Dom > Vijesti > Sadržaj
Teški i ekstremni bakar za maksimalnu pouzdanost u dizajnu i izradi PCB-a
Jul 05, 2018

Svakodnevno se izrađuju razni proizvodi za napajanje električnom energijom za niz primjena. Sve ove projekte sve više iskorištavaju rastući trend u industriji tiskanih pločica: teški bakar i ekstremni bakreni PCB.

Što definira teški krug bakra? Većina komercijalno dostupnih PCB-a proizvedena su za niskonaponske / niskoenergetske primjene, s bakrenim tragovima / ravninama sastavljenim od bakrenih utega u rasponu od ½-oz / ft2 do 3-oz / ft2. Teški bakreni krug proizveden je s bakrenim utezima bilo gdje od 4 do 20 oz. Moguće su i bakrene težine iznad 20-oz / ft2 i do 200-oz / ft2 i nazivaju se ekstremni bakar.

U svrhu ove rasprave, prvenstveno ćemo se usredotočiti na teški bakar. Povećana težina bakra u kombinaciji s prikladnim podlogama i deblji sloj u prolaznim rupama pretvara nekoć nepouzdanu i slabu pločicu ploče u izdržljivu i pouzdanu platformu ožičenja.

Izgradnja teškog bakrenog kruga daje ploču s prednostima kao što su:

Povećana izdržljivost toplinskih naprezanja

Povećana nosivost struje

Povećana mehanička čvrstoća na mjestima konektora i PTH otvora

Egzotični materijali upotrijebljeni za svoj puni potencijal (tj. Visoku temperaturu) bez kvara kruga

Smanjena veličina proizvoda ugrađivanjem više bakrenih utega na istom sloju strujnih krugova (slika 1)

Teške bakrene ploče nose veću struju kroz ploču i pomažu pri prijenosu topline na vanjski heatsink

Hladnjaci na ploči izravno su postavljeni na površinu ploče pomoću bakrenih aviona do 120 oz

Planarski transformatori s visokom snagom gustoće

Iako su nedostaci rijetki, važno je razumjeti temeljnu konstrukciju teškog bakrenog kruga kako biste u potpunosti cijeniti njegove mogućnosti i potencijalne primjene.

Slika 1: Uzorak s bakrenim elementima od 2-oz, 10-oz, 20-oz i 30-oz na istom sloju.

Teška konstrukcija bakrenog kruga

Standardni PCB-i, bilo dvostrani ili višeslojni, proizvedeni su kombinacijom bakrenih etkanih i plating postupaka. Slojevi strujanja počinju kao tanke folije od bakrene folije (obično od 0,5 do 2 ozna) koji su urezani kako bi se uklonili neželjeni bakar i naneseni na platno kako bi dodali debljinu bakra na ravnine, tragove, jastučiće i oblagane provrte. Svi slojevi kruga su laminirani u kompletan paket pomoću epoksidne podloge, kao što je FR-4 ili poliimid.

Ploče s teškim bakrenim krugovima proizvode se na isti način, iako sa specijaliziranim tehnikama za struganje i lemljenje, kao što je brzina / koračenje i diferenciranje. Povijesno gledano, teška obilježja bakra oblikovana su u cijelosti urezivanjem debelog laminiranog pločastog materijala, uzrokujući neujednačena bočna zidova i neprihvatljivo podrezivanje. Napredak u tehnologiji premazivanja omogućio je stvaranje teških bakrenih svojstava s kombinacijom premazivanja i etkaniranja, što rezultira ravnim bočnim zidovima i zanemarivim podrezivanjem.

Plaštanje teškog bakrenog kruga omogućuje pločastom proizvođaču da povećava količinu debljine bakra u plaštima i bočnim stijenkama. Sada je moguće kombinirati teški bakar s standardnim značajkama na jednoj ploči. Prednosti uključuju smanjenje broja slojeva, distribuciju niske impedancije, manje otiske stopala i potencijalne uštede troškova.

Uobičajeno, strujni krugovi visoke struje / velike snage i njihovi upravljački krugovi proizvedeni su odvojeno na zasebnim pločama. Teškim bakrenim premazivanjem moguće je integrirati visoke strujne krugove i upravljačke krugove kako bi se postigla vrlo gusta, ali jednostavna struktura ploča.

Teške značajke bakra mogu se jednostavno spojiti na standardne sklopove. Teška bakrena i standardne značajke mogu se postaviti uz minimalno ograničenje pod uvjetom da projektant i proizvođač raspravljaju o tolerancijama i sposobnostima proizvodnje prije konačnog oblikovanja (slika 2).

Slika 2: 2-oz značajke povezuju upravljačke krugove, dok 20-oz značajke nose visoki struje opterećenja.

Tekući kapacitet nošenja i povećanje temperature

Koliko struje može bakreni spoj sigurno nositi? Ovo je pitanje koje često izražavaju dizajneri koji žele inkorporirati teške bakrene krugove u svoj projekt. Ovo pitanje obično odgovara drugom pitanju: Koliko se može povećati toplina vaš projekt može izdržati? Ovo pitanje je postavljeno jer se povećava toplina i struja ruku pod ruku. Pokušajmo zajedno odgovoriti na oba pitanja.

Kada struja teče duž traga, postoji I2R (gubitak snage) koji rezultira lokalnim zagrijavanjem. Trag se hladi provodljivošću (u susjedne materijale) i konvekcijom (u okoliš). Stoga, da pronađemo maksimalnu struju koju trag može sigurno nositi, moramo pronaći način procjene povećanja topline povezane s primijenjenom strujom. Idealna situacija bi bila postići stabilnu radnu temperaturu gdje je brzina grijanja jednaka brzini hlađenja. Srećom, imamo IPC formulu koju možemo koristiti za modeliranje ovog događaja.

IPC-2221A: izračun za trenutni kapacitet vanjske staze [1]:

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

Gdje je struja (pojačala), DT je porast temperature (° C), W je širina traga (mil) i Th je debljina traga (mil). Unutarnje tragove treba smanjiti za 50% (procjena) za isti stupanj zagrijavanja. Koristeći IPC formulu smo generirali Slika 3, prikazujući trenutni nosivi kapacitet nekoliko tragova različitih područja poprečnog presjeka s porastom temperature od 30 ° C.

Slika 3: Približna struja za određene dimenzije kolosijeka (porast temperature od 20˚C).

Ono što čini prihvatljivu količinu povećanja topline će se razlikovati od projekta do projekta. Većina dielektričnih materijala na kružnim pločama može izdržati temperature od 100 ° C iznad ambijenta, iako bi ova količina promjene temperature bila neprihvatljiva u većini slučajeva.

Snaga i preživljavanje ploče

Proizvođači i dizajneri kružnih ploča mogu birati između raznih dielektričnih materijala, od standardnog FR-4 (radni temperaturu od 130 ° C) do poliimida visoke temperature (radni temperaturu od 250 ° C). Stanje visoke temperature ili ekstremne okoline može zahtijevati egzotični materijal, ali ako su tragovi strujnih krugova i obloženi vias standardni 1-oz / ft2, hoće li preživjeti ekstremne uvjete? Industrija pločica razvila je testnu metodu za određivanje toplinskog integriteta gotovog kruga proizvoda. Termični sojevi dolaze iz različitih procesa izrade, montaže i popravaka ploče, pri čemu razlike između koeficijenta toplinskog širenja (CTE) Cu i PWB laminata pružaju pokretnu silu za stvaranje pukotine i rast do kvarova kruga. Ispitivanje termičkim ciklusom (TCT) provjerava povećanje otpora kruga tijekom prolaska termičkog ciklusa zraka na zrak od 25 ° C do 260 ° C.

Povećanje otpornosti ukazuje na razgradnju električnog integriteta putem pukotina u bakrenom krugu. Standardni dizajn kupona za ovo ispitivanje koristi lanac 32 prozirnih rupa, koji se odavno smatra najslabija točka u krugu prilikom podvrgavanja toplinskom stresu.

Studije termičkog ciklusa provedene na standardnim FR-4 pločama s bakrenim premazom od 0,8 do 1,2 miljema pokazale su da 32% krugova ne uspije nakon osam ciklusa (20% povećanje otpornosti smatra se neuspjehom). Studije termičkog ciklusa provedene na egzotičnim materijalima pokazuju značajna poboljšanja u toj stopi neuspjeha (3% nakon osam ciklusa za cijanatni ester), ali su prohibitivno skupi (pet do deset puta trošak materijala) i teško je obraditi. Prosječno montiranje tehnologije površinske površine vidi najmanje četiri termička ciklusa prije isporuke i moglo bi se vidjeti dodatna dva termička ciklusa za svaki popravak komponenti.

Nije neopravdano za SMOBC odbor koji je prošao kroz popravak i zamjenu ciklusa kako bi se postiglo ukupno devet ili deset termičkih ciklusa. TCT rezultati jasno pokazuju da stopa neuspjeha, bez obzira na plošni materijal, može postati neprihvatljiva. Tiskani proizvođači pločica znaju da bakrena elektroplikacija nije točna znanost - promjene u trenutnoj gustoći preko ploče i kroz brojne rupice / veličine rezultiraju varijacijama debljine bakra do 25% ili više. Većina područja "tankog bakra" nalaze se na zidovima obloženim zidovima - rezultati TCT-a jasno pokazuju da je to slučaj.

Korištenje teških bakrenih krugova bi smanjilo ili uklonilo sve ove kvarove. Plating od 2 oz / ft2 bakra na zid rupa smanjuje stopu kvara na gotovo nula (TCT rezultati pokazuju 0,57% neuspjeh nakon osam ciklusa za standardni FR-4 s najmanje 2,5-mil bakra). U stvari, bakreni krug postaje neprohodan mehaničkim naprezanjima na njega postavljenim toplinskim ciklusom.

Termalno upravljanje

Kako dizajneri nastoje postići maksimalnu vrijednost i performanse iz njihovih projekata, tiskani krugovi postaju složenije i usmjereni su na veće gustoće snage. Miniaturizacija, uporaba komponenti snage, ekstremni uvjeti okoline i zahtjevi visokog napona povećavaju važnost toplinskog upravljanja. Veći gubici u obliku topline, koji se često stvaraju u radu elektronike, moraju se raspršiti od izvora i zračiti u okoliš; u suprotnom, komponente se mogu pregrijati i mogu se pojaviti kvarovi. Međutim, teški bakreni krugovi mogu pomoći smanjivanjem gubitaka I2R i odvajanjem topline daleko od vrijednih komponenti, što dramatično smanjuje broj neuspjeha.

Kako bi se postiglo pravilno rasipanje topline iz izvora topline na ploči ploče i na površini ploče, koriste se hladnjaci. Svrha bilo kojeg hladnjaka je rasipanje topline daleko od izvora generacije provodljivošću i emitiranje toplote konvekcijom u okoliš. Izvor vrućine na jednoj strani ploče (ili unutarnjih izvora topline) povezan je s bakrenim viama (ponekad zvanim "vrućine") na veliku površinu bakra na drugoj strani ploče.

Općenito, klasični hladnjaci se spajaju na tu golu bakrenu površinu pomoću toplinski vodljivog ljepila ili su u nekim slučajevima zakovani ili zakovani. Većina hladnjaka izrađena su od bakra ili aluminija. Proces montaže potreban za klasične heatsinkove sastoji se od tri radno intenzivne i skupa korake.

Za početak, metal koji služi kao hladnjak mora se bacati ili rezati na traženi oblik. Ljepljivi sloj se također mora rezati ili utiskivati za precizno postavljanje između pločice ploče i hladnjaka. Posljednje, ali ne i najmanje važno, hladnjak mora biti pravilno postavljen na PCB i cijeli paket mora biti premazan za električnu i / ili otpornost na koroziju s prikladnim lakom ili pokrovnim kaputom.

Obično se gore navedeni postupak ne može automatizirati i mora se obaviti ručno. Vrijeme i rad potreban za dovršetak ovog procesa su značajni, a rezultati su inferiorni od mehanički automatiziranog procesa. Nasuprot tome, ugrađeni heatsinks nastaju tijekom procesa proizvodnje PCB-a i ne zahtijevaju dodatnu montažu. Teška bakrena struja omogućuje to. Ova tehnologija omogućuje dodavanje debelih bakrenih hlađenja gotovo bilo gdje na vanjskim površinama ploče. Hladnjaci su galvozirani na površini i na taj način povezani s vodom za provođenje topline bez ikakvih sučelja koja ometaju toplinsku vodljivost.

Još jedna prednost je dodano bakrenje lima u vrućini, što smanjuje toplinsku otpornost dizanja ploče, shvaćajući da mogu očekivati isti stupanj točnosti i ponovljivosti svojstvenu proizvodnji PCB-a. Budući da su ravni namoti zapravo ravni vodljivi tragovi formirani na bakrenom laminatu, poboljšavaju ukupnu gustoću struje u usporedbi s cilindričnim vodičima žice. Ova korist je zbog minimiziranja učinka kože i veće učinkovitosti nošenja struje.

Ploče na vozilu postižu izvrsnu izolaciju od sekundarnog do sekundarnog do sekundarnog dielektričnog materijala, jer se isti dielektrični materijal koristi između svih slojeva, osiguravajući potpunu enkapsulaciju svih namota. Osim toga, primarni namoti mogu se proliti tako da su sekundarni namoti razmješteni između primarnih, postižući nisku induktivnost propuštanja. Standardne tehnike lameliranja PCB-a, koristeći izbor različitih epoksidnih smola, mogu sigurno postaviti do 50 slojeva bakrenih namota jednako debeli kao 10-oz / ft2.

Tijekom proizvodnje teških bakrenih krugova, obično se bavimo značajnim debljinama slojeva; stoga se moraju unositi u određivanju odstranjivanja tragova i veličina jastučića. Iz tog razloga, dizajneri se preporučuju da imaju odbora fabricator na brodu rano u dizajnu procesa.

Proizvodi s električnim napajanjem koji koriste teške bakrene strujne krugove već dugi niz godina koriste u vojnoj i zrakoplovnoj industriji te dobivaju zamah kao tehnologija izbora u industrijskim primjenama. Vjeruje se da će zahtjevi tržišta produljiti primjenu ove vrste proizvoda u bliskoj budućnosti.

Reference:

1. IPC-2221A