Pour contrôler les courants des entraînements et des alimentations électriques grâce à une électronique intelligente, il est essentiel de maîtriser l'équilibre entre puissance et microélectronique. Cet article décrit différentes variantes d'une technologie unique et diversifiée de circuits imprimés à courant élevé, compatibles avec des courants allant jusqu'à 1,000 XNUMX A. Au cœur de cette technologie se trouvent des barres de cuivre intégrées qui dépassent de la surface pour entrer en contact avec les CMS et autres composants de puissance.
Afin de combler l'écart entre les conducteurs à courant fort et les composants électroniques, un certain nombre de câbles, de matériel de montage et d'interposeurs sont généralement nécessaires, surtout si des CMS sont utilisés. L'objectif est d'intégrer des jeux de barres dans les circuits imprimés afin de réduire le volume de construction et les efforts d'assemblage des systèmes, et de combiner les courants d'entraînement et d'alimentation ainsi que les commandes électroniques.
Il existe plusieurs technologies de circuits imprimés conçues pour les applications de puissance. Parmi celles-ci, on trouve les multicouches avec des épaisseurs de couche de cuivre accrues, jusqu'à 400 micromètres, qui peuvent être nivelées au niveau des couches supérieures. De plus, plusieurs techniques reposent sur une augmentation sélective de la section transversale du cuivre, comme la technique iceberg, la technique de pose de fils et l'enrobage partiel de laminés de cuivre épais.
Technologie d'entraînement : Optimiser les circuits imprimés à courant élevé pour les commandes de moteurs
Cet article compare trois technologies de circuits imprimés pour circuits imprimés à courant élevé : Dickschicht, Iceberg et HSMtec. La topologie et la conception des circuits imprimés influencent la capacité de transport de courant et la dissipation thermique des semi-conducteurs de puissance.
Des technologies adaptées permettent de combiner le circuit de charge et le conducteur fin pour les signaux logiques sur un circuit imprimé FR4. Cela permet de gagner de la place et d'éviter la technologie de connexion traditionnelle avec des cartes séparées, ce qui augmente la fiabilité de la commande moteur. Le développeur de circuits imprimés peut optimiser la capacité de charge et la dissipation thermique des semi-conducteurs de puissance en fonction de sa tâche.
Du point de vue du circuit imprimé, les spécifications de l'électronique d'entraînement peuvent être résumées en cinq points : 1) densité d'intégration élevée, 2) fiabilité de l'assemblage électronique, 3) dissipation thermique rapide, 4) courants élevés combinés à l'électronique de commande et 5) coûts système réduits, par exemple en passant à des composants CMS, moins de composants ou de processus d'assemblage.
Une solution intelligente consiste à combiner la partie puissance et l'électronique de commande, c'est-à-dire les circuits de charge et la logique de commande, plutôt que deux circuits imprimés sur un seul. Cependant, cela nécessite des sections de conducteurs importantes et des distances d'isolation importantes pour les conducteurs à courant fort, ainsi que des structures conductrices fines pour la commande sur une seule et même carte. Cela élimine les connecteurs, câbles et jeux de barres coûteux, ainsi que les étapes d'assemblage et les risques qui limitent la fiabilité. Le spécialiste des circuits imprimés KSG dispose de trois technologies pour cela : le cuivre épais, l'iceberg et la technologie HSMtec. Ces trois procédés utilisent le matériau de base standard FR4.
Contact sécurisé avec circuit imprimé à courant élevé
Toutes ces technologies ont un point commun : la section transversale entre les couches du circuit imprimé à courant élevé et les connexions des composants montés en surface ou des connexions vissées est généralement insuffisante. Les vias forment un goulot d'étranglement pour les courants de la taille souhaitée. De plus, les fiches, vis et pinces à enfoncer ne garantissent pas un contact fiable avec les couches. Seule une soudure propre des connexions assure une connexion continue des composants à toutes les couches. Cependant, plus l'épaisseur totale de cuivre est élevée, plus la pénétration de la soudure est risquée.
En revanche, quelle que soit la conception, le circuit imprimé haute intensité assure le contact avec les composants et les connexions grâce à la section maximale du conducteur (figure 2 ci-dessous). Ainsi, les composants SM et THT peuvent être combinés avec des semi-conducteurs de puissance collés, des contacts à insertion et des connexions à vis sans créer de goulot d'étranglement dans le trajet du courant. Parallèlement, le jeu de barres fait office de dissipateur thermique. Les composants sont en contact direct avec cette masse thermique et bénéficient ainsi d'un refroidissement optimal.
Conception, production et traitement de circuits imprimés à courant élevé
Contrairement aux jeux de barres classiques utilisés en électrotechnique, le circuit imprimé haute intensité utilise des pièces en cuivre de forme individuelle. La forme et la position des pièces en cuivre sont librement définies. Le concepteur peut ainsi disposer les composants et les connexions de manière à créer un module compact aux fonctions thermiques et électriques optimisées.
Chaque projet à courant fort ayant ses propres caractéristiques, il est difficile d'établir des règles de conception générales. En fonction de la taille et de la forme des pièces en cuivre et des barres isolantes, les limites de conception de chaque projet doivent être vérifiées. Les valeurs indicatives fournissent une indication approximative pour la conception.
Pour fabriquer un circuit imprimé à courant élevé, les pièces en cuivre sont d'abord fabriquées. Selon la taille, la forme et le nombre de pièces, cette opération est réalisée par gravure, fraisage ou poinçonnage. Les pièces en cuivre sont placées dans des cadres pré-usinés, puis pressées avec des préimprégnés et éventuellement d'autres couches.
L'un des avantages du circuit imprimé haute intensité réside dans son traitement. Grâce à l'intégration des barres omnibus, le circuit imprimé haute intensité, hormis son poids, est invisible des autres circuits imprimés. Il peut être traité par des procédés CMS conventionnels si le profil est réglé sur une masse thermique plus élevée. L'expérience montre que ces procédés de soudure sont parfaitement maîtrisés. En revanche, la réparation des composants en contact direct avec le rail haute intensité est plus complexe que celle des assemblages plats classiques.
Variantes technologiques des circuits imprimés à courant élevé
Le plein potentiel de la carte PCB à courant élevé devient évident lorsque vous considérez les variations possibles.
Cette technologie offre un avantage maximal lorsque les pièces en cuivre sont façonnées de manière à atteindre la surface et à affleurer les autres pastilles situées en haut et/ou en bas (Fig. 1). On obtient ainsi un circuit imprimé parfaitement plat, qui peut être usiné ultérieurement lors de l'impression et de l'assemblage sans ajustement. Les cosses de câbles, les modules et les composants vissables sont également plus faciles à connecter à la position haute tension.
Dans une autre version de la technologie, la couche à courant élevé dépasse latéralement du bord du circuit imprimé. Ces contacts peuvent être utilisés directement comme fiches ou être contactés comme l'extrémité d'un jeu de barres classique.
Les deux variantes suivantes du circuit imprimé à courant élevé sont plus adaptées aux courants élevés qu'aux composants de refroidissement.
Si les pièces en cuivre présentent des surfaces de connexion CMS vers le haut et vers le bas, elles fonctionnent comme des inserts de circuits imprimés classiques. Ces inserts sont pressés dans les découpes des circuits imprimés pour conduire la chaleur des composants de puissance du haut vers le bas. Les pièces en cuivre intégrées (Fig. 9) se distinguent des inserts classiques par leur fabrication et leur traitement plus fiables, car elles ne subissent aucune contrainte mécanique sur le circuit imprimé. De plus, la taille et la position des pastilles peuvent être choisies indépendamment. Une connexion électrique est également possible sans effort supplémentaire.
La dernière variante du circuit imprimé haute intensité est une version unilatérale (figures 10 et 11). Des pastilles de cuivre en relief dépassent de l'isolation d'une fine couche isolante pour ensuite être mises en contact direct avec les connexions des composants correspondants, comme contacts de dissipateur thermique CMS. Contrairement aux substrats en aluminium IMS, cette version est dépourvue de couche isolante, ce qui permet de dissiper des puissances nettement supérieures. De telles constructions sont utilisées, entre autres, pour les LED hautes performances jusqu'à 10 W.
Avec le circuit imprimé à courant élevé, Technologie MOKO élargit sa gamme de technologies dans le domaine de la gestion thermique avec un autre composant important :
Le cuivre massif est intégré dans le circuit imprimé et peut être monté directement sur les pastilles CMS qui atteignent la surface.
Structure d'un circuit imprimé CMS à courant élevé
Le circuit imprimé à courant élevé peut également être contacté avec d'autres technologies d'assemblage et de connexion :
– Soudure par refusion/vague CMS / THT – Soudage par fil d'aluminium
– Vis : œillets / trous filetés
– Trous borgnes des couches extérieures
– Connecteur à courant élevé à technologie Press-Fit
Dans de nombreux cas, l'effort supplémentaire nécessaire à la production de circuits imprimés à courant élevé peut être réduit en partie grâce à des processus de fabrication spécialement mis en œuvre et en partie grâce à un contrôle optimisé des processus standard.
Les circuits imprimés en cuivre épais répartissent les pertes de puissance horizontalement
La technologie du cuivre épais est établie sur le marché depuis de nombreuses années et produite en grandes quantités. L'industrie des circuits imprimés utilise généralement du cuivre épais pour les structures en cuivre ≥ 105 µm. Les conducteurs en cuivre épais assurent une meilleure répartition horizontale de la chaleur des fortes pertes de puissance des composants de puissance et/ou le transport des courants élevés. Ils remplacent les constructions embouties et pliées des jeux de barres dans les applications de circuits imprimés à courant élevé. Avec jusqu'à quatre couches internes, chacune de 400 µm de cuivre, une capacité de transport de courant de plusieurs centaines d'ampères est possible. Idéalement, les conducteurs en cuivre épais sont situés dans les couches internes.
La flexibilité de modification de la disposition, la conception compacte, la simplicité d'usinage et d'assemblage, les coûts de modification relativement faibles et les processus standard de l'industrie des circuits imprimés plaident en faveur des circuits imprimés en cuivre épais. Bien que les étapes de fabrication d'un circuit imprimé en cuivre épais ne diffèrent pas sensiblement de la cadence standard d'un circuit imprimé classique, sa production requiert une expérience et une gestion de processus spécifiques. Un circuit imprimé en cuivre épais reste 10 à 15 fois plus longtemps sur la ligne de gravure et présente un profil de gravure typique. Les processus de gravure et de perçage des circuits imprimés en cuivre épais déterminent les règles de conception du schéma de circuit et doivent être respectés. Le fabricant de circuits imprimés propose une liste de suggestions pour une construction et une conception optimisées en termes de coûts et de processus.
Important à savoir : les stratifiés FR4 avec un revêtement en cuivre de base ≥ 105 µm sont plus coûteux en raison de leur forte teneur en cuivre. Comparé à un stratifié standard laminé sur les deux faces avec 18 µm, le facteur de coût du matériau est d'environ 1:8 à 1:10. Le développeur de circuits imprimés doit veiller à une utilisation maximale du matériau. Une coordination précoce avec le fabricant de circuits imprimés permet de réduire considérablement les coûts. En matière de miniaturisation, la technologie du cuivre épais est limitée. En raison de la forte contre-dépouille, seules des structures relativement grossières peuvent être créées. Autre limite : le câblage fin des signaux n'est pas possible au même niveau de câblage que le conducteur en cuivre épais.
Iceberg : pour une topographie de surface uniforme
Au niveau du câblage, on trouve des zones de cuivre de 70 à 100 µm pour la logique et des zones jusqu'à 400 µm pour la charge. Le cuivre épais est en grande partie noyé dans le circuit imprimé, ce qui crée une topographie de surface uniforme sur l'ensemble du réseau conducteur. Le principe de l'iceberg peut également être combiné avec du cuivre épais sur les couches internes.
L'intégration des deux tiers de la zone de cuivre de 400 µm d'épaisseur dans le matériau de base crée une surface de circuit imprimé plane. Avantage : les flancs conducteurs peuvent être recouverts d'un masque de soudure en toute fiabilité en une seule coulée. L'assemblage ultérieur est possible sur un seul niveau. Les structures Iceberg conviennent également comme dissipateurs thermiques pour les composants de puissance et peuvent être combinées à des trous métallisés (vias) pour optimiser la gestion thermique.
HSMtec : éléments en cuivre dans les couches intérieures et extérieures
HSMtec est une autre méthode permettant de combiner charge et logique sur un circuit imprimé. Des éléments en cuivre massif sont installés de manière sélective dans les couches internes et sous les couches externes du multicouche FR4, aux points de passage de courants élevés, puis liés par ultrasons au cuivre de base des motifs conducteurs gravés. Après pressage des couches, les profils de cuivre sont placés sous les couches externes et/ou dans les couches internes du multicouche. Le reste du circuit imprimé reste inchangé.
Le multicouche est fabriqué selon le procédé de fabrication standard, puis transformé selon les procédés habituels d'assemblage et de brasage. Grâce à cette structure, les spécifications électriques des machines en termes de rigidité diélectrique et de classes d'isolation sont respectées, ainsi que les conditions de température exigeantes dans un espace d'installation limité dans les véhicules.
Les profilés en cuivre massif à l'intérieur du multicouche permettent également des constructions tridimensionnelles. Un fraisage en entaille perpendiculaire aux profilés en cuivre permet de plier des segments du circuit imprimé jusqu'à 90°. L'espace d'installation est ainsi optimisé et le courant et la chaleur élevés sont évacués par le bord de pliage. La construction est conçue comme un circuit imprimé bidimensionnel, fabriqué et assemblé dans le panneau. Après assemblage ou montage du module, le circuit imprimé est plié pour lui donner sa forme tridimensionnelle.
Le logiciel aide les développeurs à dimensionner les pistes conductrices à courant fort. En quelques entrées, telles que le courant et la température, le calculateur fournit la section de fil minimale pour HSMtec ainsi que pour les gaines en cuivre de 70 et 105 µm.
