PCB IMS

Examinons quelques-uns des aspects fondamentaux d'IMS PCB.

Que vous souhaitiez en savoir plus sur les spécifications, les fonctionnalités, les propriétés ou les configurations ; vous trouverez toutes les informations ici.

Alors continuez à lire pour en savoir plus.

Qu'est-ce qu'un circuit imprimé IMS ?

IMS est l'abréviation de substrat métallique isolé.

Une carte de circuit imprimé IMS utilise du métal pour un substrat aux côtés d'une fine couche diélectrique et d'un film de cuivre.

De nombreux PCB IMS sont des cartes à simple face en raison de la configuration et ne prennent donc en charge que la fixation de composants d'un côté.

Vous pouvez fixer un dissipateur thermique à la plaque de base à l'aide de vis et de graisse pour la dissipation thermique.

Vous obtenez une dissipation thermique supérieure lors de l'utilisation d'un PCB IMS, par rapport à un circuit imprimé traditionnel.

L'utilisation d'un PCB IMS est l'un des moyens les plus simples de refroidir les composants montés en surface.

PCB IMS

Quels métaux pouvez-vous utiliser dans un PCB IMS ?

Lors de l'utilisation d'un PCB IMS, vous pouvez utiliser les métaux suivants comme substrat :

Aluminium

L'aluminium possède à la fois des propriétés métalliques et non métalliques et est l'un des éléments les plus largement disponibles sur la planète.

Vous extrayez du minerai de bauxite sous forme d'aluminium en entreprenant un processus de fabrication pour le convertir en une forme utile.

Vous pouvez fabriquer des alliages d'aluminium en les combinant avec des métaux tels que le magnésium, le silicium, le zinc, le cuivre et le manganèse.

Par rapport à l'aluminium pur, la combinaison avec d'autres éléments métalliques améliore la maniabilité, la conductivité électrique, la résistance, la densité et la résistance à la corrosion.

L'aluminium est hautement ductile, ce qui permet la formation de feuilles minces.

Sa grande malléabilité, d'autre part, vous permet de façonner facilement un matériau en aluminium permettant une utilisation dans les PCB IMS.

Cuivre

Vous trouvez du cuivre à partir de minerais de sulfure, de carbonate et d'oxyde, et comme sous-produit dans la production d'argent. Le cuivre et ses alliages sont parmi les matériaux d'ingénierie les plus adaptables.

Le cuivre est utile dans toutes les applications industrielles en raison de ses combinaisons de caractéristiques uniques, notamment la conductivité, l'usinabilité, la résistance à la corrosion, la ductilité et la résistance.

Des variations dans la constitution et les méthodes de production peuvent encore améliorer ces qualités.

Certaines des propriétés du cuivre et de ses alliages permettant leur utilisation dans les PCB IMS incluent :

• Excellente conductivité de la chaleur et de l'électricité.
• Résistance irréprochable à la corrosion.
• Excellente usinabilité avec des propriétés mécaniques et électriques préservées à des températures cryogéniques
• Un point de fusion élevé à l'état pur de 1083^o

Le cuivre est juste derrière l'argent en termes de conductivité électrique correspondant à 97 % de la conductivité de l'argent.

Vous utilisez du cuivre dans les PCB IMS en raison de sa disponibilité et de son coût.

Acier

L'acier inoxydable fait référence à un groupe d'alliages à base de fer résistants à la corrosion et à la chaleur.

Une caractéristique distinctive de l'acier inoxydable est sa teneur en chrome de 10.5 %, qui confère une meilleure résistance à la corrosion par rapport aux autres aciers.

Vous pouvez également utiliser du molybdène, du nickel, de l'azote et du magnésium dans l'alliage de l'acier inoxydable.

L'acier avec une teneur minimale en chrome de 10 % offre jusqu'à 5 fois plus de protection contre la corrosion que l'acier sans.

Vous appréciez son utilisation dans IMS PCB pour sa résistance, sa durabilité, sa maniabilité, sa faible maintenance, son respect de l'environnement, sa recyclabilité et sa résistance thermique.

L'acier inoxydable n'a pas besoin de traitement régulier par revêtement et peinture une fois utilisé.

Pourquoi utilisez-vous IMS PCB ?

Un stress thermique similaire à celui présenté dans les processeurs peut entraîner un mauvais fonctionnement des circuits imprimés ou même une panne.

L'augmentation de la possibilité de stress thermique a considérablement augmenté avec les progrès technologiques et la miniaturisation des équipements.

Vous trouvez dans les cartes de circuits imprimés d'aujourd'hui, vous empilez étroitement les composants dans un facteur de forme réduit.

Par conséquent, une gestion efficace et appropriée de la chaleur dans les PCB est essentielle pour éviter une perte complète de fonctionnalité dans les appareils.

L'utilisation d'un PCB IMS est une technique de gestion thermique efficace pour dissiper la chaleur des composants principaux du circuit imprimé.

Ces composants comprennent des LED et des transistors qui génèrent beaucoup de chaleur.

Où utilisez-vous les PCB IMS ?

Les PCB IMS sont utiles dans les applications à haute puissance où vous avez de grandes charges mécaniques avec une stabilité dimensionnelle irréprochable souhaitée.

Vous trouvez que ces PCB vous permettent d'utiliser des pistes plus fines, d'obtenir une densité de composants plus élevée et de prolonger la durée de vie de votre produit.

Les composants tels que les LED et les transistors génèrent beaucoup de chaleur que vous pouvez facilement éliminer avec un PCB IMS.

Lorsque vous utilisez un substrat métallique isolé, vous obtenez une conductance thermique jusqu'à dix fois supérieure à celle du FR4 ordinaire.

Certaines des applications courantes des PCB IMS sont :

Éclairage LED

Les circuits LED deviennent de plus en plus petits, économes en énergie et à haute puissance de sortie.

Vous utilisez des circuits imprimés IMS dans les circuits LED car ils absorbent efficacement l'énergie thermique produite par les composants LED.

Fabrication automobile

Des centaines d'unités de contrôle composent les voitures modernes. Vous trouvez ces petits ordinateurs autour de la zone du moteur où ils sont exposés à des températures extrêmes.

Les PCB IMS ont la conductivité thermique et les qualités mécaniques requises par ces applications.

Circuits de puissance

Les circuits de puissance utilisent des dispositifs de commutation qui génèrent beaucoup de chaleur.

Les PCB IMS transfèrent efficacement la chaleur sans avoir besoin de dissipateurs thermiques discrets pour chaque composant, ce qui permet de réaliser des conceptions plus petites.

Relais statiques

Les relais d'état solide (SSR) est un successeur moderne des relais mécaniques composé d'un optocoupleur et d'un MOSFET.

Ces composants sont étroitement emballés dans une petite enceinte qui sert également de dissipateur de chaleur.

Vous utilisez des PCB IMS pour collecter la chaleur des composants et la transporter pour l'éliminer au niveau de l'enceinte.

De quelles qualités de matériaux avez-vous besoin pour IMS PCB ?

Lors de l'évaluation d'un PCB IMS, vous devez prendre en compte à la fois les qualités mécaniques et électriques du matériau de base.

Certaines des caractéristiques clés sont les suivantes :

• Constante diélectrique : compare la capacité du matériau du substrat à celle d'un vide dans le rôle de diélectrique.
• Coefficient de dilatation thermique (CTE) : mesure l'ampleur du changement des substrats métalliques dans la direction de l'axe z lors de l'exposition à la chaleur.
• Température de transition vitreuse (T_g): Le matériau cesse de fonctionner comme un matériau dur et entre dans un état plastique.
• Température de décomposition (T_d) : détermine la résistance à la chaleur du matériau qui influence sa structure physique.
• Temps de délaminage : Surveille le temps nécessaire pour se délaminer par le substrat aux températures de 260 et 288 ^oC respectivement.
• Indice de suivi comparatif : mesure les qualités de panne électrique du substrat.

Quels sont les avantages d'utiliser un PCB IMS ?

L'utilisation d'un PCB IMS vous offre plusieurs avantages comme suit :

• Un PCB IMS a une meilleure conductivité thermique qu'un PCB FR4 classique qui peut être dix fois supérieure.

Les conductivités thermiques sur les PCB IMS peuvent varier entre 1 et 12 W/mK

• Vous pouvez utiliser le substrat métallique épais dans IMS PCB pour le support structurel de l'appareil.
• Vous pouvez emballer étroitement les composants dissipant une chaleur élevée dans les PCB IMS, permettant la formation de dispositifs compacts.

Vous trouvez cela possible grâce à la conduction thermique efficace que vous rencontrez dans ces cartes.

• Les PCB IMS sont moins sensibles au feu que les PCB FR-4 car ils utilisent du métal comme matériau de substrat.

Vous pouvez donc utiliser les PCB IMS dans des applications à haute puissance ou dans des environnements combustibles ou à haute température.

• Lorsque vous utilisez un PCB IMS, vous pouvez vous permettre un blindage électromagnétique fourni par le substrat métallique.

Vous pouvez également utiliser le substrat métallique comme couche de masse, éliminant ainsi le besoin de traces supplémentaires et réduisant ainsi les coûts.

• L'utilisation d'appareils montés en surface avec des circuits imprimés IMS est plus facile car la carte peut immédiatement absorber et répartir la chaleur générée.

Quels sont les types de PCB IMS ?

Vous pouvez classer les PCB IMS avec le type de métal qu'ils utilisent comme substrat dans les catégories suivantes :

• Circuit imprimé IMS en aluminium : De nombreux PCB IMS utilisent de l'aluminium métallique comme matériau de substrat en raison de son faible coût.

L'aluminium est également plus léger que le cuivre avec une conductivité thermique proche de celle du cuivre.

Circuit imprimé IMS en aluminium

• Circuit imprimé IMS en acier inoxydable : Vous utilisez de l'acier inoxydable là où vous souhaitez une résistance mécanique pour votre PCB IMS.

L'acier inoxydable est encore moins cher que l'aluminium, mais comparé au cuivre et à l'aluminium, il est le moins conducteur.

• Circuit imprimé cuivre IMS : Le cuivre vous offre une excellente conduction thermique que l'aluminium et l'acier inoxydable et coûte donc beaucoup plus cher.

De plus, vous trouvez que le cuivre est plus lourd et se corrode facilement que l'aluminium et l'acier inoxydable.

Circuit imprimé IMS en cuivre

Comment pouvez-vous configurer un PCB IMS ?

Vous pouvez configurer un PCB IMS des manières suivantes :

Simple face

Vous installez les composants d'un côté lorsque vous utilisez un PCB IMS simple face.

Un seul côté de ce type de PCB IMS peut être utilisé pour installer des composants.

Vous avez une seule couche de cuivre à côté du substrat métallique qui se double d'un dissipateur thermique.

Deux couches avec montage de composants unilatéral

Dans cette configuration, vous utilisez une paire de couches de cuivre pour accueillir des circuits supplémentaires.

Cependant, vous ne remplissez qu'une seule couche de cuivre et pouvez utiliser un film FR-4 entre les couches de cuivre. L'utilisation de vias reliant la couche de composants au substrat peut améliorer la conductivité thermique de la carte.

Montage des composants sur les deux côtés

Vous avez deux couches conductrices de cuivre que vous pouvez remplir dans cette configuration.

Vous prenez en sandwich le substrat métallique à l'aide de vias pour le transfert de signal de chaleur et de courant.

Les qualités mécaniques de ces PCB sont améliorées avec de la résine isolant les vias conducteurs de courant. Cependant, la qualité du dissipateur thermique du substrat métallique diminue en raison de son emplacement au milieu.

Multicouche avec montage de composants double face

Un PCB IMS avec cet agencement est le plus compliqué contenant plusieurs couches de cuivre de chaque côté du substrat métallique.

Vous pouvez monter des composants sur les deux couches de cuivre externes, ce qui vous permet une densité et une fonctionnalité plus élevées.

Comment un PCB IMS se compare-t-il à un PCB FR-4 ?

L'aspect différentiel majeur entre un PCB IMS et un PCB FR-4 réside dans la capacité de conductivité thermique et les qualités mécaniques.

Les PCB IMS vous offrent une meilleure conductivité thermique que les cartes FR-4 conventionnelles avec leur structure rigide améliorant la résistance mécanique de la carte.

Circuit imprimé FR-4

Les autres différences sont les suivantes :

• Vous pouvez mettre des composants traversants lors de l'utilisation d'un Circuit imprimé FR-4 avec une seule couche.

Cependant, il n'est pas pratique d'utiliser des trous traversants dans un PCB IMS utilisant une couche unique.

• Les PCB IMS ont une conductivité thermique supérieure à celle des PCB FR4 similaires.
• Vous n'utilisez que des masques de soudure blancs pour les PCB IMS. Vous disposez d'une large gamme d'options de couleurs pour les PCB FR4 allant du vert, jaune, noir, bleu, entre autres.
• Lors de la fabrication des PCB IMS, vous utilisez des machines spécialisées telles que des lames revêtues de diamant en raison du matériau du substrat métallique.

La fabrication du FR-4 utilise des équipements et des machines standard.

• Lors de la fabrication de PCB FR-4, vous pouvez avoir plusieurs couches. Un PCB IMS est principalement efficace avec une seule couche.
• Vous pouvez fournir un PCB FR-4 à des épaisseurs beaucoup plus importantes par rapport aux PCB IMS.

Dépasser une épaisseur de cétine pour un PCB IMS rend son efficacité nulle en conductivité thermique.

Quelle finition de surface pouvez-vous utiliser sur un PCB IMS ?

A Finition de surface PCB est un revêtement métallique que vous appliquez sur la trace pour protéger le cuivre sous-jacent de l'oxydation.

La corrosion de la piste conductrice en cuivre peut entraîner une interruption du flux de signal entraînant une défaillance.

Certaines des finitions de surface que vous utilisez pour un PCB IMS sont :

HASL / HASL sans plomb

Le nivellement de la soudure à l'air chaud présente la finition de surface la plus courante dans la fabrication de cartes.

Vous immergez la carte dans un alliage étain/plomb fondu, avant d'éliminer l'excès de soudure en soufflant de l'air chaud.

Dans la HASL sans plomb, vous remplacez le plomb par un autre métal en raison de la classification du plomb en tant que substance dangereuse restreinte.

HASL expose votre circuit imprimé à des températures aussi élevées que possible, ce qui vous permet de mettre en évidence tout problème de délaminage avant l'assemblage des composants.

OSP (Conservateur de Soudabilité Organique)

L'OSP est un type de finition de surface à base d'eau utilisée dans la protection des plaquettes de cuivre contre la corrosion. L'OSP nécessite peu d'entretien, offre une surface coplanaire et le fait d'être sans plomb est respectueux de l'environnement.

Néanmoins, il n'a pas la durabilité de HASL et est délicat au toucher.

Or immersion autocatalytique au nickel (ENIG)

ENIG comprend une paire de couches sur le cuivre composé de métaux nickel et or.

Le nickel offre une protection du cuivre en tant que surface de soudure réelle pour les composants.

L'or protège le nickel pendant le stockage offrant une faible résistance de contact.

Comme il est conforme à RoHS, il s'agit d'une finition de surface populaire qui vous donne une surface lisse tout en offrant une longue durée de conservation.

Immersion argent

En argent par immersion, vous appliquez une finition chimique sur le cuivre en l'immergeant dans une teneur en ions d'argent. Le processus est un processus non électrolytique qui produit une finition fantastique pour les circuits imprimés blindés EMI.

Vous obtenez une épaisseur de surface moyenne et uniforme entre 5 et 18 micropouces avec cette finition.

La finition est écologique et moins coûteuse par rapport à ENIG.

Étain d'immersion

Vous obtenez une finition métallique par immersion grâce au dépôt chimique direct d'étain sur le cuivre.

Le cuivre forme un lien fort avec l'étain, créant un bouclier permanent pour la protection contre l'oxydation.

Étant donné que le processus n'emploie aucun élément de plomb, il est respectueux de l'environnement. De plus, vous obtenez une surface plane qui peut être retravaillée.

Comment souder un PCB IMS ?

Le soudage de PCB IMS sur une vague de soudure ne nécessite aucune modification de la technique de soudage.

Vous pompez de l'étain dans les trous pour les composants par le dessous, les fixant instantanément à la paroi en cuivre de la perceuse.

Cependant, selon le type de carte IMS, la soudure par refusion peut nécessiter certains ajustements du profil de soudure.

Dans une procédure de soudage par refusion, le principal avantage des PCB IMS joue contre vous.

Vous constatez que la capacité à dissiper efficacement la chaleur fait que les pastilles à souder chauffent plus lentement. Afin de modifier le profil de soudure, vous trouvez deux facteurs influents :

l'épaisseur du substrat métallique et la taille de la carte.

La durabilité des composants limite la température maximale, laissant le temps de séjour avant le point de fusion comme seule variable de processus modifiable.

Assurez-vous que le chauffage de la carte est suffisant à ce moment pour éviter que moins de chaleur ne s'écoule lors des pics suivants.

Pourquoi l'aluminium est-il préféré au cuivre dans les PCB IMS ?

Les PCB IMS utilisent un substrat métallique pour améliorer les propriétés thermiques et mécaniques de la carte.

L'utilisation d'un substrat métallique améliore la conductivité thermique jusqu'à dix fois celle d'une carte similaire utilisant un substrat FR-4.

L'aluminium trouve une utilisation courante comme matériau de substrat pour de telles cartes car il est peu coûteux et léger.

Alors que le cuivre a une conductivité thermique plus élevée et un CTE inférieur, il coûte beaucoup plus cher, ce qui le relégue à des conceptions à haute densité.

Quelles techniques de gravure appliquez-vous dans la fabrication de circuits imprimés IMS ?

Vous utilisez la technique de gravure pour éliminer sélectivement la surface d'un substrat ou d'une couche conformément au dessin.

Vous pouvez utiliser la gravure humide ou la gravure sèche pour votre PCB IMS.

Gravure humide

La gravure humide est une méthode qui consiste à immerger les matériaux dans une solution de gravure dont l'utilisation est largement répandue.

Trois facteurs affectent la vitesse de gravure, à savoir : l'agitation, la concentration de la solution de gravure et la température de la solution de gravure.

La gravure humide est un processus isotrope.

Lorsque vous augmentez la température de gravure et mettez en œuvre une agitation, vous pouvez augmenter considérablement la vitesse de gravure.

Gravure sèche

La gravure sèche est l'approche la plus courante pour graver des objets de tailles inférieures au micron, car elle utilise le plasma pour graver des couches minces.

Le plasma initie une réaction avec la couche de surface entraînant la production de produits chimiques volatils.

Vous pouvez également utiliser le plasma pour attaquer directement la surface du film. Le procédé de gravure sèche est anisotrope.

Quelles sont les caractéristiques du processus de gravure dans IMS PCB ?

On peut caractériser le processus de gravure selon la technique employée, c'est-à-dire gravure humide ou gravure sèche.

Certaines des caractéristiques sont les suivantes :

• Pour la gravure humide, bien qu'elle soit peu coûteuse, vous pouvez l'utiliser pour tous les métaux des PCB IMS tout en obtenant une surface uniforme.
• La sélectivité de la gravure humide est élevée et vous pouvez effectuer le processus sur la surface sans endommager celle en dessous.
• Vous utilisez un mécanisme de pulvérisation ionique physique dans la gravure physique à sec, ce qui se traduit par une vitesse de gravure rapide.
• La gravure physique à sec permet un contrôle de la largeur de ligne qui simplifie le processus avec un profil de paroi latérale anisotrope.
• La gravure chimique sèche est un processus lent qui implique une interaction chimique entre les éléments actifs.
• Il est difficile d'obtenir un contrôle de la largeur de ligne dans la gravure chimique sèche avec un profil de paroi latérale isotrope.

Quelles alternatives de gestion thermique existe-t-il pour un PCB IMS ?

La gestion thermique est essentielle dans les cartes de forte puissance où il y a une grande dissipation de chaleur.

Si elle n'est pas gérée, l'accumulation de chaleur sur la surface d'une carte de circuit imprimé peut induire une tension qui peut entraver la fonctionnalité et même causer des dommages.

L'utilisation d'un PCB IMS est un moyen efficace de limiter l'accumulation de chaleur sur votre circuit imprimé.

Cependant, lorsque vous avez un grand nombre de couches ou que vous êtes confronté à des contraintes de coût, vous pouvez utiliser d'autres alternatives.

Les alternatives de gestion thermique pour les PCB IMS sont :

• Utilisation de vias thermiques qui sont de petits trous plaqués qui relient vos couches de PCB créant un chemin continu pour le transfert thermique.
• Utilisation de couches de cuivre épaisses pour augmenter la surface de distribution et de dissipation de la chaleur.
• Vous pouvez fixer un dissipateur de chaleur à la base de votre carte conventionnelle pour collecter la chaleur pour une élimination externe par convection.

Quelle épaisseur de cuivre pouvez-vous utiliser dans IMS PCB ?

L'épaisseur de cuivre dans la conception de votre circuit imprimé détermine la capacité de transport de courant du PCB. La mesure de l'épaisseur du cuivre est en onces, ce qui est habituellement une mesure de poids.

Cependant, la mesure en onces décrit l'épaisseur que vous obtenez lorsque vous posez le poids de cuivre dans une zone de pieds carrés.

Par exemple, un poids de cuivre d'une once atteindra une épaisseur de 1.4 mils.

Lors de la fabrication de circuits imprimés IMS, vous pouvez utiliser une épaisseur de cuivre de 0.5 oz, 1 oz, 2 oz et 3 oz.

Vous identifiez essentiellement ces poids de cuivre comme des poids de cuivre standard avec ceux de plus de 3 onces comme du cuivre épais.

Vous trouvez que l'utilisation de cuivre épais sur les PCB IMS annule les avantages de la conductivité thermique souhaités par l'utilisation d'un substrat métallique.

Comment pouvez-vous minimiser les défauts de perçage lorsque vous travaillez sur des PCB IMS ?

Le processus de perçage vous permet de créer des trous pour la fixation des composants et la connexion entre les couches.

Il s'agit d'un processus précis qui nécessite une précision dans ses performances pour éviter d'endommager la carte.

Vous pouvez rencontrer des défauts lors du perçage du processus de perçage que vous pouvez minimiser comme suit :

• Dégraissage : Vous utilisez cette procédure chimique pour éliminer la résine fondue qui s'est accumulée sur les parois du trou foré.
• Ébavurage: Utilise la motorisation pour éliminer les bavures, qui sont des extensions saillantes de cuivre qui se forment pendant le processus de forage.
• Délamination: Entraîne la séparation des couches de votre circuit imprimé pendant le processus de perçage, que vous pouvez minimiser en utilisant le perçage au laser.

Qu'est-ce que la conductivité thermique dans IMS PCB ?

La conductivité thermique se réfère uniquement à la conduction thermique mais pas à son transfert par convection ou rayonnement. Vous exprimez la conductance, influencée par la taille du PCB IMS, en utilisant le coefficient Watt par Kelvin (W/K).

Vous tenez compte de l'impédance thermique lors du choix d'un matériau pour votre PCB IMS car elle influence la conductivité thermique.

La résistance thermique d'un matériau fait référence à sa résistance interne au flux de chaleur.

Avoir un matériau à faible résistance thermique indique une plus grande capacité à conduire la chaleur.

L'impédance thermique partage des aspects similaires avec la résistance thermique mais fait référence à la constante de la surface de contact.

Lorsque la tension de rupture est insignifiante lors de la sélection du matériau, vous pouvez utiliser un diélectrique mince avec une conductivité thermique réduite.

Vous pouvez obtenir une impédance thermique similaire de cette façon.

Quelles sont les normes que vous utilisez dans la fabrication d'IMS PCB ?

Les normes sont essentielles dans l'assurance qualité des produits en guidant le processus de fabrication des PCB IMS.

Certaines normes communes incluent:

• IPC-2221 : Fournit des directives pour le processus de conception de PCB.

Il englobe des fonctionnalités telles que la disposition de conception, les matériaux, les qualités mécaniques, les listes de pièces, la gestion thermique et les propriétés électriques.

• IPC-6012B : Spécifie les exigences de certification et de performance pour la fabrication de PCB rigides.

Il spécifie les normes d'espacement des conducteurs, de soudabilité et d'intégrité structurelle pour une variété de groupes de produits.

• J-STD-001 : Spécifie les matériaux, techniques et autres exigences pour des interconnexions soudées de haute qualité.

Il met l'accent sur le contrôle des processus et met en évidence les spécifications d'une variété de produits électroniques.

• IPC-TM-650 : Ensemble de règles pour évaluer plusieurs éléments de cartes de circuits imprimés, comme tester la propension d'un PCB à la migration électrochimique de surface.

Vous pouvez également déterminer la résistance au passage du courant sur la surface du substrat et évaluer la propreté ionique d'une carte.