Une gestion thermique efficace commence par une conception intelligente de la carte en aluminium. Bien que le substrat en aluminium offre une dissipation thermique supérieure comparé au FR4, atteindre des performances optimales nécessite une attention particulière au placement des vias thermiques, au choix de l'épaisseur de cuivre, à l'agencement des composants et aux stratégies d'isolation électrique.
Les mauvaises décisions de conception peuvent annuler les avantages thermiques des matériaux de carte en aluminium. Une couverture inadéquate des vias thermiques crée des points chauds qui réduisent la durée de vie des composants. Une épaisseur de cuivre insuffisante génère un échauffement par effet Joule. Un espacement incorrect des composants provoque un couplage thermique où la chaleur d'un dispositif élève la température ambiante pour ses voisins. Ces problèmes compromettent la fiabilité et gaspillent le surcoût du matériau.
Chez HILPCB, nous fournissons des services de revue de conception et d'optimisation pour les cartes en aluminium. Notre équipe d'ingénierie combine l'expertise en PCB à âme métallique avec des capacités de simulation thermique pour aider les clients à obtenir des performances maximales de leurs conceptions.
Configuration de l'Empilement des Couches de la Carte Aluminium pour une Gestion Thermique Optimale
Conception de Carte Aluminium Simple Face
La construction de carte en aluminium la plus courante place tous les composants et traces de cuivre sur un côté avec le substrat en aluminium sur le côté opposé. Cette configuration est idéale pour plus de 80 % des applications de gestion thermique.
Avantages de la Conception de Carte Aluminium Simple Face :
- Économique : Coût de fabrication inférieur de 30 à 50 % à celui des conceptions double face.
- Simplicité : Processus de conception et d'assemblage simplifié.
- Performance Thermique Optimale : Chemin le plus court pour la dissipation thermique vers le substrat en aluminium.
- Assemblage Standard : Compatible avec les processus d'assemblage SMT standard.
Considérations de Conception :
- Routage Monocouche : Toutes les traces doivent être routées sur un seul côté de la carte.
- Densité des Composants : Limitée par la disposition simple face.
- Croisements de Traces : Nécessite des fils de liaison ou des résistances de 0 Ω.
- Complexité : Une planification minutieuse est nécessaire pour les conceptions de circuits complexes.
Conception de Carte Aluminium Double Face pour une Densité de Circuit Plus Élevée
Pour les applications avancées nécessitant une densité de circuit plus élevée, les traces peuvent être routées sur les deux faces du substrat en aluminium en utilisant des techniques spécialisées de vias aveugles.
Avantages de la Conception de Carte Aluminium Double Face :
- Densité de Composants Accrue : Permet des conceptions plus compactes, optimisant l'espace de la carte.
- Routage Flexible : Offre plus de flexibilité de conception pour réduire la taille globale de la carte.
- Placement des Composants Double Face : Permet le placement de composants basse puissance sur les deux faces de la carte.
Défis :
- Coûts de Fabrication Plus Élevés : 60 à 100 % plus cher que les conceptions simple face.
- Complexité de la Gestion Thermique : Nécessite une analyse thermique minutieuse pour assurer une dissipation thermique efficace.
- Options de Via Limitées : Seuls les vias aveugles et enterrés sont disponibles ; pas de trous traversants.
- Fabrication de PCB Spécialisée : Nécessite des capacités de fabrication de PCB avancées.
Choisir la Bonne Épaisseur de Cuivre pour les Conceptions de Cartes en Aluminium
L'épaisseur du cuivre joue un rôle critique à la fois dans les performances électriques et l'étalement thermique pour les conceptions de cartes en aluminium :
Cuivre 1–2 oz (Standard) : Convient pour les traces de signal et la distribution de puissance modérée (jusqu'à 10A). Cette épaisseur de cuivre est facile à manipuler dans les processus de fabrication de PCB standard, offrant un faible coût et des délais d'exécution rapides.
Cuivre 3–6 oz (Lourd) : Nécessaire pour la distribution de puissance à courant élevé (10–30A) ou pour les traces de cuivre agissant comme des épandeurs de chaleur latéraux. Cela améliore la gestion thermique en réduisant l'échauffement résistif et en améliorant la distribution de la chaleur sur la carte en aluminium.
Cuivre 8–10 oz (Extrême) : Requis pour les courants extrêmement élevés (50A et au-delà) ou les applications exigeantes thermiquement. L'intégration avec la technologie PCB cuivre épais fournit des avantages à la fois électriques et thermiques mais augmente significativement le coût (+40–80 %) et la complexité de fabrication.
Pour la plupart des applications, l'utilisation d'une combinaison d'épaisseurs de cuivre sur une seule carte aide à équilibrer coût et performance. Le cuivre lourd doit être utilisé uniquement là où les exigences de courant ou thermiques le justifient, avec du cuivre standard utilisé pour les traces de signal.
Stratégie de Placement des Composants
Distribution des Sources de Chaleur
Répartissez les composants haute puissance sur toute la surface de la carte en aluminium plutôt que de les concentrer dans une région. Les sources de chaleur concentrées submergent la capacité thermique locale même avec d'excellentes propriétés du substrat en aluminium.
Meilleure Pratique : Maintenez un espacement minimum de 10–15 mm entre les composants dissipant chacun >2W. Pour les composants dépassant 5W, augmentez l'espacement à 15–20 mm ou plus sur la base des résultats de simulation thermique.
Effets de Couplage Thermique : Les composants placés trop près les uns des autres créent un couplage thermique où la chaleur d'un composant élève la température ambiante pour les composants adjacents. Cet effet additif peut provoquer des défaillances même lorsque les composants individuels fonctionnent dans leurs spécifications.
Gestion des Points Chauds
Identifiez les zones de densité thermique maximale pendant la phase de placement. Les composants dissipant >10W dans des surfaces inférieures à 4 cm² nécessitent une attention particulière et une gestion thermique renforcée :
- Des réseaux denses de vias thermiques avec un espacement de 0,8 mm ou moins
- Des traces de cuivre épaisses (3–6 oz) pour l'étalement thermique latéral
- Un contact direct du dissipateur thermique via des découpes ou des ouvertures dans la carte
- Un refroidissement actif (ventilateurs, convection forcée) pour les densités de puissance extrêmes
Placement des Composants Sensibles à la Température
Positionnez les composants analogiques de précision à l'écart des sources de chaleur primaires pour éviter la dérive induite par la température :
Dispositifs Sensibles à la Température :
- Références de tension (spécifications de dérive ≤25 ppm/°C)
- Résistances de précision (coefficient de température ≤50 ppm/°C)
- Oscillateurs à cristal (exigences de stabilité de fréquence)
- Convertisseurs analogique-numérique (erreurs de température de décalage et de gain)
Directives de Placement : Maintenez une distance >20 mm de tout composant dissipant >5W. La diffusion de chaleur efficace du substrat de base en aluminium de la PCB signifie que les effets thermiques s'étendent sur plusieurs centimètres depuis les composants de puissance. Utilisez la simulation thermique pour vérifier la distribution de température.
Conception des Traces de Cuivre pour la Gestion du Courant et de la Chaleur
Calculs de Capacité en Courant
Utilisez les normes IPC-2221 comme référence de base, avec des modifications pour le refroidissement amélioré par le substrat en aluminium :
Formule IPC Standard : I = k × ΔT^0.44 × A^0.725
Où :
- I = courant maximum (ampères)
- k = constante du matériau (0,048 pour les couches externes)
- ΔT = élévation de température au-dessus de l'ambiante (°C)
- A = surface de la section transversale (mils carrés)
Modification pour PCB Aluminium : Le substrat en aluminium refroidit efficacement les traces de cuivre, permettant théoriquement une densité de courant de 20 à 30 % plus élevée pour une élévation de température équivalente par rapport au FR4. Cependant, les pratiques de conception conservatrices recommandent d'utiliser les calculs IPC standard avec une marge de sécurité de 10 à 15 %.
Conception de la Distribution de Puissance
Nappes de Cuivre Larges : Utilisez des zones de nappe de cuivre au lieu de traces étroites pour la distribution de puissance. Minimise les pertes résistives (échauffement I²R) et fournit un excellent étalement thermique latéral depuis les points chauds localisés.
Calculs de Chute de Tension : Pour 10A à 12VDC sur une longueur de trace de 100 mm, une trace de cuivre de 3 mm de large et 2 oz présente une résistance d'environ 0,6 Ω à 20 °C, causant une dissipation de 6W et une chute de tension de 0,6V. Augmentez à 6 oz de cuivre ou à des traces plus larges pour de meilleures performances.
Intégration de Cuivre Épais : Lorsque les exigences de courant dépassent 30–50A, la construction standard de carte de circuit en aluminium devient inadéquate. L'intégration avec la technologie PCB cuivre épais utilisant du cuivre de 8–10 oz fournit la capacité de courant nécessaire tout en maintenant les performances thermiques.
Motifs de Relief Thermique
Les motifs de relief thermique standard utilisés dans les conceptions FR4 peuvent être contre-productifs dans les cartes en aluminium où la priorité est de maximiser la connexion thermique :
Pour les Pads Non Critiques : Utilisez une connexion directe complète à la nappe de cuivre pour un transfert de chaleur maximal Pour les Pads de Soudure Manuel : Un relief thermique limité acceptable (2–4 branches, largeur 0,3–0,4 mm) pour réduire le puits thermique pendant l'assemblage manuel Pour les Pads de Dispositifs Haute Puissance : Utilisez toujours une connexion cuivre complète — la gestion thermique prime sur la commodité de soudure
Services de Conception et de Fabrication Tout-en-Un de HILPCB
Chez HILPCB, nous fournissons des solutions PCB complètes et intégrées – de la conception à l'assemblage, aux tests et à l'emballage. Notre expertise couvre tous les types de PCB, y compris les cartes en aluminium, les PCB à âme métallique, les cartes HDI, les PCB flexibles, et plus encore. Que vous ayez besoin de conceptions simples ou de PCB avancés et hautes performances, nous avons la capacité de livrer.
- Revue de Conception : Nos ingénieurs expérimentés effectuent des revues approfondies de vos layouts PCB, identifient les opportunités d'optimisation thermique, améliorent les performances et traitent les problèmes de fiabilité potentiels avant la production.
- Analyse Thermique : En utilisant des simulations par éléments finis (FEA), nous prédisons les températures des composants et suggérons des améliorations pour améliorer la gestion thermique. Ce service est disponible à la fois pour la validation pré-production et pour le dépannage pendant la production.
- Assemblage et Tests : Du montage en surface au montage traversant, nous offrons des services complets d'assemblage de PCB, garantissant que vos cartes sont prêtes pour le terrain. Nous fournissons également des tests complets – de la validation des performances électriques à thermiques – garantissant que vos PCB répondent aux normes les plus élevées de qualité et de fiabilité.
- Retour DFM (Conception pour la Fabrication) : Nous optimisons votre conception pour une production rentable. Notre équipe examine les tolérances, les matériaux, la panélisation et les contraintes de fabrication pour s'assurer que votre PCB est à la fois de haute qualité et rentable.
Notre usine de fabrication de PCB est équipée pour gérer chaque étape du processus avec précision et efficacité. Que vous recherchiez une production en grand volume ou des séries personnalisées en petit volume, nous veillons à ce que chaque projet reçoive l'attention qu'il mérite du début à la fin.