Главная > Новости > Содержание
Тяжелый и экстремальный медь для максимальной надежности в дизайне и изготовлении печатных плат
Jul 05, 2018

Различные продукты силовой электроники разрабатываются каждый день для целого ряда приложений. Все чаще эти проекты используют растущую тенденцию в индустрии печатных плат: тяжелые медные и крайние медные печатные платы.

Что определяет тяжелый медный контур? Большинство коммерчески доступных печатных плат изготавливаются для приложений с низким напряжением / малой мощностью, с медными трассами / плоскостями, состоящими из медных масс от ½-oz / ft2 до 3 oz / ft2. Тяжелый медный контур изготовлен с медной массой от 4 до 2 м 2 / га. Медные веса выше 20 oz / ft2 и до 200 oz / ft2 также возможны и называются крайней меди.

Для целей этого обсуждения основное внимание будет уделено тяжелой меди. Увеличенный вес меди в сочетании с подходящей подложкой и более толстым покрытием в сквозных отверстиях превращает некогда ненадежную, слабую печатную плату в прочную и надежную проводную платформу.

Конструкция тяжелого медного контура обеспечивает план с преимуществами, такими как:

Повышенная выносливость к тепловым деформациям

Увеличенная грузоподъемность

Повышенная механическая прочность на соединительных участках и в отверстиях PTH

Экзотические материалы, используемые для их полного потенциала (т. Е. Высокая температура) без обрыва цепи

Уменьшенный размер продукта за счет включения нескольких медных весов на одном и том же уровне схем (рисунок 1)

Тяжелые медные жилы имеют более высокий ток через доску и помогают переносить тепло на внешний радиатор

Встроенные радиаторы, расположенные непосредственно на поверхности доски с использованием до 200 унций медных плоскостей

Плоские плоские трансформаторы плотной плотности

Хотя недостатков мало, важно понять основную конструкцию тяжелого медного контура, чтобы в полной мере оценить его возможности и возможности применения.

Рисунок 1: Образец с медными элементами на 2 oz, 10 oz, 20 oz и 30 oz на одном слое.

Конструкция тяжелой медной цепи

Стандартные печатные платы, как двухсторонние, так и многослойные, изготавливаются с использованием комбинации процессов медного травления и плакирования. Слой цепи начинается как тонкие листы из медной фольги (обычно от 0,5 до 2 унций / фут2), которые вытравлены для удаления нежелательной меди, и покрываются, чтобы добавить толщину меда в плоскости, следы, прокладки и прорезиненные сквозные отверстия. Все слои схемы ламинируются в полную упаковку с использованием эпоксидной основы, такой как FR-4 или полиимид.

Платы, включающие тяжелые медные цепи, производятся точно так же, хотя и со специальными методами травления и нанесения покрытий, такими как высокоскоростное / ступенчатое покрытие и дифференциальное травление. Исторически сложилось так, что тяжелые медные элементы были сформированы целиком путем травления толстого слоистого материала из плакированной меди, вызывающего неровные следовые боковые стенки и недопустимое подрезание. Успехи в технологии нанесения покрытий позволили сформировать тяжелые медные элементы с комбинацией гальванизации и травления, что привело к прямым боковым стенкам и незначительному подрезанию.

Плакировка тяжелой медной цепи позволяет изготовителю картона увеличить количество толщины меди в покрытых отверстиях и через боковые стенки. Теперь можно смешивать тяжелую медь со стандартными функциями на одной плате. Преимущества включают уменьшение количества слоев, распределение мощности с низким импедансом, меньшие отпечатки и потенциальную экономию затрат.

Обычно схемы с большим током / мощностью и их схемы управления были изготовлены отдельно на отдельных платах. Тяжелое медное покрытие позволяет интегрировать сильноточные схемы и схемы управления для реализации очень плотной, но простой структуры платы.

Сильные медные элементы могут быть легко подключены к стандартным схемам. Тяжелая медь и стандартные функции могут быть размещены с минимальными ограничениями, если дизайнер и изготовитель обсуждают производственные допуски и способности до окончательной разработки (рисунок 2).

Рисунок 2: Характеристики 2-унций подключают схемы управления, а характеристики 20 унций несут большие токи.

Текущая пропускная способность и повышение температуры

Сколько тока может медная цепь безопасно носить? Это вопрос, который часто озвучивают дизайнеры, которые хотят включить в свой проект тяжелые медные схемы. На этот вопрос обычно отвечает другой вопрос: сколько тепла может выдержать ваш проект? Этот вопрос задается, потому что подъем тепла и текущий поток идут рука об руку. Давайте попробуем ответить на оба этих вопроса вместе.

Когда ток течет по трассе, есть I2R (потеря мощности), что приводит к локализованному нагреву. След охлаждается путем проводимости (в соседние материалы) и конвекции (в окружающую среду). Поэтому, чтобы найти максимальный ток, который можно безопасно переносить, мы должны найти способ оценить рост тепла, связанный с приложенным током. Идеальной ситуацией было бы достижение стабильной рабочей температуры, где скорость нагрева равна скорости охлаждения. К счастью, у нас есть формула IPC, которую мы можем использовать для моделирования этого события.

IPC-2221A: расчет текущей емкости внешней дорожки [1]:

I = .048 * DT (.44) * (W * Th) (725)

Где I ток (ампер), DT - повышение температуры (° C), W - ширина следа (mil), а Th - толщина следа (mil). Внутренние следы должны снижаться на 50% (оценка) при одинаковой степени нагрева. Используя формулу IPC, мы создали Рисунок 3, показывающий пропускную способность нескольких следов различных областей поперечного сечения с повышением температуры 30 ° C.

Рисунок 3: Приблизительный ток для заданных размеров дорожки (повышение температуры 20 ° C).

То, что составляет приемлемое количество тепла, будет отличаться от проекта к проекту. Большинство диэлектрических материалов на печатной плате могут выдерживать температуры на 100 ° C выше окружающей среды, хотя это изменение температуры было бы неприемлемым в большинстве ситуаций.

Сила цепи и ее живучесть

Производители и дизайнеры печатных плат могут выбирать из различных диэлектрических материалов: от стандартного FR-4 (рабочая температура 130 ° C) до высокотемпературного полиимида (рабочая температура 250 ° C). Ситуация с высокой температурой или экстремальной окружающей средой может потребовать экзотического материала, но если трассировка цепи и просеянные сквозные отверстия будут стандартными 1 oz / ft2, они выживут в экстремальных условиях? Промышленная печатная плата разработала метод испытаний для определения тепловой целостности готового изделия. Термические деформации исходят из различных процессов изготовления, сборки и ремонта плат, где различия между коэффициентом теплового расширения (CTE) Cu и ламината PWB обеспечивают движущую силу зарождения трещины и роста до отказа схемы. Тестирование термического цикла (TCT) проверяет увеличение сопротивления цепи при его термическом циклировании от воздуха от 25 ° C до 260 ° C.

Увеличение сопротивления указывает на пробой электрической целостности через трещины в медном контуре. Стандартная конструкция купона для этого испытания использует цепочку из 32 покрытых сквозных отверстий, которая долгое время считалась самой слабой точкой в цепи при термическом напряжении.

Исследования теплового цикла, выполненные на стандартных досках FR-4 с медной обшивкой 0,8 мм и 1,2 мм, показали, что 32% цепей не срабатывают после восьми циклов (20% -ное увеличение сопротивления считается провалом). Исследования термического цикла, проведенные на экзотических материалах, показывают значительное улучшение этой частоты отказов (3% после восьми циклов для сложного эфира цианата), но являются чрезмерно дорогостоящими (в 5-10 раз материалами) и их трудно обрабатывать. В среднем по технологии поверхностного монтажа перед транспортировкой должно быть не менее четырех термических циклов, и можно было увидеть еще два тепловых цикла для каждого ремонта компонентов.

Для платы SMOBC, которая прошла цикл ремонта и замены, не является необоснованным, чтобы достичь в общей сложности девяти или десяти термических циклов. Результаты TCT ясно показывают, что частота отказов, независимо от того, какой материал платы, может стать неприемлемой. Производители печатных плат знают, что гальванизация меди не является точной наукой - изменяет текущие плотности по всей доске и через многочисленные отверстия / через размеры приводит к изменениям толщины меди до 25% или более. Большинство областей «тонкой меди» находятся на стенах с прорезанными отверстиями - результаты TCT ясно показывают, что это так.

Использование тяжелых медных цепей вообще уменьшит или устранит эти сбои. Покрытие 2-oz / ft2 меди на стенку отверстия уменьшает частоту отказов до почти нуля (результаты TCT показывают показатель отказов 0,57% после восьми циклов для стандартного FR-4 с минимальным покрытием меди толщиной 2,5 мм). По сути, медный контур становится непроницаемым для механических напряжений, наложенных на него посредством термоциклирования.

Управление температурным режимом

Поскольку разработчики стремятся получить максимальную отдачу от своих проектов, их печатные схемы становятся все более сложными и приводятся к более высокой плотности мощности. Миниатюризация, использование силовых компонентов, экстремальные условия окружающей среды и сильноточные требования повышают важность управления температурой. Более высокие потери в виде тепла, которые часто возникают при работе электроники, должны рассеиваться от источника и излучаться в окружающую среду; в противном случае компоненты могут перегреться и могут возникнуть сбои. Тем не менее, тяжелые медные цепи могут помочь, уменьшив потери I2R и проводя тепло от ценных компонентов, резко снижая частоту отказов.

Для обеспечения правильной теплоотдачи от источников тепла на и на поверхности печатной платы используются радиаторы. Целью любого радиатора является рассеивание тепла от источника генерации за счет проводимости и выделение этого тепла путем конвекции в окружающую среду. Источник тепла с одной стороны платы (или внутренних источников тепла) соединен медными перегородками (иногда называемыми «тепловыми переходами») с большой оголенной медью на другой стороне платы.

Как правило, классические радиаторы соединены с этой голой поверхностью меди с помощью теплопроводного клея или, в некоторых случаях, приклеены или закреплены болтами. Большинство радиаторов выполнены из меди или алюминия. Процесс сборки, необходимый для классических радиаторов, состоит из трех трудоемких и дорогостоящих шагов.

Для начала, металл, служащий в качестве радиатора, должен быть пробит или отрезан до необходимой формы. Клейкий слой также должен быть разрезан или штампован для точной подгонки между печатной платой и радиатором. И последнее, но не менее важное: радиатор должен быть правильно установлен на печатной плате, и вся упаковка должна быть покрыта для электрической и / или коррозионной стойкости подходящим лаком или покрывающим слоем.

Обычно вышеуказанный процесс не может быть автоматизирован и должен выполняться вручную. Время и работа, необходимые для завершения этого процесса, значительны, и результаты уступают механически автоматизированному процессу. Напротив, встроенные радиаторы создаются в процессе изготовления печатной платы и не требуют дополнительной сборки. Технология тяжелых медных схем делает это возможным. Эта технология позволяет добавлять толстые медные радиаторы практически в любом месте на внешних поверхностях платы. Теплоотводы гальванизированы на поверхности и, таким образом, соединены с теплопроводящими впадинами без каких-либо интерфейсов, которые препятствуют теплопроводности.

Другим преимуществом является добавление меди в тепловых переходах, что снижает термостойкость конструкции платы, понимая, что они могут рассчитывать на такую же степень точности и повторяемости, что и в производстве печатных плат. Поскольку плоские обмотки на самом деле представляют собой плоские проводящие следы, сформированные на ламинированном медью, улучшают общую плотность тока по сравнению с цилиндрическими проводниками. Это преимущество связано с минимизацией скин-эффекта и повышением эффективности тока.

Бортовые плоскости обеспечивают отличную диэлектрическую изоляцию от первичной и вторичной и вторичной, поскольку между всеми слоями используется один и тот же диэлектрический материал, обеспечивающий полную герметизацию всех обмоток. Кроме того, первичные обмотки могут разливаться так, чтобы вторичные обмотки были зажаты между праймерами, достигая низкой индуктивности утечки. Стандартные технологии ламинирования печатных плат с использованием различных эпоксидных смол могут безопасно сэндвич до 50 слоев медных обмоток толщиной до 10 унций / фут2.

При производстве тяжелых медных цепей мы обычно имеем дело со значительной толщиной покрытия; поэтому необходимо учитывать допуски при определении расстояний и размеров проводов. По этой причине проектировщикам рекомендуется иметь изготовителя доски на борту в начале процесса проектирования.

Изделия силовой электроники, использующие тяжелые медные схемы, уже много лет используются в военной и аэрокосмической промышленности и набирают обороты в качестве технологии выбора в промышленном применении. Считается, что требования рынка будут распространять применение этого типа продукта в ближайшем будущем.

Рекомендации:

1. IPC-2221A