Efficacité thermique et électrique des circuits imprimés en aluminium : Optimisation des performances dans l'électronique haute puissance

Les PCB en aluminium (également appelés PCB de base en aluminium ou MCPCB) sont devenus un facteur de changement dans l'électronique haute puissance, où la gestion de la chaleur et les performances électriques sont des facteurs décisifs.Contrairement aux PCB FR4 traditionnelsLes PCB en aluminium, qui captent la chaleur et limitent la densité de puissance, combinent un noyau métallique thermiquement conducteur avec un routage électrique efficace pour résoudre deux défis essentiels:maintenir les composants au frais et minimiser les pertes de puissance.

De l'éclairage LED aux onduleurs des véhicules électriques (VE), ces PCB spécialisés permettent aux appareils de fonctionner plus durement, plus longtemps et de manière plus fiable.Ce guide explique comment les PCB en aluminium atteignent une efficacité thermique et électrique supérieure, leurs principaux avantages par rapport aux alternatives telles que le FR4 et les PCB à noyau de cuivre, et comment tirer parti de leurs capacités dans votre prochaine conception.

Les principaux enseignements
1.Les PCB en aluminium dissipent la chaleur 5 à 8 fois plus rapidement que le FR4 standard, réduisant les températures des composants de 20 à 40 °C dans les applications à haute puissance (par exemple, les conducteurs LED de 100 W).
2.Leur faible résistance thermique (0,5°C/W) permet une densité de puissance de 30 à 50% plus élevée, ce qui permet une plus grande fonctionnalité dans des espaces plus petits.
3.L'efficacité électrique est améliorée par des traces de cuivre épais (2 4 oz) qui réduisent la résistance, réduisant la perte de puissance de 15 25 25% par rapport au FR4 en cuivre mince.
4.Bien que 1,5 à 3 fois plus chers que le FR4, les PCB en aluminium réduisent les coûts totaux du système en éliminant les dissipateurs de chaleur et en allongeant la durée de vie des composants de 2 à 3 fois.

Quels sont les PCB en aluminium?
Les circuits imprimés en aluminium sont des circuits imprimés composites construits autour d'un noyau en aluminium épais, conçus pour donner la priorité à la conductivité thermique tout en maintenant les performances électriques.

a.Cœur en aluminium: la couche de base (0,8 ∼3,0 mm d'épaisseur) agit comme un dissipateur de chaleur intégré,Fabriqués à partir d'alliages d'aluminium tels que 1050 (haute pureté) ou 6061 (meilleure résistance mécanique) avec une conductivité thermique de 180 ‰ 200 W/m·K.
b.Couche diélectrique thermique: couche isolante mince (50 ‰ 200 μm) entre le noyau en aluminium et les traces de cuivre.époxy ou silicone remplis de céramique avec une conductivité thermique de 1 ‰ 5 W/m·K (bien supérieure à FR4 ‰ 0)0,3 W/m·K).
c. Couche de circuit en cuivre: traces de cuivre de 35 à 140 μm pour le routage électrique, avec du cuivre plus épais (2 à 4 oz) utilisé dans les conceptions à courant élevé pour minimiser la résistance.

Cette structure crée un raccourci thermique: la chaleur des composants (par exemple, LED, transistors de puissance) traverse la couche de cuivre, traverse le diélectrique et pénètre dans le noyau en aluminium,qui le répand et le dissipe dans l'environnement.

Efficacité thermique: comment les PCB en aluminium se refroidissent
La chaleur est l'ennemi des composants électroniques. L'excès de chaleur réduit l'efficacité, accélère le vieillissement et peut provoquer des pannes soudaines.
1. Haute conductivité thermique
Le noyau en aluminium et la couche diélectrique spécialisée travaillent ensemble pour déplacer la chaleur loin des composants chauds:

a.Noyau en aluminium: avec une conductivité thermique de 180 à 200 W/m·K, l'aluminium conduit la chaleur 50 à 100 fois mieux que le FR4 (0,2 à 0,3 W/m·K).Cela signifie que la chaleur se répand à travers le noyau en aluminium au lieu de se regrouper sous les composants.
b.Diélectrique thermique: les diélectriques remplis de céramique (1 ¥5 W/m·K) conduisent la chaleur 3 ¥15 fois mieux que la résine de FR4 ¥ (0,2 W/m·K), créant un chemin de faible résistance des traces de cuivre au noyau en aluminium.

Impact dans le monde réel: un pilote LED de 100 W sur un PCB en aluminium fonctionne à 65 °C, tandis que la même conception sur FR4 atteint 95 °C, ce qui prolonge la durée de vie de la LED de 30 000 à 60 000 heures (selon l'équation d'Arrhenius,où une baisse de température de 10°C double la durée de vie).

2Faible résistance thermique
La résistance thermique (Rth) mesure la résistance d'un matériau au flux thermique, avec des valeurs inférieures.

a.Exemple: un transistor de puissance de 50 W monté sur un PCB en aluminium avec Rth = 1°C/W ne s'élève que de 50 °C au-dessus de l'environnement (par exemple, 25°C → 75°C).il atteindrait 25 + (50×8) = 425°C ¥ bien au-dessus de sa valeur nominale maximale.

3Réduction du besoin de dissipateurs de chaleur externes
Le noyau en aluminium agit comme un dissipateur de chaleur intégré, éliminant le besoin de dissipateurs de chaleur externes volumineux dans de nombreuses applications:

a.Éclairage LED: Une lampe à plaque haute de 150 W utilisant un PCB en aluminium refroidit passivement, tandis qu'une version FR4 nécessite un dissipateur de chaleur séparé ajoutant 200 g et 5 $ à la facture de matériaux.
b.chargeurs électriques: les PCB en aluminium dans les onduleurs de 600 V réduisent leur poids de 30% en remplaçant les dissipateurs de chaleur en aluminium par le noyau intégré des PCB.

Efficacité électrique: réduire au minimum les pertes d'énergie
Les PCB en aluminium ne gèrent pas seulement la chaleur, ils améliorent également les performances électriques en réduisant les pertes de puissance dans les circuits à courant élevé.
1Traces de résistance faible.
Des traces de cuivre plus épaisses (2 ′′ 4 oz) dans les PCB en aluminium réduisent la résistance électrique (R), ce qui réduit directement la perte de puissance (P = I2R):

a.Exemple: une trace de cuivre de 2 oz (70 μm d'épaisseur) a une résistance 50% inférieure à une trace de cuivre de 1 oz (35 μm) de même largeur. Pour un courant de 10 A, cela réduit la perte de puissance de 2 W à 1 W.
b.Designs à courant élevé: 4 oz de cuivre (140 μm) dans les traces de distribution d'alimentation 20 ̊30A avec une chute de tension minimale, essentielle pour les systèmes de gestion de la batterie des véhicules électriques (BMS) et les contrôleurs de moteurs industriels.

2Impédance stable dans les applications à haute fréquence
Bien que les circuits imprimés en aluminium ne soient généralement pas utilisés pour les conceptions à ultra-haute fréquence (60 GHz +), ils maintiennent une impédance stable dans les applications à haute vitesse de milieu de gamme (110 GHz):

a.L'épaisseur constante de la couche diélectrique (± 5 μm) assure une impédance contrôlée (50Ω pour les paires à extrémité unique, 100Ω pour les paires différentielles), réduisant la réflexion et la perte de signal.
b. Cela les rend adaptés aux radars automobiles (77 GHz) et aux capteurs industriels, où les performances thermiques et électriques sont importantes.

3Réduction des interférences électromagnétiques
Le noyau en aluminium agit comme un bouclier naturel, absorbant le bruit électromagnétique des traces de courant élevé:

a. les émissions d'EMI sont réduites de 20 à 30% par rapport aux PCB FR4, qui ne possèdent pas de noyau conductrice.
b.Cela est essentiel pour les appareils électroniques sensibles tels que les moniteurs médicaux ou les ADAS automobiles (systèmes d'assistance au conducteur avancés), où le bruit peut perturber les données des capteurs.

Les PCB en aluminium par rapport aux alternatives: une comparaison des performances
Comment les PCB en aluminium se comparent-ils au FR4, aux PCB au noyau de cuivre et à d'autres solutions thermiques?

Les principaux compromis
a.Aluminium par rapport au FR4: L'aluminium offre des performances thermiques bien meilleures mais coûte plus cher pour des applications > 50W.
b.Aluminium par rapport au noyau de cuivre: le cuivre conduit mieux la chaleur, mais il est plus lourd, plus coûteux et plus difficile à fabriquer.

Applications: où les PCB en aluminium sont les meilleurs
Les PCB en aluminium sont indispensables dans les applications où la densité de chaleur et de puissance est critique:
1Éclairage à LED
High-Bay Lights, Street Lights: Les luminaires de 100 ′′ 300W reposent sur des PCB en aluminium pour refroidir plusieurs LED de haute puissance (3 ′′ 10W chacune), en maintenant la luminosité et la durée de vie.
phares automobiles: les températures sous le capot atteignent 125°C, ce qui rend les PCB en aluminium essentiels pour les modules LED de 50W+.

2électronique
Invertisseurs EV et BMS: Convertissez la puissance de la batterie CC en courant alternatif pour les moteurs (600V, 100A +), avec des PCB en aluminium dissipant la chaleur des IGBT (transistors bipolaires à porte isolée).
Les convertisseurs AC-DC de 200 à 500 W utilisent des circuits imprimés en aluminium pour gérer les courants élevés sans surchauffe.

3. électronique automobile
Capteurs ADAS: les modules radar (77 GHz) et LiDAR génèrent de la chaleur tout en nécessitant une intégrité du signal stable.
Unités de commande du moteur (ECU): fonctionnent dans les compartiments moteur à 125 °C, avec des PCB en aluminium empêchant l'accélération thermique.

4Électronique de consommation
Consoles de jeu: Les alimentations et les GPU VRM (Modules de régulateur de tension) utilisent des PCB en aluminium pour gérer des charges de plus de 100 W dans des boîtiers compacts.
Outils électriques portables: Les perceuses et scies à batterie utilisent des PCB en aluminium pour gérer la chaleur dans de petits boîtiers scellés.

Concevoir les meilleures pratiques pour maximiser l'efficacité
Pour exploiter pleinement le potentiel des PCB en aluminium, suivez les lignes directrices suivantes:
1. Optimiser l'épaisseur du noyau en aluminium
Haute puissance (> 100 W): Utilisez des noyaux d'une épaisseur de 2,0 à 3,0 mm pour maximiser la propagation de la chaleur.
Faible profil: les cœurs de 0,8 à 1,5 mm équilibrent les performances thermiques et la taille des appareils grand public.

2Choisissez la couche diélectrique appropriée
Utilisation générale: L'époxy rempli de céramique (1 ¢ 3 W/m · K) offre un bon équilibre entre le coût et la conductivité thermique.
Extrême chaleur: les diélectriques à base de silicone (35 W/m·K) gèrent des températures plus élevées (180 °C+) pour une utilisation automobile et industrielle.

3Conception de voies thermiques
Vias thermiques: ajouter des vias de 0,3 à 0,5 mm sous des composants chauds (par exemple, LED, transistors) pour connecter des traces de cuivre directement au noyau en aluminium, réduisant ainsi le Rth de 30%.
Écoulements de cuivre: Utilisez de grandes zones de cuivre solide au lieu de traces minces pour diffuser la chaleur des composants à haute puissance.

4. Équilibre du poids et du coût du cuivre
Courant élevé (> 10A): 2 ̊4 oz de cuivre réduit la résistance et la chaleur de la conduction.
Faible courant (<5A): 1 once de cuivre réduit le coût sans sacrifier les performances.

Des mythes et des idées fausses
Mythe: Les PCB en aluminium sont uniquement pour les LED.
Fait: Ils excellent dans toutes les applications de haute puissance, des véhicules électriques aux commandes industrielles. Les LED sont juste le cas d'utilisation le plus courant.

Mythe: Les noyaux en aluminium plus épais sont toujours plus performants.
Fait: Les rendements diminuent: passer de 1 mm à 2 mm d'épaisseur d'aluminium réduit la température des composants de 15°C, mais de 2 mm à 3 mm ne la réduit que de 5°C.

Mythe: Les PCB en aluminium ne peuvent pas supporter les hautes tensions.
Fait: la couche diélectrique isole le noyau en aluminium des traces de cuivre, avec des tensions de rupture ≥ 20 kV/mm2 adaptées à l'électronique de puissance 600V+.

Questions fréquemment posées
Q: Les PCB en aluminium peuvent-ils être utilisés dans des conceptions flexibles?
R: Oui, les circuits imprimés en aluminium souples utilisent des noyaux d'aluminium minces (0,2 à 0,5 mm) et des diélectriques flexibles (par exemple, du silicone) pour des applications courbes telles que des appareils portables.

Q: Comment les PCB en aluminium gèrent-ils la corrosion?
R: L'aluminium nu se corrode dans des environnements humides, de sorte que la plupart sont recouverts d'une couche protectrice (par exemple, anodisation ou revêtement conformal) pour résister à l'humidité et aux produits chimiques.

Q: Les PCB en aluminium sont-ils compatibles avec la soudure sans plomb?
R: Oui, ils résistent à des températures de reflux sans plomb (245°C à 260°C) sans délamination, à condition que la couche diélectrique soit adaptée à une chaleur élevée.

Q: Quelle est la puissance maximale qu'un PCB en aluminium peut supporter?
R: Jusqu'à 500W+ avec un noyau en aluminium de 3 mm et un refroidissement actif (ventilateurs).

Q: Combien coûtent les PCB en aluminium par rapport au FR4?
R: 1,5 à 3 fois plus pour la même taille, mais le coût total du système est souvent inférieur en raison de l'élimination des dissipateurs de chaleur et de la durée de vie plus longue des composants.

Conclusion
Les PCB en aluminium ont redéfini ce qui est possible dans l'électronique haute puissance, combinant une conductivité thermique supérieure avec des performances électriques solides pour permettre des appareils plus petits et plus efficaces.En intégrant un dissipateur de chaleur directement dans la structure du PCB, ils résolvent les doubles défis de la gestion de la chaleur et de la densité d'énergie, essentiels pour les technologies à forte consommation d'énergie actuelles telles que les véhicules électriques, l'infrastructure 5G et l'éclairage avancé.

Bien que leur coût initial soit supérieur à celui du FR4, les économies à long terme dans les dissipateurs de chaleur, les défaillances réduites et la durée de vie prolongée en font un investissement judicieux pour toute conception qui repousse les limites de la puissance.Les appareils électroniques continuent de se rétrécir et de nécessiter plus d'énergie.Les PCB en aluminium resteront une pierre angulaire de performances efficaces et fiables.