PCB en cuivre lourd: fabricants, applications et secteurs clés

Les circuits imprimés en cuivre épais, définis par des épaisseurs de cuivre de 3 oz (105 μm) ou plus, sont l'épine dorsale de l'électronique haute puissance, permettant la distribution efficace de courants importants dans des applications allant des véhicules électriques (VE) aux machines industrielles. Contrairement aux circuits imprimés standard (cuivre de 1 à 2 oz), les conceptions en cuivre épais offrent une conductivité thermique, une capacité de transport de courant et une résistance mécanique supérieures, ce qui les rend indispensables pour les systèmes qui exigent une fiabilité dans des conditions extrêmes.

Ce guide explore les propriétés uniques des circuits imprimés en cuivre épais, leurs défis de fabrication, les principaux fabricants et les applications réelles dans diverses industries. Que vous conceviez un système de gestion de batterie de VE de 500 A ou un onduleur industriel haute puissance, la compréhension de la technologie du cuivre épais vous aidera à choisir la bonne solution pour vos besoins en courant élevé.

Points clés à retenir
 1. Les circuits imprimés en cuivre épais utilisent du cuivre de 3 oz (105 μm) à 20 oz (700 μm), supportant des courants allant jusqu'à 500 A, soit 10 fois plus que les circuits imprimés standard de 1 oz.
 2. Ils dissipent la chaleur 3 fois plus vite que les circuits imprimés standard, réduisant les températures des composants de 20 à 30 °C dans les applications haute puissance.
 3. Les techniques de fabrication critiques comprennent la gravure contrôlée, la technologie d'ajustement par pression et les caractéristiques de gestion thermique comme les vias remplis de cuivre.
 4. Les principaux fabricants (par exemple, LT CIRCUIT, Sanmina) se spécialisent dans les circuits imprimés en cuivre épais, offrant des tolérances aussi serrées que ±5 % pour les largeurs de pistes.
 5. Les industries clés comprennent les VE, les énergies renouvelables, l'automatisation industrielle et l'aérospatiale, où le courant élevé et la durabilité ne sont pas négociables.

Que sont les circuits imprimés en cuivre épais ?
Les circuits imprimés en cuivre épais sont des cartes de circuits imprimés avec des couches de cuivre épaisses (3 oz+) sur les plans d'alimentation et les pistes, conçues pour transporter des courants importants et dissiper la chaleur efficacement. L'épaisseur du cuivre est mesurée en onces par pied carré (oz/ft²), où 1 oz équivaut à 35 μm. Les conceptions en cuivre épais varient généralement de 3 oz (105 μm) à 20 oz (700 μm), bien que les applications personnalisées puissent utiliser des couches encore plus épaisses.

Comment fonctionnent les circuits imprimés en cuivre épais
Les couches de cuivre épaisses remplissent deux fonctions principales :

 1. Gestion des courants élevés : des pistes plus larges et plus épaisses réduisent la résistance (loi d'Ohm), permettant à plus de courant de circuler sans surchauffe. Une piste en cuivre de 10 mm de large et de 4 oz peut transporter 50 A, soit 5 fois plus qu'une piste de 1 oz de la même largeur.
 2. Dissipation thermique : la conductivité thermique élevée du cuivre (401 W/m·K) répartit la chaleur des composants tels que les MOSFET et les transformateurs, empêchant les points chauds qui dégradent les performances.

Cuivre épais vs circuits imprimés en cuivre standard

Principales propriétés des circuits imprimés en cuivre épais
Les circuits imprimés en cuivre épais offrent un ensemble unique de caractéristiques qui les rendent idéaux pour les applications haute puissance :

1. Capacité de transport de courant élevée
L'avantage le plus important du cuivre épais est sa capacité à gérer des courants importants. Ceci est régi par l'ampacité (capacité de transport de courant) des pistes en cuivre, qui augmente avec l'épaisseur et la largeur :

Remarque : des températures ambiantes plus élevées réduisent l'ampacité, car la dissipation thermique devient moins efficace.

2. Gestion thermique supérieure
Les couches de cuivre épaisses agissent comme des dissipateurs thermiques intégrés, répartissant la chaleur loin des composants :

 a. Un plan en cuivre de 4 oz réduit la température des composants de 25 °C par rapport à un plan de 1 oz dans une alimentation de 100 W.
 b. Les vias thermiques remplis de cuivre (diamètre de 0,3 à 0,5 mm) transfèrent la chaleur des composants montés en surface vers les couches internes, améliorant encore la dissipation.

Données de test : un onduleur de VE utilisant des circuits imprimés en cuivre épais de 4 oz a fonctionné à 85 °C à pleine charge, contre 110 °C pour une conception de 2 oz, prolongeant la durée de vie des semi-conducteurs de 2 fois.

3. Durabilité mécanique
Les pistes et les plans en cuivre épais sont plus résistants aux contraintes physiques :

 a. Résistent aux vibrations (20 à 2 000 Hz) dans les environnements automobiles et industriels (conformément à la norme MIL-STD-883H).
 b. Résistent à la fatigue due aux cycles thermiques (-40 °C à 125 °C), réduisant les défaillances des joints de soudure de 50 % par rapport aux circuits imprimés standard.

Fabrication de circuits imprimés en cuivre épais : défis et solutions
La production de circuits imprimés en cuivre épais nécessite des processus spécialisés pour gérer le cuivre épais tout en maintenant la précision :

1. Gravure contrôlée
La gravure du cuivre épais (3 oz+) sans contre-dépouille (enlèvement excessif des côtés des pistes) est difficile. Les fabricants utilisent :

 a. Gravure au sulfate de cuivre acide : des vitesses de gravure plus lentes (1 à 2 μm/min) avec un contrôle précis de la température (45 à 50 °C) pour maintenir la précision des pistes.
 b. Gravure par étapes : plusieurs passages avec une concentration d'agent de gravure réduite pour minimiser la contre-dépouille, obtenant des tolérances de pistes de ±5 %.

Résultat : une piste en cuivre de 4 oz avec une largeur cible de 10 mm maintient des dimensions de 9,5 à 10,5 mm, assurant un flux de courant constant.

2. Stratification et liaison
Les couches de cuivre épaisses nécessitent une adhérence plus forte au substrat (par exemple, FR4, céramique) pour éviter la délamination :

 a. Stratification à haute pression : une pression de 400 à 500 psi à 180 °C assure une bonne liaison entre le cuivre et le substrat.
 b. Procédés sans adhésif : la liaison directe (par exemple, DBC pour les substrats en céramique) élimine les couches d'époxy, améliorant la conductivité thermique.

3. Vias thermiques et caractéristiques de gestion thermique
Les circuits imprimés en cuivre épais comprennent souvent des caractéristiques thermiques supplémentaires :

 a. Vias remplis de cuivre : plaqués avec 20 à 30 μm de cuivre pour améliorer le transfert de chaleur entre les couches.
 b. Dissipateurs thermiques intégrés : plans en cuivre épais (10 à 20 oz) liés à des noyaux en aluminium pour des charges thermiques extrêmes (par exemple, systèmes de VE de 500 A).

Principaux fabricants de circuits imprimés en cuivre épais
Le choix du bon fabricant est essentiel pour garantir la qualité et les performances. Les principaux fournisseurs comprennent :
1. LT CIRCUIT
Capacités : cuivre de 3 à 20 oz, circuits imprimés à 4 à 20 couches, tolérances serrées (±5 % de largeur de piste).
Spécialités : systèmes de gestion de batterie de VE, onduleurs industriels et circuits imprimés pour les énergies renouvelables.
Certifications : IATF 16949 (automobile), ISO 9001, UL 94 V-0.

2. Sanmina
Capacités : cuivre de 3 à 12 oz, circuits imprimés grand format (jusqu'à 600 mm × 1200 mm).
Spécialités : aérospatiale et défense, équipements d'imagerie médicale.
Certifications : AS9100, ISO 13485.

3. TTM Technologies
Capacités : cuivre de 3 à 20 oz, circuits imprimés hybrides (cuivre épais + HDI).
Spécialités : alimentations de centres de données, onduleurs de traction de VE.
Certifications : ISO 9001, IATF 16949.

4. Multek
Capacités : cuivre de 3 à 10 oz, production à grand volume (10 000+ unités/semaine).
Spécialités : électronique grand public (chargeurs haute puissance), moteurs industriels.
Certifications : ISO 9001, certifié UL.

Applications des circuits imprimés en cuivre épais
Les circuits imprimés en cuivre épais sont utilisés dans les industries où le courant élevé et la durabilité sont essentiels :

1. Véhicules électriques (VE) et VE hybrides
 a. Systèmes de gestion de batterie (BMS) : les pistes en cuivre de 4 à 10 oz surveillent et équilibrent les blocs-batteries de 800 V, gérant 200 à 500 A pendant la charge/décharge.
 b. Onduleurs de traction : convertissent le courant continu de la batterie en courant alternatif pour le moteur, en utilisant du cuivre de 6 à 12 oz pour gérer des courants de 300 à 600 A.
 c. Chargeurs embarqués (OBC) : les circuits imprimés en cuivre de 3 à 6 oz gèrent la conversion CA-CC de 10 à 40 A, avec des vias thermiques pour dissiper la chaleur.

2. Énergies renouvelables
 a. Onduleurs solaires : les circuits imprimés en cuivre de 4 à 8 oz convertissent le courant continu des panneaux solaires en courant alternatif, résistant à des courants de 50 à 100 A dans des environnements extérieurs.
 b. Contrôleurs d'éoliennes : le cuivre de 6 à 10 oz gère l'énergie des turbines, résistant aux vibrations et aux variations de température (-40 °C à 85 °C).

3. Automatisation industrielle
 a. Entraînements de moteurs : les circuits imprimés en cuivre de 3 à 6 oz contrôlent les moteurs industriels (10 à 50 CV), gérant 50 à 200 A dans les variateurs de fréquence (VFD).
 b. Équipement de soudage : le cuivre de 10 à 20 oz transporte des courants de 100 à 500 A dans les soudeuses à l'arc, avec des plans épais pour dissiper la chaleur des arcs haute puissance.

4. Aérospatiale et défense
 a. Distribution d'énergie des aéronefs : les circuits imprimés en cuivre de 6 à 12 oz gèrent les systèmes CC de 28 V dans les avions, résistant aux changements de température liés à l'altitude.
 b. Véhicules militaires : les circuits imprimés en cuivre de 10 à 15 oz alimentent les systèmes radar et de communication, résistant aux chocs et aux vibrations dans les environnements de combat.

5. Dispositifs médicaux
 a. Équipement d'imagerie (TDM, IRM) : les circuits imprimés en cuivre de 3 à 6 oz gèrent des courants élevés dans les alimentations, assurant un fonctionnement stable pour une imagerie précise.
 b. Systèmes de thérapie au laser : le cuivre de 4 à 8 oz dissipe la chaleur des lasers de 50 à 100 W, maintenant des performances constantes pendant les traitements.

FAQ sur les circuits imprimés en cuivre épais
Q1 : Quelle est la largeur de piste minimale pour les circuits imprimés en cuivre épais ?
R : Pour le cuivre de 3 oz, la largeur de piste minimale est de 0,5 mm (20 mil) pour éviter les problèmes de gravure. Le cuivre plus épais (10 oz+) nécessite des pistes plus larges (≥1 mm) pour maintenir les tolérances.

Q2 : Les circuits imprimés en cuivre épais peuvent-ils être utilisés avec des signaux haute fréquence ?
R : Oui, mais le cuivre épais peut provoquer une perte de signal à >1 GHz. Les fabricants atténuent ce problème en utilisant des conceptions hybrides : cuivre épais pour les couches d'alimentation et cuivre standard (1 oz) pour les couches de signaux haute fréquence.

Q3 : Comment les circuits imprimés en cuivre épais réduisent-ils les coûts du système ?
R : En éliminant le besoin de dissipateurs thermiques et de barres omnibus externes, les circuits imprimés en cuivre épais réduisent le nombre de composants et le temps d'assemblage. Par exemple, un onduleur de VE utilisant du cuivre de 4 oz permet d'économiser 15 à 20 $ par unité en remplaçant un circuit imprimé de 1 oz + un dissipateur thermique.

Q4 : Quels substrats sont utilisés avec le cuivre épais ?
R : Le FR4 (haute Tg, Tg≥170 °C) est standard pour la plupart des applications. Les substrats en céramique (alumine, AlN) sont utilisés pour les charges thermiques extrêmes (par exemple, systèmes de 500 A).

Q5 : Les circuits imprimés en cuivre épais sont-ils conformes à la directive RoHS ?
R : Oui, les fabricants utilisent du cuivre et des substrats sans plomb, assurant la conformité aux normes RoHS, REACH et IATF 16949 (automobile).

Conclusion
Les circuits imprimés en cuivre épais sont essentiels pour l'électronique haute puissance, permettant la gestion efficace de courants importants dans les VE, les systèmes d'énergie renouvelable et les machines industrielles. Leur capacité à combiner une capacité de courant élevée, une dissipation thermique et une durabilité mécanique les rend irremplaçables dans les applications où les circuits imprimés standard échouent.

Bien que les circuits imprimés en cuivre épais coûtent plus cher au départ, leur capacité à réduire la complexité du système (par exemple, en éliminant les dissipateurs thermiques) et à prolonger la durée de vie des composants se traduit par des coûts totaux inférieurs au fil du temps. En s'associant à des fabricants expérimentés comme LT CIRCUIT ou TTM Technologies, les ingénieurs peuvent tirer parti de la technologie du cuivre épais pour construire des systèmes fiables et performants qui répondent aux exigences de l'électronique gourmande en énergie de demain.

Alors que des industries comme les VE et les énergies renouvelables continuent de croître, les circuits imprimés en cuivre épais joueront un rôle de plus en plus important pour permettre une distribution d'énergie efficace et durable, prouvant que lorsqu'il s'agit de courant élevé, le cuivre plus épais est toujours meilleur.