Les circuits imprimés en oxyde d'aluminium améliorent la gestion thermique dans l'électronique

Dans les industries où les températures élevées, les hautes fréquences et les conditions difficiles sont la norme, les cartes de circuits imprimés (PCB) conventionnelles sont souvent insuffisantes. Les PCB en céramique d'alumine (Al ₂ O ₃ ) sont apparus comme une alternative supérieure, offrant des propriétés thermiques, électriques et mécaniques exceptionnelles. Avec une composition de 96 % d'alumine, ces substrats céramiques sont de plus en plus adoptés dans diverses applications, de l'éclairage LED aux dispositifs médicaux.

La céramique d'alumine à 96 % est le matériau le plus largement utilisé pour les PCB et les emballages en céramique en raison de ses performances équilibrées et de sa rentabilité. Ses propriétés notables comprennent :

• Gestion thermique : Avec une conductivité thermique de 22 à 24 W/mK, l'alumine dissipe efficacement la chaleur ou permet un chauffage uniforme, ce qui est essentiel pour l'électronique de puissance et les LED haute luminosité.
• Compatibilité haute fréquence : Une faible constante diélectrique (9,8 à 1 MHz) et une perte diélectrique minimale garantissent l'intégrité du signal dans les applications RF et micro-ondes.
• Robustesse mécanique : Une résistance à la flexion de 400 MPa et une absorption d'eau quasi nulle (0 %) en font le matériau idéal pour les environnements difficiles et les emballages hermétiques.
• Stabilité thermique : Fonctionne jusqu'à 350 °C avec un faible coefficient de dilatation thermique (6 à 8 ppm/°C), ce qui réduit la contrainte des joints de soudure.

La polyvalence des PCB en alumine permet leur utilisation dans des domaines spécialisés :

• Éclairage LED : Une réflectivité élevée (94 %) et une dissipation thermique améliorent la luminosité et la longévité.
• Électronique médicale : La biocompatibilité et la fiabilité répondent aux normes de sécurité strictes pour les dispositifs implantables et de diagnostic.
• Électronique de puissance : Gère les densités de courant élevées dans les entraînements de moteurs et les convertisseurs de puissance.
• Aérospatiale et automobile : Résiste aux vibrations, aux cycles thermiques et aux environnements corrosifs.

Deux méthodes principales sont utilisées pour métalliser les substrats en alumine :

• Impression en film épais : Utilise des pâtes d'argent (Ag), adaptées aux conceptions multicouches et aux applications à haute température.
• Cuivre plaqué direct (DPC) : Électrodépose du cuivre (Cu) pour une conductivité supérieure, préféré pour les circuits haute puissance et haute fréquence.

Les finitions de surface telles que ENIG (Nickel Immersion Or sans électrolyse) ou les masques de soudure à base de verre améliorent encore la durabilité, en particulier dans les environnements riches en soufre.

Bien que les PCB en alumine présentent des similitudes avec les cartes FR4 traditionnelles, les concepteurs doivent tenir compte de :

• Mésadaptation de la dilatation thermique : Assurer des matériaux compatibles pour les composants attachés afin d'éviter les fissures.
• Limitations de couche : Les processus standard prennent en charge jusqu'à 4 couches, bien que des techniques avancées puissent en permettre davantage.
• Taille du panneau : Les panneaux de production typiques atteignent au maximum 180 × 180 mm (7 × 7 pouces).

Bien que les PCB en alumine soient plus chers que les FR4, ils surpassent les alternatives à cœur métallique (par exemple, IMS) dans les conceptions intégrées. En éliminant la barrière thermique des couches diélectriques dans les PCB à cœur métallique, l'alumine atteint une résistance thermique globale plus faible malgré sa conductivité modeste.

Pour les projets sensibles aux coûts, la réduction de la taille de la carte et l'exploitation des possibilités d'intégration (par exemple, les composants intégrés) peuvent compenser les dépenses de matériel.