Ciężka i ekstremalna miedź zapewniająca maksymalną niezawodność w projektowaniu i wytwarzaniu płytek drukowanych
Jul 05, 2018

Różne produkty energoelektroniki są projektowane codziennie dla różnych zastosowań. Coraz częściej projekty te wykorzystują rosnący trend w branży obwodów drukowanych: ciężkie miedziane i ekstremalnie miedziane PCB.

Co definiuje ciężki obwód miedziany? Większość dostępnych na rynku płytek drukowanych jest produkowanych dla zastosowań niskonapięciowych / niskonapięciowych, z miedzianymi śladami / płaszczyznami wykonanymi z miedzi o wadze od ½-oz / ft2 do 3-oz / ft2. Ciężki obwód miedziany jest wytwarzany z miedzią w dowolnym miejscu między 4 uncjami / ft2 do 20 uncji / ft2. Miedź o masie powyżej 20 uncji / stopę2 i do 200 uncji / ft2 są również możliwe i są określane jako ekstremalna miedź.

Na potrzeby tej dyskusji skoncentrujemy się przede wszystkim na ciężkiej miedzi. Zwiększona masa miedzi w połączeniu z odpowiednim podłożem i grubszym poszyciem w otworach przelotowych przekształca niegdyś zawodną, słabą płytkę drukowaną w trwałą i niezawodną platformę okablowania.

Konstrukcja ciężkiego obwodu miedzianego zapewnia płytę z korzyściami takimi jak:

Zwiększona wytrzymałość na obciążenia termiczne

Zwiększona obciążalność prądowa

Zwiększona wytrzymałość mechaniczna w miejscach złącz i otworach PTH

Materiały egzotyczne wykorzystane do pełnego potencjału (tj. Wysoka temperatura) bez awarii obwodu

Zredukowany rozmiar produktu poprzez włączenie wielu mas miedzi na tej samej warstwie zespołu obwodów elektrycznych (Rysunek 1)

Ciężkie miedziane przelotki przenoszą większy prąd przez płytę i pomagają przenosić ciepło do zewnętrznego radiatora

Pokładowe radiatory są bezpośrednio nakładane na powierzchnię płyty za pomocą miedzianych samolotów o grubości do 120 uncji

Pokładowe transformatory planarne o dużej gęstości mocy

Chociaż wad jest niewiele, ważne jest, aby zrozumieć podstawową konstrukcję ciężkiego obwodu miedzianego, aby w pełni docenić jego możliwości i potencjalne zastosowania.

Rysunek 1: Próbka zawierająca 2-oz, 10-oz, 20-oz i 30-oz miedziane cechy na tej samej warstwie.

Budowa obwodów o wysokiej zawartości miedzi

Standardowe płytki drukowane, zarówno dwustronne, jak i wielowarstwowe, są wytwarzane z wykorzystaniem procesów trawienia miedzi i galwanizacji. Warstwy obwodu zaczynają się od cienkich arkuszy folii miedzianej (generalnie od 0.5 oz / ft2 do 2 oz / ft2), które są wytrawiane w celu usunięcia niechcianej miedzi i platerowane w celu dodania grubości miedzi do płaszczyzn, śladów, podkładek i platerowanych otworów przelotowych. Wszystkie warstwy obwodu są laminowane w kompletne opakowanie z użyciem podłoża na bazie epoksydu, takiego jak FR-4 lub poliimid.

Płyty zawierające ciężkie obwody miedziane są wytwarzane dokładnie w ten sam sposób, aczkolwiek przy użyciu specjalistycznych technik trawienia i powlekania, takich jak szybkie / stopniowe powlekanie i trawienie różnicowe. Historycznie, ciężkie miedziane cechy zostały utworzone całkowicie przez wytrawianie grubego, pokrytego miedzią laminowanego materiału płytowego, powodując nierównomierne ślady ścianek bocznych i niedopuszczalne podcięcie. Postępy w technologii galwanizacji umożliwiły tworzenie ciężkich elementów miedzianych z połączeniem poszycia i wytrawiania, co skutkuje prostymi ściankami bocznymi i pomijalnym podcięciem.

Poszycie ciężkiego obwodu miedzianego umożliwia producentowi płyt zwiększenie grubości miedzi w platerowanych otworach i ścianach bocznych. Teraz można łączyć ciężką miedź ze standardowymi funkcjami na jednej płycie. Zalety to zmniejszenie liczby warstw, dystrybucja mocy o niskiej impedancji, mniejsze rozmiary i potencjalne oszczędności.

Zwykle obwody wysokiego / wysokiego napięcia i ich obwody sterujące były wytwarzane oddzielnie na osobnych płytach. Ciężkie miedziowanie pozwala na integrację obwodów wysokoprądowych i obwodów sterowania w celu uzyskania bardzo gęstej, a jednocześnie prostej struktury płyty.

Ciężkie miedziane elementy można bezproblemowo podłączyć do standardowych obwodów. Ciężką miedź i standardowe cechy można umieszczać z minimalnymi ograniczeniami, pod warunkiem, że projektant i wykonawca omawiają tolerancje i zdolności produkcyjne przed ostatecznym projektem (rysunek 2).

Rysunek 2: Cechy 2-oz łączą obwody sterujące, podczas gdy 20-ozowe funkcje przenoszą obciążenia wysokoprądowe.

Aktualna zdolność przenoszenia i wzrost temperatury

Ile prądu może bezpiecznie mieścić obwód miedziany? Jest to pytanie często wyrażane przez projektantów, którzy chcą włączyć do swojego projektu ciężkie obwody miedziane. Na to pytanie zazwyczaj odpowiada inne pytanie: Jak duży wzrost temperatury może wytrzymać twój projekt? To pytanie zostało postawione, ponieważ wzrost temperatury i przepływ prądu idą w parze. Spróbujmy wspólnie odpowiedzieć na oba te pytania.

Gdy prąd płynie wzdłuż śladu, występuje I2R (utrata mocy), która powoduje miejscowe ogrzewanie. Ślad chłodzi się przez przewodzenie (do sąsiednich materiałów) i konwekcję (do otoczenia). Dlatego, aby znaleźć maksymalny prąd, który można bezpiecznie przenieść, musimy znaleźć sposób na oszacowanie wzrostu ciepła związanego z zastosowanym prądem. Idealną sytuacją byłoby osiągnięcie stabilnej temperatury pracy, w której szybkość ogrzewania jest równa szybkości chłodzenia. Na szczęście mamy formułę IPC, której możemy użyć do modelowania tego zdarzenia.

IPC-2221A: obliczanie aktualnej przepustowości toru zewnętrznego [1]:

I = 0,048 * DT (.44) * (W * Th) (. 725)

Gdzie ja jest prądem (wzmacniacze), DT jest wzrostem temperatury (° C), W jest szerokością śladu (mil), a Th jest grubością śladu (mil). Wewnętrzne ślady powinny być obniżone o 50% (oszacowanie) dla tego samego stopnia ogrzewania. Korzystając z formuły IPC, wygenerowaliśmy rysunek 3, pokazujący nośność prądową kilku śladów różnych obszarów przekroju poprzecznego przy wzroście temperatury o 30 ° C.

Rysunek 3: Przybliżony prąd dla danych wymiarów toru (wzrost temperatury o 20 ° C).

Co stanowi dopuszczalną ilość wzrostu ciepła, będzie różnić się od projektu do projektu. Większość materiałów dielektrycznych na płytce może wytrzymać temperaturę 100 ° C powyżej temperatury otoczenia, chociaż taka zmiana temperatury byłaby w większości sytuacji nie do przyjęcia.

Wytrzymałość i wytrzymałość obwodów drukowanych

Producenci i projektanci płytek drukowanych mogą wybierać spośród różnych materiałów dielektrycznych, od standardowego FR-4 (temperatura robocza 130 ° C) po wysokotemperaturowy poliimid (temperatura pracy 250 ° C). Wysoka temperatura lub ekstremalne warunki środowiskowe mogą wymagać egzotycznego materiału, ale jeśli ślady obwodu i platerowane przelotkami są standardowe 1-oz / ft2, czy przetrwają w ekstremalnych warunkach? Branża obwodów drukowanych opracowała metodę testową do określania integralności termicznej produktu z gotowym obwodem. Naprężenia termiczne pochodzą z różnych procesów wytwarzania płyt, montażu i napraw, w których różnice między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE) Cu i laminatu PWB zapewniają siłę napędową do pękania pęknięć i wzrostu do uszkodzenia obwodu. Testy cyklu termicznego (TCT) sprawdzają wzrost rezystancji obwodu podczas cyklu termicznego powietrze-powietrze z 25 ° C do 260 ° C.

Wzrost rezystancji wskazuje na uszkodzenie integralności elektrycznej poprzez pęknięcia w obwodzie miedzianym. Standardowy projekt kuponu dla tego testu wykorzystuje łańcuch 32 plated otworów przelotowych, które od dawna uważa się za najsłabszy punkt w obwodzie, gdy poddany jest stresowi termicznemu.

Badania cyklu termicznego wykonane na standardowych płytach FR-4 z miedzią o grubości od 0,8 do 1,2-milimetra wykazały, że 32% obwodów zawodzi po ośmiu cyklach (wzrost odporności o 20% uważany jest za awarię). Badania cyklu termicznego wykonane na egzotycznych materiałach wykazują znaczną poprawę tej awaryjności (3% po ośmiu cyklach dla estru cyjanianowego), ale są zaporowo kosztowne (pięć do 10 razy koszty materiału) i trudne do przetworzenia. Średni montaż powierzchniowy spotyka się z minimum czterema cyklami termicznymi przed wysyłką i można zobaczyć dodatkowe dwa cykle termiczne dla każdej naprawy części.

To nie jest nieuzasadnione dla płyty SMOBC, która przeszła cykl naprawy i wymiany, aby osiągnąć w sumie dziewięć lub 10 cykli termicznych. Wyniki TCT wyraźnie pokazują, że wskaźnik awaryjności, bez względu na materiał płyty, może stać się nie do przyjęcia. Producenci płytek z obwodami drukowanymi wiedzą, że galwanizacja miedzią nie jest nauką ścisłą - zmiany gęstości prądu na płytce i dzięki licznym otworom / rozmiarom otworów powodują różnice w grubości miedzi do 25% lub więcej. Większość obszarów "cienkiej miedzi" znajduje się na platerowanych ścianach - wyniki TCT wyraźnie pokazują, że tak właśnie jest.

Używanie ciężkich obwodów miedzianych zmniejszyłoby lub całkowicie wyeliminowało te awarie. Pokrycie 2-oz / ft2 miedzi do ściany otworu zmniejsza awaryjność prawie do zera (wyniki TCT pokazują wskaźnik awaryjności 0,57% po ośmiu cyklach dla standardowego FR-4 z minimum 2,5-milowym poszyciem miedzi). W efekcie obwód miedzi staje się nieprzepuszczalny dla naprężeń mechanicznych, które są na nim umieszczane przez cykl termiczny.

Zarządzanie termiczne

Ponieważ projektanci dążą do uzyskania maksymalnej wartości i wydajności swoich projektów, obwody drukowane stają się coraz bardziej złożone i są przenoszone do wyższych gęstości mocy. Miniaturyzacja, stosowanie elementów mocy, ekstremalne warunki środowiskowe i wymagania wysokoprądowe zwiększają znaczenie zarządzania termicznego. Wyższe straty w postaci ciepła, które często powstają w działaniu elektroniki, muszą zostać rozproszone od źródła i wypromieniowane do otoczenia; w przeciwnym razie może dojść do przegrzania komponentów i może dojść do awarii. Jednak obwody miedziane mogą pomóc, zmniejszając straty I2R i odprowadzając ciepło z cennych komponentów, znacznie zmniejszając awaryjność.

Aby uzyskać odpowiednie odprowadzanie ciepła ze źródeł ciepła na i na powierzchni płytki drukowanej, stosuje się radiatory. Celem każdego radiatora jest rozproszenie ciepła ze źródła generowania przez przewodzenie i wyemitowanie tego ciepła przez konwekcję do otoczenia. Źródło ciepła po jednej stronie płyty (lub wewnętrznych źródeł ciepła) połączone jest miedzianymi przelotkami (czasami nazywane "przelotami ciepła") z obszerną pustą miedzią po drugiej stronie płyty.

Zasadniczo, klasyczne radiatory są związane z tą powierzchnią pustej miedzi za pomocą kleju termoprzewodzącego lub w niektórych przypadkach są nitowane lub skręcane. Większość radiatorów jest wykonana z miedzi lub aluminium. Proces montażu wymagany dla klasycznych radiatorów składa się z trzech pracochłonnych i kosztownych kroków.

Aby rozpocząć, metal służący jako radiator musi być dziurkowany lub cięty do wymaganego kształtu. Warstwa kleju musi być również wycięta lub wytłoczona, aby uzyskać dokładne dopasowanie między płytką drukowaną a radiatorem. Wreszcie, radiator musi być prawidłowo umieszczony na płytce drukowanej, a cały pakiet musi być pokryty powłoką elektryczną i / lub odporną na korozję odpowiednim lakierem lub pokryciem.

Zwykle powyższy proces nie może być zautomatyzowany i musi być wykonywany ręcznie. Czas i praca wymagana do ukończenia tego procesu jest znaczna, a wyniki są gorsze od mechanicznie zautomatyzowanego procesu. W przeciwieństwie do tego wbudowane radiatory powstają podczas procesu produkcji PCB i nie wymagają dodatkowego montażu. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwa jest technologia obwodów miedzianych. Technologia ta pozwala na dodawanie grubych miedzianych radiatorów praktycznie w dowolnym miejscu na zewnętrznych powierzchniach płyty. Radiatory są galwanizowane na powierzchni i tym samym połączone z przewodzącymi ciepło przelotkami bez żadnych interfejsów, które utrudniają przewodność cieplną.

Kolejną korzyścią jest dodatkowe miedziowanie w przelotkach ciepła, co zmniejsza opór cieplny konstrukcji płyty, zdając sobie sprawę, że mogą oczekiwać takiego samego stopnia dokładności i powtarzalności, co jest nieodłącznie związane z produkcją PCB. Ponieważ płaskie uzwojenia są w rzeczywistości płaskimi przewodzącymi śladami utworzonymi na laminacie pokrytym miedzią, poprawiają całkowitą gęstość prądu w porównaniu z cylindrycznymi przewodami drutowymi. Ta korzyść wynika z minimalizacji efektu naskórkowości i większej wydajności prądowej.

Pokładowe planary uzyskują doskonałą izolację dielektryczną z pierwotnego do wtórnego i wtórnego na wtórne, ponieważ ten sam materiał dielektryczny jest stosowany pomiędzy wszystkimi warstwami, zapewniając całkowite zamknięcie wszystkich zwojów. Ponadto uzwojenia pierwotne mogą zostać rozlane tak, że uzwojenia wtórne są umieszczone pomiędzy podstawami, osiągając niską indukcyjność rozproszenia. Standardowe techniki laminowania płytek drukowanych, wykorzystujące różnorodne żywice epoksydowe, mogą bezpiecznie przenosić do 50 warstw uzwojenia miedzianego o grubości 10 uncji / stopę2.

Podczas wytwarzania ciężkich obwodów miedzianych mamy zwykle do czynienia z grubością znacznej grubości; w związku z tym należy dokonać dodatków przy definiowaniu odstępów między śladami i wielkości podkładek. Z tego względu zaleca się, aby projektanci mieli na pokładzie projektanta płytek we wczesnej fazie projektowania.

Produkty energoelektroniki wykorzystujące ciężki obwód miedzi są stosowane od wielu lat w przemyśle wojskowym i lotniczym i nabierają rozpędu jako technologia z wyboru w zastosowaniach przemysłowych. Uważa się, że wymagania rynkowe przedłużą stosowanie tego rodzaju produktu w niedalekiej przyszłości.

Referencje:

1. IPC -2221A