Comment les PCB en aluminium améliorent la conductivité thermique

La gestion thermique est devenue l’un des enjeux les plus importants dans la conception électronique, à mesure que les appareils modernes deviennent plus petits et plus puissants. Les PCB peuvent être fabriqués avec différents noyaux et matériaux. Par le passé, nous avons abordé un large éventail de matériaux. Aujourd’hui, cependant, l’accent est principalement mis sur les PCB à noyau métallique. Une mauvaise dissipation de la chaleur dans les PCB classiques entraîne une performance réduite des appareils électroniques, une durée de vie plus courte, voire des défaillances catastrophiques.

Comparés aux cartes FR4 classiques, les PCB en aluminium présentent une meilleure conductivité thermique, ce qui en fait une alternative efficace. Les caractéristiques qui diffèrent sont détaillées dans cet article. Nous examinerons également la construction, les avantages et les utilisations des PCB en aluminium, ainsi que la manière dont ils améliorent la conductivité thermique.

Qu’est-ce qu’un PCB en aluminium ?

Un PCB en aluminium (circuit imprimé en aluminium) est un circuit imprimé à base de métal. Il est conçu pour gérer la chaleur générée par les composants électroniques de puissance sur une carte. Il remplace la fibre de verre traditionnelle (FR4) par de l’aluminium comme substrat de base.

La structure de base d’un PCB en aluminium est :

1. Couche de circuit en cuivre :
La fonction principale de cette couche est d’assurer la connectivité électrique de tous les composants du PCB. Comparée aux CCL standards (de 1 à 10 oz), la couche de cuivre utilisée est relativement plus épaisse. Lors de la tarification d’un PCB, vous pouvez choisir l’épaisseur de cuivre. Une couche plus épaisse permet une capacité de courant plus élevée.

2. Couche diélectrique (couche isolante) :
La couche diélectrique, ou couche isolante, a une épaisseur d’environ 50 à 200 μm. Elle sert à la fois d’isolation électrique et de conducteur thermique. Elle doit donc offrir une faible résistance à la chaleur et une forte résistance aux signaux électriques.

3. Couche de base métallique (aluminium) :
La base en aluminium est composée d’un substrat en aluminium. Elle apporte une résistance mécanique au PCB, mais son rôle principal est de dissiper la chaleur en agissant comme conducteur thermique.

4. Couche membrane de base en aluminium :
Ce type de membrane est sélectif. Elle a une fonction protectrice en empêchant l’attaque chimique (etching) et les rayures sur la surface métallique.

Pourquoi la conductivité thermique est importante en électronique

La chaleur est générée lors du fonctionnement de composants électroniques tels que les convertisseurs de puissance, les LED ou l’électronique automobile. Si cette chaleur n’est pas rapidement dissipée dans l’environnement, les composants environnants peuvent surchauffer. Une accumulation excessive de chaleur peut réduire la durée de vie des composants et provoquer la fatigue des soudures. Une surchauffe peut même endommager le composant et provoquer l’incendie du PCB et du circuit entier.

Conductivité thermique dans les PCB en aluminium

1. Conductivité thermique supérieure de l’aluminium
La différence de conductivité thermique entre les deux substrats est frappante. Le FR4 a une conductivité thermique de 0,3 à 0,4 W/mK, tandis que l’aluminium atteint environ 205 W/mK. En comparaison, les PCB FR4 classiques ont une résistance thermique de 5,50 × 10⁻⁴ °C/W, soit près de 30 % de plus que celle des PCB en aluminium. Par conséquent, leur efficacité de dissipation thermique est considérablement réduite.

2. Rôle de la couche diélectrique
Même si l’aluminium possède une conductivité thermique élevée, la transmission de chaleur est fortement facilitée par la couche diélectrique située entre les pistes en cuivre et l’aluminium. Dans certaines conceptions, la conductivité thermique de cette couche isolante se situe entre 1 W/mK et 10 W/mK, contribuant à un transfert de chaleur plus efficace.

Équation de la résistance thermique:

Une meilleure conduction thermique se traduit par une valeur de Rₜₕ plus faible. Les fabricants améliorent considérablement la performance thermique des PCB en aluminium en optimisant les matériaux diélectriques et en réduisant leur épaisseur.

Dissipation et expansion thermique des PCB en aluminium

En matière d’évacuation de chaleur, les PCB en aluminium surpassent les PCB FR4 standards. Par exemple, un PCB en aluminium de 1,6 mm d’épaisseur présente une résistance thermique (TR) de 2 à 3 °C/W, tandis qu’un PCB FR4 de même épaisseur a une TR comprise entre 22 et 25 °C/W.

Le coefficient de dilatation thermique varie également selon le matériau. Grâce à ses excellentes capacités de dissipation thermique, un PCB en aluminium ne présente pas de problèmes d’expansion ou de contraction thermique, contrairement au FR4.

PCB en aluminium vs PCB FR4 traditionnel

Applications des PCB en aluminium

1. Éclairage LED :
Les PCB en aluminium sont couramment utilisés dans les luminaires et ampoules LED pour gérer la chaleur générée par les LED haute luminosité. La base du PCB pouvant être directement reliée au dissipateur thermique le plus proche, ils sont présents dans presque toutes les ampoules LED.

2. Électronique de puissance :
Ils sont utilisés lorsque la puissance est élevée ou lors de conversions de tension/courant. Exemples : alimentations, régulateurs de tension et convertisseurs.

3. Électronique grand public :
Avec la miniaturisation des appareils électroniques, de petits dissipateurs thermiques ne suffisent plus. Les PCB à noyau métallique deviennent alors préférables. Exemples : ordinateurs, appareils mobiles, rétroéclairage LCD.

4. Équipements médicaux :
Des équipements électriques de précision comme les scanners IRM, lampes chirurgicales et instruments de diagnostic doivent toujours rester du côté froid, ce qui rend les PCB en aluminium indispensables.

Conclusion

Dans les situations où la chaleur des composants constitue un problème majeur, plusieurs raisons expliquent la supériorité des PCB en aluminium. Aujourd’hui, les PCB en aluminium sont devenus le choix privilégié pour la gestion thermique, en raison du besoin croissant de dispositifs puissants et compacts. Ils surpassent le FR4 en termes de robustesse mécanique et de conductivité thermique élevée.

Cependant, il existe toujours d’autres méthodes pour empêcher la chaleur d’affecter les circuits en fonctionnement, ainsi que des solutions de refroidissement disponibles : techniques de refroidissement actif, dissipateurs thermiques, caloducs (heatpipes) ou ventilateurs CPU classiques. En comprenant les principes du transfert de chaleur, les ingénieurs peuvent concevoir des appareils électroniques durables et performants.