Chez Highleap PCB Factory, nous avons affiné les règles de conception MCPCB grâce à la fabrication de plus de 10 000 projets de PCB à noyau métallique. Ce guide complet fournit aux ingénieurs des stratégies de conception éprouvées, des contraintes de fabrication et des techniques d'optimisation qui garantissent la réussite dès la première passe. Que vous conceviez des éclairages LED, des électroniques de puissance ou des systèmes automobiles, ces directives transforment les défis thermiques en solutions fiables et manufacturables.

Revue de conception MCPCB gratuite

Spécifications de conception MCPCB et exigences de base

Comprendre les contraintes fondamentales de conception MCPCB constitue la base pour des cartes de gestion thermique réussies. Les PCB à noyau métallique fonctionnent selon des règles différentes des FR-4 traditionnels, nécessitant des connaissances spécialisées pour éviter les pièges courants qui entraînent des retards de fabrication ou des défaillances sur le terrain.

Configuration de l'empilement des couches : Les MCPCB monocouches représentent 90 % des applications, composées d'un circuit en cuivre (35-420μm), d'une couche diélectrique (75-150μm) et d'un substrat métallique (0,5-3,0mm). La couche diélectrique ne peut pas être percée, éliminant les trous métallisés dans les conceptions monocouches. Les MCPCB double face existent mais coûtent 2 à 3 fois plus cher, nécessitant un traitement spécial pour des applications limitées. Les constructions multicouches combinent MCPCB avec des couches PCB traditionnelles pour des circuits complexes nécessitant une gestion thermique.

Sélection du matériau diélectrique : La couche diélectrique thermiquement conductrice équilibre l'isolation électrique avec le transfert de chaleur, déterminant les performances thermiques globales. Les matériaux standard de 1,0 W/m·K coûtent le moins, adaptés aux applications LED générales sous 5W. Les diélectriques améliorés de 2,0-3,0 W/m·K gèrent les applications de puissance industrielles et automobiles. Les formulations premium de 5,0-8,0 W/m·K répondent aux défis thermiques extrêmes mais coûtent 2 à 3 fois plus que les standards. La température nominale est typiquement de 130-150°C en continu, certains matériaux étant évalués à 180°C. La tension de claquage varie de 1000V à 4000V selon l'épaisseur et la formulation.

Options de matériau de substrat : Les substrats en PCB aluminium dominent avec 95 % de part de marché grâce à un équilibre coût-performance optimal. L'alliage 5052 offre une bonne formabilité et une conductivité de 140 W/m·K pour la plupart des applications. L'alliage 6061 fournit une résistance plus élevée et 167 W/m·K pour des environnements exigeants. L'aluminium pur 1100 atteint un maximum de 220 W/m·K pour des exigences thermiques extrêmes. Les substrats en PCB à noyau de cuivre offrent 385 W/m·K mais coûtent 3 à 4 fois plus que l'aluminium, réservés à des applications spéciales.

Exigences d'isolation électrique : L'isolation en tension dépend de l'épaisseur diélectrique et des propriétés des matériaux nécessitant une spécification minutieuse. Les calculs de distance de fuite suivent les normes IPC-2221 avec des modifications pour les substrats métalliques. Les applications 1000V nécessitent un espacement minimum de 0,2mm entre conducteurs pour un degré de pollution 2. Les applications 2500V nécessitent un espacement de 0,5mm avec considération de déclassement en altitude. Les conceptions 4000V exigent un minimum de 1,0mm avec des diélectriques haute tension spécialisés. Un facteur de sécurité de 2x est recommandé pour les applications automobiles et industrielles assurant une fiabilité à long terme.

Contraintes de conception mécanique : La géométrie du contour de la carte impacte la fabricabilité et la fiabilité tout au long de la durée de vie du produit. Taille minimale de la carte 10×10mm limitée par les équipements de manipulation et de traitement. Taille maximale d'une pièce 600×500mm, les tailles plus grandes nécessitent une panélisation par pas-à-pas. Rayon de coin minimum R0,5mm pour éviter la concentration de contraintes et la fissuration. Les trous de montage sont typiquement non métallisés avec un mur de 0,5mm minimum au cuivre. Tolérance d'épaisseur ±10 % standard, ±5 % réalisable avec des processus contrôlés.

Techniques de conception de gestion thermique MCPCB

Une conception efficace de gestion thermique transforme les MCPCB d'un simple substrat en un système sophistiqué de dissipation de chaleur. Ces techniques, validées par des simulations thermiques et des tests réels, garantissent que les composants fonctionnent dans des limites de température sûres tout en maximisant la fiabilité.

Stratégie et optimisation des vias thermiques : Les vias thermiques créent des chemins critiques de transfert de chaleur des composants chauds vers le substrat métallique en dessous. Le placement des vias directement sous les sources de chaleur réduit la résistance thermique de 50 à 70 % par rapport à la conduction latérale seule. Un diamètre optimal de via de 0,3-0,5mm équilibre les performances thermiques avec le coût et la fiabilité de fabrication. Des réseaux de vias avec un pas de 1,0-1,5mm fournissent un transfert de chaleur distribué pour les gros composants. Les vias remplis avec un placage de cuivre ou une résine thermique empêchent la migration de soudure et améliorent les performances thermiques de 30 %. Calculer la résistance thermique du réseau : Rth_array = Rth_single / (n × η) où η est le facteur d'efficacité (0,6-0,8).

Couverture et distribution du cuivre : Maximiser la couverture de cuivre améliore l'étalement thermique latéral avant d'atteindre le substrat. Ciblez 70-85 % de couverture de cuivre pour des performances thermiques optimales sans coût excessif en matériaux. Les zones de cuivre massif sous les composants haute puissance créent des plans d'étalement thermique. Des "autoroutes thermiques" de 2-5mm de large connectent les sources de chaleur aux bords de la carte ou aux zones de refroidissement. Les motifs en maillage maintiennent la couverture tout en réduisant le poids pour les applications portables. Évitez les îlots de cuivre isolés de plus de 25mm² qui créent des zones thermiques mortes.

Placement des composants pour l'optimisation thermique : Le positionnement stratégique des composants prévient les interactions thermiques assurant un fonctionnement fiable. La cartographie de la densité de puissance identifie les zones chaudes nécessitant une attention particulière—maintenez <10W/cm² pour la convection naturelle. Une distance de séparation de 5-10mm entre les principales sources de chaleur prévient le couplage thermique. Les composants sensibles à la température placés à >15mm des sources de chaleur ou dans des zones froides dédiées. Placement en bordure pour les dispositifs haute puissance maximise la dissipation de chaleur vers l'ambiant. Un arrangement en quinconce favorise la circulation d'air par convection entre les composants.

Gestion des zones thermiques : Diviser la carte en zones thermiques permet des stratégies de refroidissement optimisées pour différentes densités de puissance. Les zones chaudes (>10W/cm²) nécessitent un maximum de vias thermiques, de couverture de cuivre et de proximité au bord. Les zones tièdes (5-10W/cm²) nécessitent une gestion thermique modérée avec des motifs de vias standards. Les zones froides (<5W/cm²) hébergent des composants sensibles avec des caractéristiques thermiques minimales pour l'optimisation des coûts. Les barrières thermiques utilisant des fentes routées ou du cuivre réduit créent une isolation entre les zones. Les ponts thermiques avec du cuivre épais ou des vias remplis canalisent la chaleur vers des points de refroidissement spécifiques.

Conception d'intégration des dissipateurs thermiques : Le couplage direct avec des dissipateurs thermiques externes multiplie la capacité de refroidissement des MCPCB pour des applications extrêmes. Les zones de bossages de montage nécessitent un substrat métallique exposé pour une interface thermique optimale. La sélection des matériaux d'interface thermique (TIM) impacte significativement la résistance thermique globale. Les TIM adhésifs sensibles à la pression simplifient l'assemblage mais ajoutent 0,5-1,0°C/W de résistance. Les matériaux à changement de phase optimisent le contact à la température de fonctionnement réduisant la résistance de 30 %. Le montage à ressort assure une pression constante sur les plages de température.

Routage des traces et conception du cuivre MCPCB

Le routage électrique sur MCPCB suit des règles modifiées tenant compte des contraintes thermiques et mécaniques uniques aux substrats métalliques. Une conception correcte des traces assure la capacité de courant, l'intégrité du signal et le rendement de fabrication tout en maintenant les objectifs de performances thermiques.

Calculs de capacité de courant : Les traces MCPCB gèrent un courant plus élevé que les FR-4 grâce à une dissipation thermique supérieure du substrat métallique. Pour une élévation de 20°C au-dessus de l'ambiant : le cuivre 1oz nécessite 0,25mm/amp, le 2oz a besoin de 0,15mm/amp, le 3oz gère 0,10mm/amp. Déclasser de 0,7x pour les traces de plus de 25mm en raison des effets d'accumulation de chaleur. Les traces parallèles pour des courants très élevés maintiennent la redondance et la distribution thermique. Utilisez les nomogrammes IPC-2152 avec des corrections thermiques spécifiques aux MCPCB pour un dimensionnement précis.

Conception des plans de puissance : Les grandes zones de cuivre servant de réseaux de distribution d'énergie nécessitent une attention particulière sur les MCPCB. Un dégagement minimum de 0,5mm entre les plans de tension différents prévient les arcs ou les claquages. Les branches de relief thermique (largeur 0,3-0,5mm) permettent une soudure fiable tout en maintenant la connexion électrique. Connexion directe pour une capacité de courant maximale lorsque la soudure n'est pas requise. Équilibrage du cuivre entre les côtés circuit et substrat (si double face) prévient le gauchissement. Les motifs en maillage réduisent le poids tout en maintenant >70 % de couverture pour les performances thermiques.

Considérations haute fréquence : Les signaux RF et haute vitesse présentent des défis uniques sur les cartes à substrat métallique. La capacitance parasite augmente de 3 à 5 fois par rapport au FR-4, nécessitant un ajustement d'impédance. Les calculs de microstrip doivent tenir compte des propriétés diélectriques et des effets du substrat métallique. Maintenez les traces haute fréquence courtes (<50mm) et directes pour minimiser les pertes et réflexions. Le couplage du plan de masse à travers le substrat nécessite un placement minutieux des vias de blindage. Le placage de bordure offre un blindage supérieur pour les signaux sensibles lorsque nécessaire.

Motifs de relief thermique : Les connexions des pastilles des composants équilibrent performance électrique/thermique et fiabilité de fabrication. Le motif à quatre branches (espacement 90°) fournit une isolation thermique standard pour un soudage facile. Le motif à deux branches (espacement 180°) offre un compromis entre thermique et soudage. La connexion directe maximise le transfert de chaleur mais complique la reprise manuelle. La largeur des branches est typiquement de 0,3-0,5mm, plus large pour les applications à courant élevé. Ajustement basé sur la masse thermique du composant et les exigences du processus de soudage.

Règles de conception du masque de soudure : Le masque de soudure sur MCPCB sert à la fois de protection et de fonctionnalité affectant la performance. Le dégagement du masque de 0,05-0,10mm plus grand que la pastille assure une exposition complète pour le soudage. Le masque blanc pour les applications LED nécessite une épaisseur de 20-30μm pour une réflectivité >85%. Le masque noir maximise le rayonnement thermique ajoutant 5-10% de capacité de refroidissement. Évitez une épaisseur excessive du masque sur les vias thermiques réduisant l'efficacité du transfert de chaleur. Définissez des barrages de soudure d'au moins 0,10mm entre pastilles adjacentes pour éviter les pontages.

Contraintes de fabrication MCPCB et directives DFM

Comprendre les limites de fabrication lors de la conception évite des itérations coûteuses et assure une production fluide. Ces directives de Conception pour la Fabrication (DFM), affinées grâce au traitement de millions de cartes MCPCB, garantissent que votre conception passe avec succès de la CAO au produit fini.

Optimisation de l'utilisation des panneaux : Une panélistation efficace réduit le coût unitaire de 15-30% grâce à l'optimisation des matériaux. Les panneaux de production standard mesurent 457×610mm (18"×24") ou 406×508mm (16"×20"). Calculez la quantité en tableau : (Surface du panneau - bordure) / (Surface de la carte + espacement). Bordure minimale de 5mm pour la manipulation et espacement de 2mm entre les cartes. Incluez des marques de fiduciaires dans les coins du panneau pour l'alignement optique automatisé. Les positions de marquage des cartes défectueuses permettent un suivi efficace des défauts pendant l'assemblage MCPCB.

Contraintes de routage et de rainurage : La méthode de séparation des cartes impacte les règles de conception et la qualité finale des bords. Le rainurage en V nécessite des bords droits avec un angle de 30° ou 45°, une épaisseur résiduelle minimale de 0,8mm. Le routage par languettes permet des formes complexes mais nécessite des languettes de 3-5mm pour la stabilité pendant le traitement. Rayon minimal des coins intérieurs R0,5mm pour le routage, plus grand pour les substrats épais. Les motifs de perforation équilibrent une séparation facile avec la stabilité de manipulation. Le placage de bordure n'est pas possible avec le rainurage en V, planifiez en conséquence pour les exigences de blindage.

Spécifications des trous et découpes : Les caractéristiques mécaniques nécessitent des règles de conception spécifiques pour une fabrication fiable. Les trous non plaqués sont standard pour les MCPCB, diamètre minimal de 0,5mm pour le perçage. Les trous plaqués sont possibles dans les MCPCB double face spécialisées à un coût significativement plus élevé. Les fraisages et les alésages sont disponibles pour les exigences de montage à fleur. Largeur minimale des fentes et découpes égale à l'épaisseur du substrat pour la stabilité. Maintenez une bande de 0,5mm entre les trous adjacents pour éviter les éclatements.

Impact du choix de finition de surface : Le choix de la finition de surface affecte significativement l'assemblage, la fiabilité et le coût. Le HASL offre une option économique mais ajoute des variations d'épaisseur affectant l'assemblage à pas fin. L'ENIG offre une surface plane idéale pour les applications à pas fin et la liaison par fil d'aluminium. L'OSP donne une finition ultra-plate mais une durée de vie limitée et une capacité réduite aux cycles thermiques. L'argent par immersion équilibre performance et coût pour la plupart des applications. Prenez en compte l'épaisseur de la finition dans les calculs d'impédance et les dégagements mécaniques.

Gestion des cumuls de tolérance : Les tolérances cumulatives affectent l'ajustement et la fonction nécessitant une gestion minutieuse. Contour de la carte ±0,20mm standard, ±0,10mm réalisable avec un traitement premium. Position des trous ±0,15mm par rapport aux bords de la carte et entre eux. Tolérance d'épaisseur ±10% pour le substrat plus les couches de circuit combinées. Gauchissement <0,7% mesuré en diagonale pour les cartes assemblées. Distance minimale caractéristique-bord de 1mm tenant compte de toutes les accumulations de tolérance.

Vérification de conception MCPCB et liste de contrôle de revue

Une vérification complète de la conception avant fabrication évite les retards, réduit les coûts et assure une performance fiable. Ce processus de revue systématique, couvrant les aspects électriques, thermiques et mécaniques, détecte les problèmes tôt lorsque les corrections sont simples et peu coûteuses. Une vérification appropriée combinée avec des tests de fiabilité assure une performance à long terme.

Vérification de conception électrique : Vérifiez que toutes les traces répondent aux exigences de largeur minimale pour la capacité de courant incluant les facteurs de déclassement. Vérifiez que les espacements entre conducteurs correspondent aux exigences d'isolation de tension avec des marges de sécurité. Confirmez que les tailles et quantités de vias gèrent le courant attendu sans élévation excessive de température. Validez la connectivité du plan de masse et les chemins de retour pour tous les signaux. Revoyez les régions à haute tension pour des distances de fuite et d'isolement adéquates. Points de test accessibles pour les tests en circuit et le dépannage.

Validation thermique de la conception : Calculez les températures de jonction pour tous les composants générateurs de chaleur confirmant qu'elles sont dans les spécifications. Vérifiez l'optimisation du placement des vias thermiques sous les dispositifs haute puissance en utilisant la modélisation thermique. Vérifiez une couverture de cuivre >70% pour une diffusion efficace de la chaleur vers le substrat. Confirmez que le placement des composants prévient les interactions thermiques entre sources de chaleur. Revoyez les zones de montage des dissipateurs thermiques pour une exposition et une planéité appropriées du substrat. Validez que les spécifications de l'interface thermique correspondent aux exigences de l'application.

Vérification mécanique de la conception : Mesurez que les dimensions de la carte s'inscrivent dans les tailles standard de panneaux pour une utilisation optimale des matériaux. Vérifiez que les trous de montage sont positionnés correctement avec une épaisseur de paroi adéquate jusqu'au cuivre. Vérifiez que les rayons des coins et les dégagements de bord répondent aux exigences de fabrication. Confirmez que les zones de cour des composants préviennent les interférences mécaniques. Revoyez les exigences de flexibilité pour les applications avec vibration ou flexion. Validez la lisibilité des marquages et étiquettes avec des tailles et emplacements appropriés.