Newsroom

Copper coin – Efficacité et fiabilité dans la gestion thermique des circuits imprimés

by Jeffery Beauchamp, Technical / Engineering Manager - NCAB Group USA

Alors que la technologie continue d’évoluer à un rythme exponentiel, la gestion thermique devient une problématique de plus en plus importante dans la fabrication et l’assemblage des circuits imprimés. Qu’il s’agisse d’applications LED haute luminosité, d’émetteurs haute puissance ou d’une alimentation haute tension, la demande pour un meilleur transfert de chaleur et un meilleur refroidissement augmente également.

L’objectif principal de la gestion thermique est de rediriger la chaleur des composants vers un dissipateur thermique externe. Un meilleur transfert de chaleur se traduira généralement par une diminution des pannes et sera parfois un facteur décisif pour répondre aux spécifications de conception du produit.

Technologie SMI

Un moyen simple de gérer la chaleur consiste à passer du FR4, la matière standard utilisée dans les PCB multicouches, à l’utilisation de différents matériaux diélectriques thermiquement conducteurs liés à une épaisse plaque de métal appelée « metal base ». Cela augmente considérablement les performances thermiques d’un circuit imprimé. Les SMI fonctionnent en utilisant un préimprégné thermiquement conducteur entre les couches de cuivre qui attire la chaleur vers la base métallique, loin des composants. La technologie SMI peut être réalisée en une seule couche ou en multicouche sur les côtés supérieurs et inférieurs de la base métallique.

Ci-dessous, une construction MCPCB à 2 couches qui montre le transfert de chaleur du composant en surface vers la semelle métallique. Cela peut offrir une conductivité thermique allant jusqu’à 12 W/mK mais à l’heure actuelle, cette solution ne peut pas offrir de meilleurs résultats. Pour une conductivité thermique plus élevée, nous recommandons une technologie alternative telle qu’une semelle en cuivre ou du copper coin.

Une construction MCPCB à 2 couches | NCAB Group

La technologie croissante des circuits imprimés avec copper coin

Dans cet article, nous allons étudier la technologie des PCB copper coin. Le transfert de chaleur se produit à un taux plus élevé lorsque des matières à haute conductivité thermique sont utilisées. Le cuivre est extrêmement conducteur et offre une conductivité thermique de plus de 400 W/mK. D’autres matériaux comme le diamant peuvent être jusqu’à cinq fois plus conducteurs que le cuivre ! Le cuivre est l’un des meilleurs moyens de gérer la chaleur tout en conservant la conductivité électrique et/ou thermique.

Le copper coin est simplement une pièce de cuivre insérée sur (ou dans) le circuit imprimé, généralement sous le ou les composants qui doivent être refroidis. Un copper coin refroidit presque deux fois plus que des vias farm. Et au lieu d’utiliser un matériau thermiquement conducteur, le copper coin peut fournir un contact direct entre les surfaces métalliques du composant générateur de chaleur et le dissipateur thermique. La conductivité thermique du cuivre est en moyenne 30 à 200 fois supérieure à celle d’un préimprégné diélectrique conducteur.

La technologie copper coin est mieux adaptée lorsqu’il y a un nombre spécifique ou un petit nombre de composants sur un PCB responsables de la chaleur générée. Ces pièces en cuivre fournissent la solution ultime de transfert de chaleur de manière localisée sur un circuit imprimé, quel que soit le nombre de couches ou la matière. Le concept est basé sur l’insertion d’une pièce en cuivre dans une découpe préfabriquée juste sous une zone identifiée comme un point chaud, permettant à la chaleur d’être transférée directement vers un dissipateur thermique.

Le copper coin est inséré dans le circuit imprimé et peut être incorporé sous différentes formes et configurations. La configuration choisie par le concepteur reflète le compromis entre le routage et la proximité de la pièce en cuivre par rapport au composant qui doit être refroidi.

Les images 1 et 2 montrent un copper coin de la couche 1 à la couche 4, agissant comme plot et fournissant le canal de transfert de chaleur sous un composant chaud.

Image 1 – Circuit imprimé avec copper coin

Circuit imprimé avec copper coin | NCAB Group

Image 2 – Circuit imprimé avec copper coin

Circuit imprimé avec copper coin | NCAB Group

Dans d’autres cas, s’il y a des contraintes de routage particulières sous un pad d’un composant, le copper coin peut être ajusté par pression uniquement jusqu’à une couche désignée et non à travers l’ensemble du PCB.

Les images 3 et 4 montrent la mise en place d’un copper coin entre les couches 4 et 2 qui n’entre pas en contact avec la couche 1.

Image 3 – Circuit imprimé avec copper coin

Image 4 – Circuit imprimé avec copper coin

Circuit imprimé avec copper coin | NCAB Group

L’image 5 montre un exemple de pièce en forme de « T ». C’est une façon d’optimiser la surface de dissipation des copper coin dans laquelle la surface de contact avec le composant est différente de la surface de contact avec le dissipateur de chaleur. Egalement possible à l’inverse. Cet exemple vaut également si la taille du copper coin est limitée. L’utilisation d’une forme en T permet de maintenir la dimension de la pièce en cuivre au minimum, tout en créant un contact plus petit que la taille minimale requise. Les pièces en T offrent un excellent compromis en termes de performance et d’espace car cette forme permet une flexibilité avec l’espace que la pièce occupera.

Image 5 – Circuit imprimé avec copper coin

Circuit imprimé avec copper coin | NCAB Group

Bien que cette technologie soit encore relativement peu utilisée, cela fonctionne très bien lorsque le circuit imprimé est optimisé pour. Chaque fois que vous placez un copper coin dans un stack-up, il y a un besoin accru de contrôle du processus. Le copper coin est le summum du transfert thermique et peut être appliqué efficacement au niveau du circuit imprimé nu. Que vous travailliez sur une conception SMI ou copper coin, nous vous recommandons de toujours travailler avec votre fournisseur de PCB, en particulier avec ces technologies.

Please, don´t hesitate to contact us if you have questions!

Article rédigé par Celia Fernandez, PCB Engineer & Designer NCAB Group France