PCB à Haute Conductivité Thermique | À Noyau Métallique (MCPCB) & Céramique | Conception Thermique pour Alimentation et LED
PCB conçus pour la gestion thermique des LED et de l'électronique de puissance : MCPCB en aluminium/cuivre, céramique en alumine/nitrure d'aluminium, plans en cuivre épais et vias thermiques à haute densité. Testés en cyclage −40↔+125 °C (moins quarante à plus cent vingt-cinq) et contrôle de planéité pour un contact optimal avec l'interface thermique.
Ingénierie du Chemin Thermique & Sélection des Matériaux
Optimiser la résistance jonction-ambiante de la source au dissipateurLorsque la densité de puissance dépasse ~0,5–1,0 W/cm² (environ zéro virgule cinq à un virgule zéro watt par centimètre carré) ou que les températures de jonction approchent des limites du dispositif, le PCB lui-même doit agir comme un dissipateur de chaleur actif. Le PCB FR-4 standard offre ~0,3–0,4 W/m·K (environ zéro virgule trois à zéro virgule quatre watts par mètre-kelvin) de conductivité thermique, insuffisante pour les applications haute puissance ou LED. Pour combler cet écart, nous déployons trois approches principales : les PCB à âme métallique (MCPCB) pour les cartes LED et d'alimentation économiques, les PCB céramiques (Al₂O₃ ou AlN) pour les conceptions à CTE adapté et haute conductivité, et les PCB à cuivre épais pour améliorer la dissipation latérale sous les semiconducteurs de puissance et MOSFET.
Dans les empilements MCPCB, la couche diélectrique—typiquement 75–150 μm (soixante-quinze à cent cinquante micromètres)—domine la résistance thermique totale. Optimiser le type de résine et le taux de remplissage peut la réduire de 20–30 % (vingt à trente pour cent). Les réseaux de vias thermiques placés sous les sources de chaleur réduisent encore les chemins de résistance verticaux. Consultez nos directives de conception MCPCB et notre guide de fabrication de PCB LED pour des stratégies détaillées d'empilement et de disposition.
Risque Critique : Une dissipation thermique insuffisante entraîne une emballement de la température de jonction, une fatigue des soudures ou un délaminage dû aux cycles thermiques répétés. Une épaisseur diélectrique inconstante ou un mauvais remplissage des vias augmente également l'impédance thermique, réduisant la durée de vie du dispositif jusqu'à 40 % (quarante pour cent).
Notre Solution : Nous appliquons des validations de choc thermique et de cyclage de −40 °C à +150 °C (moins quarante à plus cent cinquante degrés Celsius) pour vérifier la stabilité des matériaux et l'adhésion des interfaces. En utilisant une simulation thermique basée sur l'analyse par éléments finis (FEA), nous modélisons la propagation des points chauds et optimisons la distribution du cuivre, la formulation diélectrique et le motif des vias pour un flux de chaleur constant. Pour les cas extrêmes, les PCB céramiques ou les PCB à haut Tg sont recommandés pour combiner stabilité thermique et résistance mécanique.
Pour plus d'informations sur la fiabilité au niveau système, explorez notre blog sur la gestion thermique des PCB et les études de cas sur les PCB haute thermique pour voir des approches de conception éprouvées pour l'éclairage LED, les convertisseurs EV et l'électronique de puissance industrielle.
- Conductivité du système MCPCB typiquement 1–3 W/m·K (un à trois watts par mètre-kelvin)
- Options céramiques : Alumine ~18–25 W/m·K ; AlN ~150–170 W/m·K (dix-huit à vingt-cinq ; cent cinquante à cent soixante-dix)
- Réseaux de vias thermiques : Ø0,30–0,50 mm (zéro virgule trois zéro à zéro virgule cinq zéro), pas de 1,0–1,5 mm
- Cuivre épais ≥3 oz (supérieur ou égal à trois onces) pour la dissipation
- Empreintes compatibles CTE pour protéger les soudures pendant les cycles
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Processus Contrôlés pour une Performance Thermique Répétable
Liaison sans vide, tolérance d'épaisseur et planéité de surfaceLa stratification sous vide lie des diélectriques minces remplis de céramique à des noyaux métalliques avec un contrôle d'épaisseur de ±10% (plus ou moins dix pour cent) pour stabiliser la résistance thermique. Pour les PCB céramiques, les interfaces DBC/DPC sont validées par des tests de choc thermique et une analyse microsectionnelle. Les vias remplis de cuivre améliorent la conduction verticale d'environ ~10–20× (environ dix à vingt fois) par rapport aux conceptions remplies de résine. Nos tests de fiabilité thermique couvrent −40↔+125 °C (moins quarante à plus cent vingt-cinq) pour garantir l'intégrité de l'interface.
La planérité et la rugosité de la surface de montage influencent l'efficacité du TIM : nous maintenons Ra ≤3 μm (inférieur ou égal à trois micromètres) et une planéité locale dans ±25 μm (plus ou moins vingt-cinq micromètres) sur les zones de pads. Lorsque des courants élevés et de la chaleur coexistent, combinez des modules MCPCB ou céramiques avec des couches de distribution en cuivre épais pour un PDN robuste et un refroidissement efficace.
- Stratification sous vide pour éliminer les vides dans le diélectrique
- Tolérance d'épaisseur du diélectrique ±10% (plus ou moins dix pour cent)
- Vias thermiques remplis de cuivre (conductivité 10–20× vs. remplis de résine)
- Planéité de surface/fenêtres ajustées pour la performance du TIM
- Cyclage automobile −40↔+125 °C (moins quarante à plus cent vingt-cinq)
Capacités techniques des PCB thermiques
Conçus pour les LED, la conversion de puissance et les modules RF PA
| Paramètre | Capacité standard | Capacité avancée | Norme |
|---|---|---|---|
Layer Count | 1–4 couches (une à quatre) MCPCB | Jusqu'à 40+ couches (jusqu'à quarante ou plus) hybrides thermiques FR-4 | IPC-2221 |
Base Materials | MCPCB en aluminium, FR-4 thermique | MCPCB à noyau de cuivre, céramique (Alumine, AlN) | IPC-4101/4103 |
Thermal Conductivity (system) | 1–3 W/m·K (un à trois watts par mètre-kelvin) | 5–20 W/m·K (cinq à vingt; dépend du matériau) | ASTM E1461 |
Dielectric Thickness (MCPCB) | 75–150 μm (soixante-quinze à cent cinquante micromètres) | ≤50 μm (inférieur ou égal à cinquante) diélectrique haute performance | Manufacturer datasheet |
Board Thickness | 0.8–3.2 mm (zéro virgule huit à trois virgule deux) | 0.4–6.0 mm (zéro virgule quatre à six virgule zéro) | IPC-A-600 |
Copper Weight | 1–4 oz (une à quatre onces) | Jusqu'à 10 oz (jusqu'à dix onces) | IPC-4562 |
Min Trace/Space | 100/100 μm (4/4 mil; cent par cent) | 75/75 μm (3/3 mil; soixante-quinze par soixante-quinze) | IPC-2221 |
Min Hole Size | 0.20 mm (huit mils) | 0.15 mm (six mils) | IPC-2222 |
Via Technology | Vias thermiques remplis de résine | Vias remplis de cuivre, microvias empilés | IPC-6012 |
Max Panel Size | 571.5 × 609.6 mm | 571.5 × 1200 mm | Manufacturing capability |
Surface Finish | HASL sans plomb, OSP, ENIG | ENEPIG, Argent immersion, pré-application TIM | IPC-4552/4556 |
Quality Testing | Test électrique, stress thermique | Cyclage thermique, imagerie IR, test de résistance thermique | IPC-9252 |
Certifications | ISO 9001, UL, RoHS/REACH | IATF 16949, ISO 13485 | Industry standards |
Lead Time | 5–10 jours (cinq à dix) | 3–5 jours (trois à cinq) accéléré | Production schedule |
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Règles de Disposition : Dissipation, Vias et Isolation
Utilisez des plans de dissipation en cuivre sous les sources de chaleur et connectez-les à des réseaux denses de vias. Les densités typiques de vias thermiques sont de 50 à 100 vias/cm² (cinquante à cent par centimètre carré) avec des diamètres de 0,30 à 0,50 mm et un pas de 1,0 à 1,5 mm. Isolez les circuits analogiques/RF sensibles avec des découpes thermiques et envisagez des sous-modules céramiques pour les amplificateurs RF—voir PCB céramique.
La qualité de surface influence les performances du TIM : des écarts >50 μm (supérieurs à cinquante micromètres) sur les zones de contact peuvent augmenter la résistance d'interface de 20 à 30 % (vingt à trente pour cent). Pour estimer les compromis de coût et de délai, consultez notre guide de devis d'assemblage.
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Processus de Fabrication : MCPCB et Céramique
MCPCB : préparation du substrat → stratification sous vide du diélectrique chargé en céramique → gravure du circuit → perçage/placage des vias (remplissage en cuivre si nécessaire) → planarisation → finition. Céramique DBC/DPC : liaison du cuivre à la céramique à haute température, puis motif, perçage/laser et placage. Les points de contrôle qualité incluent la cartographie de l'épaisseur du diélectrique, l'inspection des vides et la métrologie Ra/planéité. En savoir plus dans les articles sur les tests de choc thermique et la fabrication de LED.
Choix du Substrat Approprié
MCPCB en aluminium : rapport coût/performance équilibré pour les LED et les puissances modérées.
Noyau en cuivre : meilleure dissipation et conductivité (base ~380–400 W/m·K ; trois cent quatre-vingts à quatre cents), avec des compromis poids/coût.
Alumine (Al₂O₃) : 18–25 W/m·K ; AlN : 150–170 W/m·K (dix-huit à vingt-cinq ; cent cinquante à cent soixante-dix) avec une bonne correspondance de CTE.
FR-4 thermique : amélioration de 1,0–2,0 W/m·K sans reconception complète. Pour les fonds de panier mixtes haute intensité/haute vitesse, voir PCB fond de panier.
Caractérisation Thermique et Fiabilité
Nous validons la Rth (résistance thermique) par rapport à la conception avec une tolérance de ±15 % (plus ou moins quinze pour cent) en utilisant des dispositifs étalonnés ; la thermographie IR confirme une distribution uniforme de la chaleur. La fiabilité inclut le cyclage de puissance, les contraintes d'humidité à 85 °C/85 % HR et le cyclage thermique de −40↔+125 °C (moins quarante à plus cent vingt-cinq) avec des microsections après contrainte—voir les contrôles de fabrication IPC Classe 3.
LED, Conversion de Puissance et Télécom
Éclairage LED : les lampes urbaines/automobiles visent souvent des chemins jonction-radiateur <1 °C/W (moins d'un degré C par watt) en utilisant des MCPCB en aluminium.
Conversion de puissance : les entraînements de moteur, onduleurs et chargeurs de VE bénéficient de vias remplis de cuivre et de plans en cuivre épais.
RF télécom : les substrats céramiques supportent les amplificateurs RF avec des performances thermiques et diélectriques. Pour les interconnexions flexibles près des zones chaudes, associez les modules avec des cavaliers en PCB flexible.
Assurance Ingénierie & Certifications
Expérience : programmes LED volumineux et d'alimentation utilisant des circuits imprimés MCPCB en aluminium/cuivre et céramique AlN.
Expertise : collage sans vide, vias remplis de cuivre, métrologie de planéité/rugosité, et SPC sur l'épaisseur diélectrique et l'alignement.
Autorité : IPC-6012 Classe 2/3, IATF 16949, ISO 13485 ; documentation prête pour audit.
Fiabilité : MES connecte les lots fournisseurs, la sérialisation et les données de test thermique ; rapports de lot disponibles.
- Contrôles : épaisseur diélectrique ±10 %, Ra ≤3 μm, planéité ±25 μm
- Traçabilité : codes de lot, sérialisation au niveau unitaire, dossier numérique
- Validation : cyclage thermique, imagerie IR, microsections
Questions fréquentes
MCPCB vs céramique vs FR-4 thermique : comment choisir ?
Combien de vias thermiques sont nécessaires sous un dispositif de puissance ?
Les PCB thermiques peuvent-ils éliminer le besoin d'un dissipateur thermique ?
Quelle finition de surface est la meilleure pour les interfaces thermiques ?
Comment vérifier les performances thermiques en production ?
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