Les PCB à base d'aluminium et les PCB au noyau métallique FR4: un guide complet

Dans le monde de l'électronique de haute puissance, la gestion thermique est une question de choix.le choix du substrat de PCB a une incidence directe sur les performancesDeux options populaires pour les applications à forte intensité thermique sont les PCB à base d'aluminium et les PCB à noyau métallique FR4, mais elles sont loin d'être interchangeables.Ce guide décrit leurs différences, les avantages, les applications idéales, et comment choisir le bon pour votre projet.

Les principaux enseignements
1Les circuits imprimés à base d'aluminium dissipent la chaleur 5 à 8 fois plus rapidement que le FR4 standard, ce qui les rend idéaux pour les LED haute puissance et les appareils 100W+.
2Les circuits imprimés à noyau métallique.FR4 offrent un équilibre entre performance thermique et coût, avec une dissipation thermique 2×3 fois meilleure que le FR4 standard.
3Les PCB à base d'aluminium excellent à des températures extrêmes (-50°C à 150°C), tandis que les PCB à noyau métallique FR4 sont limités à 130°C maximum.
4En termes de coût, les PCB à base d'aluminium sont 1,5 à 2 fois plus chers que les options de noyau métallique FR4, mais offrent une fiabilité à long terme supérieure dans des environnements à haute température.

Quels sont les PCB à base d'aluminium?
Les PCB à base d'aluminium (également appelés PCB à noyau d'aluminium) comportent une fine couche de matériau diélectrique thermiquement conducteur liée à un substrat d'aluminium épais (généralement 0,8 × 3,0 mm d'épaisseur).:
a.Cœur en aluminium: 90 à 95% de l'épaisseur du panneau, agissant comme dissipateur de chaleur.
b. couche diélectrique thermique d'une épaisseur de 50 ‰ 200 μm (souvent époxy remplie de céramique) avec une conductivité thermique élevée (1 ‰ 5 W/m·K).
c. couche de circuit en cuivre: 1 ̊3oz (35 ̊105 μm) pour le transport de courant et le routage du signal.
Cette conception crée une "voie thermique" qui attire la chaleur des composants directement dans le noyau en aluminium, qui le dissipe ensuite dans l'environnement environnant.

Comment fonctionnent les PCB à base d'aluminium
a.Transfert thermique: lorsqu'un composant (par exemple une puce LED) génère de la chaleur, elle passe par la couche de cuivre jusqu'au diélectrique thermique, puis dans le noyau en aluminium.
b.Dissipation thermique: le noyau en aluminium répand la chaleur sur sa surface, en tirant parti de sa grande surface pour refroidir passivement (ou avec des dissipateurs de chaleur pour le refroidissement actif).
c. Isolement électrique: la couche diélectrique empêche la conduction électrique entre le circuit en cuivre et le noyau en aluminium, assurant ainsi la sécurité et la fonctionnalité.

Quels sont les PCB au noyau métallique FR4?
Les PCB à noyau métallique FR4 (MCPCB) combinent la familiarité du FR4 avec un noyau métallique pour une meilleure performance thermique.
a.Cœur métallique: généralement en aluminium ou en cuivre, d'une épaisseur de 0,3 à 1,5 mm (plus fin que les PCB à base d'aluminium).
b. couches FR4: 1 à 2 couches de FR4 standard (époxy renforcé de verre) liées au noyau métallique, assurant une résistance mécanique.
c. couche de circuit en cuivre: 1 ‰ 2 oz (35 ‰ 70 μm), similaire aux PCB standard mais optimisée pour le débit de chaleur.
La conductivité thermique provient ici du noyau métallique, mais les couches FR4 agissent comme une barrière partielle ralentissant le transfert de chaleur par rapport aux PCB à base d'aluminium.

Comment fonctionnent les PCB au noyau métallique FR4
a.Transfert de chaleur: la chaleur des composants passe par les couches de cuivre et de FR4 jusqu'au noyau métallique, qui la répand sur toute la carte.
b.Conception compromise: les couches FR4 ajoutent de la rigidité structurelle mais réduisent l'efficacité thermique, ce qui les rend un terrain d'entente entre les FR4 standard et les PCB à base d'aluminium.
c. Efficacité des coûts: en utilisant le FR4 (un matériau peu coûteux), ces PCB évitent la prime des conceptions à base d'aluminium pur tout en dépassant le FR4 standard.

PCB à base d'aluminium par rapport aux PCB à noyau métallique FR4: principales différences
Le tableau ci-dessous met en évidence leurs différences critiques de performance et de conception:

Pourquoi la performance thermique est importante
Dans les applications à haute puissance, même une augmentation de température de 10 °C peut réduire la durée de vie des composants de 50% (selon l'équation d'Arrhenius).

PCB à base d'aluminium: traitement thermique supérieur
a. Conductivité thermique: la couche diélectrique remplie de céramique (1 ‰ 5 W/m·K) est 5 ‰ 25 fois plus performante que FR4 (0,2 ‰ 0,3 W/m·K).
b.Impact dans le monde réel: un pilote LED de 100 W sur un PCB à base d'aluminium fonctionne à 25 à 30 °C de moins que la même conception sur un noyau métallique FR4.
c. Applications: idéal pour les appareils dont la dissipation de puissance est supérieure à 50 W, tels que:
Éclairage à LED haute capacité (100 ∼ 300 W).
phares LED automobiles (50 ̊150 W).
Contrôleur de moteur industriel (200 ‰ 500 W).

PCB à noyau métallique FR4: performance équilibrée
a. Conductivité thermique: le noyau métallique améliore le débit thermique, mais les couches FR4 le limitent à 0,8 W/m·K.
b.Impact dans le monde réel: une alimentation de 30 W sur un PCB à noyau métallique FR4 fonctionne à 15°C20°C plus froid que le FR4 standard mais à 10°C15°C plus chaud qu'un PCB à base d'aluminium.
c.Applications: Convient pour les appareils de puissance moyenne (1050 W), y compris:
Contrôleurs à bande LED (10 ′′ 30 W).
Des petits convertisseurs CC-DC (15 ¢ 40 W).
Produits électroniques grand public (p. ex. chargeurs pour ordinateurs portables).

Avantages des PCB à base d'aluminium
Les PCB à base d'aluminium excèlent dans les scénarios où la chaleur est la principale préoccupation:
1. Résistance aux températures extrêmes
Ils résistent à un fonctionnement continu à 150 °C (contre 130 °C pour le noyau métallique FR4), ce qui les rend idéaux pour:
L'électronique automobile.
Fours industriels et capteurs de haute température.

2Dissipation de chaleur supérieure
Le chemin thermique direct des composants vers le noyau en aluminium minimise les points chauds, réduisant les taux de défaillance des composants de 40 à 60% dans les applications à haute puissance.

3Durable et fiable
Le noyau en aluminium résiste à la déformation sous contrainte thermique (commun dans les PCB FR4 standard avec de grandes fluctuations de température).
Résistant à la corrosion dans des environnements humides (avec un revêtement approprié), plus durable que les PCB à noyau métallique FR4 dans les applications marines ou extérieures.

4. Refroidissement simplifié
Par exemple, un pilote LED de 200 W sur un PCB à base d'aluminium peut refroidir passivement,tandis que la même conception sur le noyau métallique FR4 nécessite un dissipateur de chaleur.

Avantages des PCB au noyau métallique FR4
Les PCB à noyau métallique FR4 brillent dans les applications à température modérée et à faible coût:
1. Moins coûteux
30 à 50% moins cher que les PCB à base d'aluminium, ce qui les rend attrayants pour les appareils électroniques grand volume (p. ex. ampoules LED, petites sources d'alimentation).

2Compatibilité avec la fabrication standard
Utiliser les mêmes procédés de fabrication que les PCB FR4 standard, réduisant les coûts d'installation et les délais.

3. Conception légère
Le noyau métallique plus fin et les couches FR4 les rendent 20 à 30% plus légers que les PCB à base d'aluminium, idéaux pour les appareils portables (par exemple, les lumières de travail LED alimentées par batterie).

4Bonne résistance mécanique
Les couches FR4 ajoutent de la rigidité, ce qui les rend plus résistantes à la flexion que les PCB à base d'aluminium pur, utiles dans les environnements sujets aux vibrations (par exemple, les ventilateurs, les petits moteurs).

Des limites à prendre en considération
Aucune des deux options n'est parfaite. Comprendre leurs faiblesses est essentiel au succès du projet.
Limitations relatives aux PCB à base d'aluminium
Coût plus élevé: 1,5 fois le prix des PCB à noyau métallique FR4, ce qui peut être prohibitif pour les produits à faible coût et à volume élevé.
Poids: plus lourd que le noyau métallique FR4, ce qui les rend moins adaptés aux appareils portables.
Restrictions de conception: un noyau en aluminium plus épais limite la souplesse; il n'est pas idéal pour les applications courbes ou flexibles.

Limitations des PCB au noyau métallique FR4
Plafond thermique: température de fonctionnement maximale de 130°C (contre 150°C pour la base en aluminium) limite l'utilisation dans des environnements extrêmes.
Accumulation de chaleur: les couches FR4 ralentissent le transfert de chaleur, ce qui entraîne des températures de composants plus élevées dans les applications > 50 W.
Personnalisation limitée: les performances thermiques sont plus difficiles à adapter que les PCB à base d'aluminium, qui peuvent utiliser différents matériaux diélectriques pour des besoins thermiques spécifiques.

Applications idéales pour chaque type
L'adaptation du PCB à l'application garantit des performances et des coûts optimaux:

Les PCB à base d'aluminium sont les meilleurs pour:
LED de haute puissance: lampadaires, éclairage de stade et luminaires de haute capacité (100W+).
Électronique automobile: unités de commande du moteur (ECU), phares LED et systèmes de gestion des batteries (BMS).
Les sources d'alimentation industrielles: convertisseurs AC/DC de 200 W et plus et moteurs.
Électronique extérieure: écrans LED résistants aux intempéries et onduleurs solaires.

Les PCB à noyau métallique FR4 sont les meilleurs pour:
LED de puissance moyenne: éclairage résidentiel, bandes LED et éclairage de panneaux (10 ‰ 50 W).
Produits électroniques grand public: chargeurs d'ordinateurs portables, alimentation de consoles de jeux et petits amplificateurs audio.
Appareils portables: lampes de travail à piles et outils électriques portatifs.
Appareils industriels peu coûteux: capteurs de faible puissance et petits régulateurs de moteur (10 30 W).

Comment faire le choix
Suivez ce cadre de décision pour choisir le bon PCB:
1. Calculer la dissipation de puissance
< 50 W: les PCB à noyau métallique FR4 offrent des performances thermiques suffisantes à moindre coût.
50W: les PCB à base d'aluminium valent l'investissement pour prévenir la surchauffe.

2Vérifiez la température de fonctionnement.
Si l'appareil fonctionne à des températures supérieures à 130 °C (par exemple, près de moteurs ou de fours), choisir une base en aluminium.
Pour une température inférieure ou égale à 130 °C, un noyau métallique FR4 est suffisant.

3. Évaluer le coût par rapport à la durée de vie
Produits à courte durée de vie (par exemple, appareils électroniques jetables): le noyau métallique FR4 réduit les coûts initiaux.
Produits de longue durée de vie (par exemple, équipements industriels avec garantie de plus de 5 ans): les PCB à base d'aluminium réduisent les coûts de remplacement en réduisant les pannes.

4. Considérez le facteur de forme
Dispositifs portables/légers: la légèreté du noyau métallique FR4 est un avantage.
Installations fixes: la meilleure dissipation thermique de la base en aluminium justifie le poids supplémentaire.

Considérations de fabrication
Les processus de production diffèrent légèrement, ce qui affecte les délais et les coûts:

Fabrication de PCB à base d'aluminium
Sélection du diélectrique: choisir des époxy remplis de céramique (13 W/m·K) pour une utilisation générale ou des diélectriques à base de silicone (35 W/m·K) pour une chaleur extrême.
Épaisseur de l'aluminium: un noyau plus épais (2 ‰ 3 mm) améliore la dissipation de chaleur, mais augmente le poids et le coût.
Poids en cuivre: Utilisez 2 ̊3 oz de cuivre pour les chemins à courant élevé (commun dans les alimentations).

FR4 Fabrication de PCB à base de métaux
Matériau du noyau métallique: l'aluminium est moins cher que le cuivre; les noyaux de cuivre offrent une meilleure conductivité thermique mais coûtent 20 à 30% de plus.
Épaisseur de couche FR4: 0,1 ∼0,2 mm de couches équilibrent la rigidité et les performances thermiques.
Précision de gravure: les couches FR4 nécessitent une gravure minutieuse pour éviter d'endommager le noyau métallique, ce qui augmente la complexité de la production.

Questions fréquemment posées
Q: Les PCB à base d'aluminium peuvent-ils être utilisés avec des conceptions flexibles?
R: Non. Leur noyau en aluminium épais les rend rigides. Pour les applications souples et à haute température, utilisez des PCB à noyau métallique flexible avec des noyaux minces en cuivre.

Q: Les PCB à noyau métallique FR4 sont-ils conformes à la directive RoHS?
R: Oui, comme les PCB à base d'aluminium, ils utilisent des matériaux sans plomb et sont compatibles avec RoHS, REACH et d'autres normes environnementales.

Q: Dans quelle mesure la conductivité thermique affecte-t-elle les performances?
R: Significativement. Un PCB à base d'aluminium de 2 W/m·K fera fonctionner un composant de 100 W 15°C plus froid qu'un PCB à noyau métallique FR4 de 1 W/m·K.

Q: Puis-je ajouter des dissipateurs de chaleur aux PCB FR4 à noyau métallique pour correspondre aux performances de la base en aluminium?
R: Oui, mais les dissipateurs de chaleur ajoutent du coût, de la taille et du poids, ce qui annule souvent les avantages du noyau métallique FR4. Dans les applications > 50W, la base en aluminium est plus efficace.

Q: Les PCB à base d'aluminium nécessitent-ils des procédés d'assemblage spéciaux?
R: Non, ils utilisent les techniques de montage SMT et de montage par trou standard, mais il faut veiller à ne pas plier le noyau d'aluminium rigide.

Conclusion
Les PCB à base d'aluminium et les PCB à noyau métallique FR4 résolvent tous deux les défis thermiques, mais leurs forces répondent à des besoins différents.Applications à température extrêmeEn revanche, les PCB à noyau métallique FR4 ne sont pas des PCB de qualité supérieure, car leur coût est justifié par une dissipation thermique et une fiabilité supérieures.offrir une solution économique pour les appareils de puissance moyenne où le coût et le poids sont plus importants que les performances thermiques optimales.
En alignant votre choix sur les besoins en électricité, les conditions de fonctionnement et le budget, vous vous assurerez que votre PCB ne fonctionne pas seulement, mais aussi qu'il dure.l'option “meilleure” est celle qui équilibre les performances et la praticité pour votre projet spécifique.