thermique au niveau du pad. Un composant placé sur un grand plan de cuivre avec une connexion solide chauffera beaucoup plus lentement que le même composant avec un relief thermique ou un col étroit. C’est la même logique que pour n’importe quel circuit à cuivre épais, mais sur un substrat à noyau métallique, l’effet s’ajoute à celui de la base qui absorbe la chaleur.

Ce que nous suggérons généralement :

Choisissez le poids de cuivre en fonction des calculs de courant et de thermique, puis arrêtez-vous là. Passer de 2 oz à 4 oz « pour la marge » en vaut rarement la peine, sauf si vous avez réellement modélisé le trajet du courant.

Utilisez un déparasitage thermique sur les pastilles qui ne font pas partie du chemin thermique, comme les broches de signal d’un circuit intégré de commande, afin qu’elles se soudent à peu près en même temps que leurs voisines.

Laissez les pastilles thermiques elles-mêmes pleines. Elles constituent le chemin de chaleur, et y mettre des décharges annule l’objectif.

Maintenez des caractéristiques fines de 4/4 mil à l’écart des zones de cuivre les plus épaisses sur la même carte, et confirmez avec notre équipe d’ingénierie avant de combiner du cuivre épais avec une géométrie serrée.

Une répartition inégale du cuivre se manifeste également par un gradient de température. Un circuit imprimé avec un large plan de cuivre sur une moitié et un routage clairsemé sur l’autre ne refondra pas de manière uniforme, même si les deux moitiés partagent le même support.

Trous, fraisures et éléments de fixation

Les circuits à noyau métallique sont généralement boulonnés à un dissipateur thermique ou à un boîtier, de sorte que les trous de fixation ne sont pas une réflexion tardive. Les limites de perçage et de fraisage auxquelles nous pouvons nous référer sont un diamètre de trou minimum de 6 mil et un anneau annulaire minimum de 4 mil. Les trous fraisés et les trous pour vis sont pris en charge.

Les questions de conception qui affectent l’assemblage concernent principalement la distance et le dégagement :

Espacement entre le trou et le pastille.La base métallique est conductrice et la valeur de claquage diélectrique est > 2 kV DC. Tout trou traversant la base expose le métal nu sur sa paroi, il faut donc maintenir les pastilles et pistes en cuivre bien en retrait du bord du trou. Demandez‑nous l’isolement spécifique correspondant à votre classe de tension au lieu de deviner.

Fraises à lamer.Un fraisage modifie l’épaisseur locale du circuit imprimé et élimine le support diélectrique à proximité du trou. Évitez de placer des composants et des pastilles de soudure dans cette zone. Un fraisage dessiné trop près de l’empreinte d’une LED est une raison fréquente pour laquelle nous renvoyons une question de conception.

Emplacements des bords et des trous de montage.Les cartes sont transportées sur des montages et des convoyeurs, donc gardez les trous d’outillage et les repères dans des positions que la ligne peut utiliser, et évitez de placer des composants lourds juste au bord, là où le support est faible. Si les positions des vis forcent un composant à être placé dans un endroit peu pratique, dites-le-nous tôt, car déplacer un connecteur ou un driver plus tard coûte plus cher que déplacer un trou maintenant.

Le nombre de trous compte également pour le comportement thermique. Plusieurs grands trous à proximité d’un composant chaud modifient la façon dont la chaleur s’en échappe, ce qui affecte à la fois le produit final et le résultat du refusion.

Ce qui se passe mal lors du reflow et comment la mise en page peut l’éviter

Les trois problèmes que nous constatons le plus souvent sur les conceptions à noyau métallique sont le chauffage non uniforme, les vides sous les pastilles thermiques et le déplacement ou l’effet « tombstone » des composants de petite taille à côté de zones de cuivre épaisses.

Chauffage inégal.Si une extrémité d’un petit composant à puce repose sur une grande zone de cuivre et l’autre extrémité sur une fine piste, l’extrémité fine se mouille en premier et le composant peut se redresser. La solution se situe au niveau du routage : il faut faire correspondre la connexion de cuivre sur les deux pastilles de chaque composant à deux bornes. Notre SPI 3D et notre AOI détectent les symptômes, mais ils n’éliminent pas la cause.

Vides sous les pastilles thermiques.Les gros joints de soudure emprisonnent les dégazages de flux, et la base métallique ralentit la refusion juste assez pour aggraver le problème. Les concepteurs peuvent aider de plusieurs façons :

Découpez une grande pastille thermique en un motif de pâte fenêtré ou segmenté plutôt qu’en une ouverture pleine, et demandez‑nous de confirmer le motif pour votre composant.

Évitez les finitions de pastilles ou les états de surface qui se mouillent de façon inégale. C’est un autre argument en faveur de l’ENIG pour les cartes où la performance en matière de vides est importante.

Déterminez à l’avance le critère d’acceptation. Nous effectuons une inspection par radiographie hors ligne lorsque la présence de vides est un sujet de préoccupation, et la limite requise doit être indiquée sur le plan ou convenue avec nous avant la première fabrication, et non découverte pendant celle-ci.

L’application de la pâte à braser fait également partie de l’équation. Nous utilisons une imprimante à jet MYCRONIC lorsque l’application l’exige, ainsi qu’un SPI 3D pour confirmer le volume et la position, mais le contrôle du dépôt ne peut pas compenser une conception de pastilles qui piège les gaz par nature.

Dépendance au profil.Nous utilisons des circuits imprimés à noyau métallique dans le four de refusion JTR-1200D-N, et le profil est établi à partir des données de thermocouples sur la carte réelle. Pour les températures spécifiques, les limites de rampe et le temps au-dessus du liquidus correspondant à votre substrat et à votre pâte, veuillez confirmer avec notre équipe d’ingénierie. Nous ne publions pas de profil universel, car l’épaisseur du matériau de base, la répartition du cuivre et la composition des composants modifient les besoins de la carte.

Nous enregistrons également les données de procédé via Smart MES, ce qui est utile lorsque vous devez retracer une fabrication jusqu’aux paramètres utilisés. Il s’agit de traçabilité, et non d’une promesse de rendement, et nous préférons être clairs sur cette distinction.

Si vous souhaitez davantage de contexte sur l’aspect flux de chaleur de ces problèmes, l’article surproblèmes thermiques et solutions pour les circuits imprimés à noyau métalliqueexplique plus en détail le comportement du substrat.

Liste de vérification de conception

Passez-les en revue avant de diffuser les fichiers. Chaque élément correspond à quelque chose que nous avons dû vérifier sur un véritable travail de noyau métallique.

Matériau de base (aluminium 1060 ou cuivre) et épaisseur (0,8–5,0 mm) indiqués sur le plan de fabrication, avec la raison du choix de l’épaisseur.

Conductivité thermique diélectrique (> 0,8 W/m·K) et résistance thermique (< 1,2 °C/W) formulées comme des exigences, et non simplement comme un nom de matériau.

Exigence de tension de claquage (> 2 kV DC) indiquée, avec la tension de service et toutes les attentes en matière de distances d’isolement précisées.

Poids de cuivre final compris entre 0,5 et 10 oz, justifié par les calculs électriques et thermiques.

Ligne/espacement pas plus serrés que 4/4 mil, et ne pas les combiner avec du cuivre épais sans confirmation préalable de notre équipe d’ingénierie.

Des trous d’au moins 6 mil et un anneau annulaire d’au moins 4 mil.

Fraisures et trous de vis dimensionnés, avec des pastilles et des pièces maintenues en dehors de la zone de fraisure.

Les deux pastilles de chaque composant à deux bornes possèdent une connexion en cuivre correspondante.

Pastilles thermiques pleines sur le circuit, avec un motif de pâte en fenêtre proposé pour les grandes pastilles.

Limite d’acceptation du vide définie avant la première construction.

Finition de surface choisie en fonction de la combinaison de composants (HASL, HASL sans plomb ou ENIG).

Repères et trous d’outillage placés là où la ligne peut les utiliser.

Classe 2 indiquée comme classe d'acceptation.

FAQ

1. Une base en aluminium plus épaisse améliore-t-elle toujours les performances thermiques ?

Pas en soi. La couche diélectrique est généralement l’étape limitante dans le chemin thermique, donc une épaisseur supplémentaire de la base ajoute de la masse sans réduire cette résistance. Cela rend aussi le refusionnage plus lent et la carte plus lourde. Choisissez l’épaisseur en fonction des besoins mécaniques et du contact avec le dissipateur thermique, puis vérifiez le modèle thermique.

2. Puis-je utiliser à la fois des matériaux de base en aluminium et en cuivre dans une même famille de conception ?

Oui, de nombreuses équipes le font, par exemple l’aluminium pour le produit principal et le cuivre pour une variante de puissance supérieure. Le profil d’assemblage ne sera pas identique, car les deux bases dissipent la chaleur différemment, donc chaque variante a besoin de son propre profil de thermocouple.

3. Dois-je placer des composants des deux côtés d’un circuit à cœur métallique ?

L’approche standard consiste à placer les composants du côté circuit avec la base métallique tournée vers le dissipateur thermique. Si votre conception nécessite quelque chose de différent, envoyez-nous le concept de l’empilage et nous l’examinerons avant que vous ne vous engagiez.

4. Comment spécifier les exigences de vides pour un pad thermique ?

Indiquez la pièce, le plot et la teneur maximale en vides que vous pouvez accepter, et demandez une inspection par rayons X sur les premières pièces. Si vous ne disposez pas d’une valeur issue de vos propres données de fiabilité, discutez-en avec notre équipe d’ingénierie au lieu de copier un chiffre provenant d’une norme sans rapport.

5. Que dois-je envoyer pour une revue de conception ?

Les fichiers Gerber, le dessin avec les indications d’épaisseur et les notes thermiques, la nomenclature (BOM) et le dissipateur thermique cible ou le dispositif de montage. Les informations de montage nous aident à signaler rapidement les problèmes de perçage et de dégagement.

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