Circuits imprimés en cuivre épais

Qu'est-ce qu'un PCB à cuivre lourd ?

Le PCB à cuivre lourd est un type particulier de circuit imprimé. Comme son nom l'indique, sa caractéristique principale est que l'épaisseur de la feuille de cuivre dépasse celle des PCB traditionnels. L'épaisseur du cuivre sur un PCB traditionnel se situe généralement entre 0,5 et 2 onces (c'est-à-dire 17,5 à 70 microns), tandis que celle d'un PCB à cuivre lourd est supérieure à 2 onces. Lorsque l'épaisseur de la feuille de cuivre atteint 10 onces ou plus, ce type de PCB est appelé PCB à cuivre extrême, qui constitue une version avancée des PCB à cuivre lourd. Dans certains cas extrêmes, l'épaisseur du cuivre peut même atteindre 20 onces (environ 700 μm), dépassant largement la norme d'épaisseur de couche de cuivre des PCB à cuivre lourd conventionnels.

Alors que les domaines tels que l'énergie nouvelle et l'automatisation industrielle évoluent vers des solutions à haute puissance et adaptées aux environnements extrêmes, les circuits imprimés à cuivre épais (Heavy Copper PCB) et les circuits imprimés à cuivre extrêmement épais sont devenus essentiels pour répondre aux besoins en fort courant et en dissipation thermique efficace. Les scénarios d'application des circuits imprimés à cuivre épais s'étendent continuellement, couvrant notamment le contrôle industriel, les équipements liés à l'énergie nouvelle, l'électronique automobile et les appareils médicaux ; les produits présentant différentes épaisseurs de cuivre sont adaptés à des contextes spécifiques. Les circuits imprimés à cuivre ultra-épais sont quant à eux destinés à des conditions encore plus exigeantes.

Afin de satisfaire de manière complète les exigences en matière de performance électrique, de résistance mécanique et d'adaptabilité au procédé, les circuits imprimés à cuivre épais (Heavy Copper PCBs) utilisent généralement des substrats isolants à base de FR-4 à haute température de transition vitreuse (Tg ≥ 150°C). Dans certains cas, des matériaux céramiques, des composites métalliques ou des matériaux en polyimide (PI) sont employés afin d'améliorer la résistance thermique, la conductivité thermique et la résistance aux contraintes mécaniques, et ainsi s'adapter aux exigences liées au laminage des couches de cuivre épaisses et au fonctionnement à haute température.

Avantages principaux des circuits imprimés à cuivre épais

Dans un contexte où les exigences de performance des produits électroniques deviennent de plus en plus strictes, les circuits imprimés à cuivre épais se sont imposés comme un choix clé pour répondre aux exigences en matière de performance électrique, d'évacuation de la chaleur, de fiabilité, d'adaptabilité environnementale, de dimensions et d'intégration, grâce à leurs caractéristiques uniques par rapport aux cartes classiques à cuivre épais. Leurs avantages marqués incluent notamment :

1. Capacité exceptionnelle à supporter des courants et des tensions élevés

L'augmentation de l'épaisseur de la feuille de cuivre augmente directement la section transversale du conducteur, permettant aux circuits imprimés à cuivre épais (Heavy Copper PCB) de transporter un courant et une tension largement supérieurs à ceux des circuits imprimés ordinaires. Par exemple, des équipements tels que les modules d'alimentation industriels et les systèmes électriques des camions électriques doivent transmettre de forts courants (souvent supérieurs à 5 A). Les fils de cuivre ordinaires (0,5 à 2 onces) risquent de brûler en cas de surchauffe, alors que les circuits imprimés à cuivre épais (notamment au-delà de 4 onces) peuvent réduire la résistance en augmentant l'épaisseur de la couche de cuivre, évitant ainsi les risques de surintensité ; dans les situations à haute tension (comme les systèmes de contrôle d'alimentation), la structure physique du cuivre épais peut mieux résister à la contrainte du champ électrique et réduire le risque de rupture de l'isolation.

2. Excellente dissipation thermique et stabilité thermique

Le cuivre est un matériau excellent pour sa conductivité thermique (la conductivité thermique est d'environ 401W/(m・K)), et la couche épaisse de cuivre peut être utilisée comme un « canal d'évacuation de la chaleur » efficace, améliorant considérablement l'efficacité de dissipation thermique. La chaleur générée par les composants haute puissance pendant leur fonctionnement peut être rapidement diffusée sur toute la carte PCB via le pad de cuivre épais, réduisant ainsi la température de jonction du composant (par rapport aux cartes PCB ordinaires, l'élévation de température peut être réduite de 10 à 20℃) ; dans un environnement à cycles thermiques (par exemple -40℃~125℃), la ductilité thermique du cuivre épais peut atténuer les contraintes thermiques, diminuer les ruptures de pistes dues aux variations successives de température et améliorer la stabilité lors d'un fonctionnement prolongé.

3. Haute fiabilité et résistance mécanique

La structure physique des PCB à cuivre épais leur confère une résistance accrue aux dommages, en particulier dans les scénarios exigeant une grande fiabilité. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de cuivre renforce la solidité mécanique des pistes et des vias, permettant de résister aux vibrations et aux chocs (comme dans les compartiments moteurs automobiles ou les équipements de transport ferroviaire), et réduit les ruptures de lignes causées par les contraintes mécaniques ; la force d'adhésion entre le cuivre épais et le substrat est plus stable, réduisant ainsi le risque d'écaillage du cuivre pendant le soudage ou les opérations de retouche, et diminuant le risque de défauts fonctionnels.

4. Excellente adaptabilité aux environnements extrêmes

Les PCB à cuivre épais montrent une tolérance accrue dans les environnements difficiles, largement supérieure à celle des PCB ordinaires :

• Résistance aux températures extrêmes : ils peuvent fonctionner de manière stable dans une plage de température extrême allant de -55°C à 150°C, ce qui les rend adaptés aux applications dans les équipements aérospatiaux et militaires ;
  
• Résistance à la corrosion et au vieillissement : Le cuivre épais possède une marge de « corrosion » plus importante, sa durée de vie est ainsi 3 à 5 fois plus longue que celle des circuits imprimés ordinaires en cas d'humidité élevée, d'atmosphère saline (comme dans les équipements marins) ou de corrosion chimique (comme dans un environnement industriel chimique) ;
  
• Anti-brouillage électromagnétique (EMI) : Une couche de mise à la terre en cuivre épais permet de réduire l'impédance, de supprimer les bruits transitoires sur la masse, de diminuer les interférences entre signaux et d'améliorer l'intégrité des signaux haute fréquence/haute vitesse.
  

5. Aide à la miniaturisation des équipements et à l'optimisation des coûts

Dans la conception d'équipements à forte puissance, les circuits imprimés en cuivre lourd (Heavy Copper PCBs) peuvent transporter de forts courants via un seul fil, remplaçant ainsi la conception utilisant « plusieurs fils en parallèle » sur les circuits imprimés ordinaires. Cela permet de réduire le nombre de couches du PCB (par exemple, passant de 8 à 6 couches), de diminuer la taille de la carte et de réaliser une miniaturisation de l'équipement. Cela aide également à réduire le nombre de composants (comme les dissipateurs thermiques et les connecteurs de câbles) et à optimiser le coût global du système. Bien que le coût de fabrication des circuits imprimés en cuivre lourd soit plus élevé, le coût sur l'ensemble du cycle de vie est inférieur.

Limitations des circuits imprimés en cuivre lourd (Heavy Copper PCB)

Bien que les circuits imprimés en cuivre lourd offrent des avantages significatifs en termes de capacité de transport de courant élevé et de fiabilité, leurs propriétés matérielles et leur procédé de fabrication spécifiques entraînent également certaines limites incontournables. Ces inconvénients restreignent leur applicabilité dans certains cas particuliers, ce qui se manifeste principalement à travers les trois aspects suivants :

1. Non adapté au câblage haute densité

La feuille de cuivre des PCB à cuivre épais est épaisse, et il est difficile d'obtenir des lignes fines et étroites lors de la gravure, donc la largeur des pistes et l'espacement doivent être supérieurs à 6 mil ; mais les exigences en matière de câblage à haute densité demandent souvent une largeur de piste inférieure à 4 mil, ce qui est comparable à demander à un « grand gaillard » de se déplacer souplement dans une « ruelle étroite », ce qui est impossible. Par conséquent, les PCB à cuivre épais ne peuvent être utilisés que dans des endroits comme les modules d'alimentation où le câblage dense n'est pas une priorité, et ils ne sont pas adaptés à des scénarios tels que les cartes mères de smartphones nécessitant une transmission de signaux à haute densité.

2. Procédé de fabrication difficile

Le procédé de fabrication des PCB à cuivre épais exige une précision bien supérieure à celle des PCB ordinaires, et les défis principaux se concentrent sur :

• Phase de gravure : Plus la feuille de cuivre est épaisse, plus il est difficile de contrôler la pénétration et l'uniformité de la réaction de la solution de gravure, ce qui peut entraîner des problèmes tels que des bords de ligne rugueux et des écarts excessifs de largeur de ligne, affectant ainsi les performances du circuit ;
  
• Phase de laminage : Après la gravure, l'écart entre les pistes est important, nécessitant une grande quantité de résine pour combler cet espace. Si le remplissage est insuffisant ou s'il y a des bulles, cela entraînera une adhésion insuffisante entre les couches du PCB, pouvant provoquer un délaminage pendant le soudage ou l'utilisation, ce qui peut facilement causer des courts-circuits ou des circuits ouverts ;
  
• Masque à souder et traitement de surface : La planéité de la surface en cuivre épais est mauvaise, ce qui peut provoquer des problèmes tels qu'une couche inégale ou des bulles lors de l'impression du masque à souder, augmentant ainsi le risque de mauvais soudage ultérieur.
  

Coût élevé

En termes de matériaux, la quantité de feuille de cuivre utilisée est bien supérieure à celle des circuits imprimés ordinaires. En termes de fabrication, les processus complexes de gravure et de laminage allongent le cycle de production, et le taux de rebut est élevé, augmentant davantage les coûts de fabrication.

Recommandations relatives aux spécifications de conception pour les circuits imprimés en cuivre épais

Afin de tirer pleinement parti des avantages des circuits imprimés en cuivre épais, d'éviter les difficultés liées aux procédés de fabrication et d'assurer leurs performances, une série de spécifications ciblées doivent être respectées lors de la conception de circuits imprimés en cuivre épais, afin d'équilibrer fonctionnalité et fabricabilité :

1. La largeur minimale des pistes ne doit pas être inférieure à 0,3 mm afin d'éviter les ruptures dues aux difficultés de gravure ;
2. L'espacement minimal entre deux pistes adjacentes ne doit pas être inférieur à 0,25 mm afin d'éviter les courts-circuits provoqués par une gravure incomplète ;
3. La distance entre la feuille de cuivre autour du trou de fixation et le bord du trou doit être ≥0,4 mm, et il ne doit y avoir aucun fil fin à moins de 1,5 mm du bord du trou afin d'améliorer la résistance mécanique ;
4. La distance entre la piste et le bord du PCB doit être ≥3 mm (elle peut être réduite à 1,5 mm dans des cas particuliers, mais la largeur de la piste doit être ≥1,5 mm à ce moment-là) afin d'éviter que la contrainte au bord ne provoque le détachement de la feuille de cuivre ;
5. La distance entre les composants d’alimentation à haute fréquence et les grands condensateurs doit être de 5 mm afin de réduire les interférences du signal ;
6. La largeur de la ligne de masse ne doit pas être inférieure à 0,5 mm, afin d'assurer la fiabilité de la mise à la masse et l'efficacité de dissipation thermique ;
7. Le plot ne doit pas être directement connecté à la feuille de cuivre nue ou à d'autres plots afin d'éviter les courts-circuits lors du soudage ;
8. Il est nécessaire de concevoir une structure spécifique de dissipation thermique pour les composants haute puissance et d'adopter une solution de câblage à faible densité afin de s'adapter aux caractéristiques du procédé avec cuivre épais.

Spécification PCB à cuivre lourd chez LHD TECH

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