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

Različiti proizvodi elektronske elektronike se svakodnevno dizajniraju za niz aplikacija. Sve više, ovi projekti iskorišćavaju rastući trend industrije štampanih ploča: teški bakar i ekstremni bakreni PCB.

Šta definira teško bakarno kolo? Većina komercijalno dostupnih PCB-a proizvedena je za aplikacije nisko-naponske / niske snage, sa tragovima bakra / ravninama sastavljenim od težine bakra u rasponu od ½-oz / ft2 do 3-oz / ft2. Teški bakarni krug je proizveden sa težinama bakra bilo gde između 4-oz / ft2 do 20-oz / ft2. Teže bakra iznad 20-oz / ft2 i do 200-oz / ft2 su takođe moguće i nazivaju se ekstremnim bakrom.

U svrhu ove rasprave, prvenstveno se fokusira na teški bakar. Povećana težina bakra u kombinaciji sa odgovarajućim podlogom i debljim pločicama u udubljenjima pretvara nekad nepouzdanu, slabu ploču u trajnu i pouzdanu platformu za ožičenje.

Izgradnja teškog bakarnog kruga donosi ploču sa prednostima kao što su:

Povećana izdržljivost toplotnih sila

Povećana trenutna nosivost

Povećana mehanička čvrstoća na mestima konektora i u PTH otvorima

Egzotični materijali koji se koriste za njihov potpuni potencijal (tj. Visoka temperatura) bez kvarova

Smanjena veličina proizvoda uvođenjem višestrukih težina bakra na istom sloju kola (slika 1)

Teške bakrene prevlake prenose veću struju kroz ploču i pomažu prenos toplote na vanjski hladnjak

Hvataljke na ploči direktno su platede na površinu ploče koristeći do 120-oz bakarnih aviona

Planarni transformatori na ploči visoke snage

Iako nedostaci su mali, važno je razumjeti osnovnu konstrukciju teškog bakarnog kola kako bi u potpunosti shvatili njegove mogućnosti i potencijalne primjene.

Slika 1: Uzorak sa bakarnim funkcijama od 2-oz, 10-oz, 20-oz, i 30-oz bakra na istom sloju.

Teška bakarna struja

Standardni PCB-ovi, bez obzira da li su dvostrani ili višeslojni, proizvedeni su kombinacijom procesa bakarnog jezgra i pločica. Plastični slojevi počinju kao tanki limovi od bakarne folije (uglavnom od 0.5 oz / ft2 do 2-oz / ft2) koji su gragirani da uklone neželjeni bakar i ploču dodaju debljinu bakra za avione, tragove, podloge i ploče kroz rupe. Svi slojevi slojeva su laminirani u potpunu ambalažu koristeći supstrat na bazi epoksida, kao što je FR-4 ili poliimid.

Ploče sa teškim bakarnim krugovima proizvode se upravo na isti način, mada sa specijalizovanim tehnikama etikiranja i platinga, kao što su obrada visokih brzina / stepenica i diferencijalno jednjenje. Istorijski gledano, teške bakarne osobine su se formirale u potpunosti prskanjem debelog bakarnog laminiranog pločastog materijala, što je izazvalo neujednačene bočne tragove i neprihvatljivo podrezivanje. Napredak u tehnologiji platinga omogućio je stvaranje teških bakarnih karakteristika kombinacijom obloga i jednjenja, što je rezultiralo ravnim bočnim stranama i zanemarljivim podrezivanjem.

Obrada teškog bakarnog kruga omogućava proizvođaču ploče da poveća količinu debljine bakra u pločama i preko bočnih zidova. Sada je moguće kombinovati teški bakar sa standardnim funkcijama na jednoj ploči. Prednosti uključuju smanjenje broja slojeva, distribuciju električne energije sa niskom impedancijom, manje otiske stopala i potencijalnu uštedu troškova.

Obično su krugovi visokog toka / visoke snage i njihovi kontrolni krugovi proizvedeni zasebno na odvojenim pločama. Težka obrada bakra omogućava integraciju visokonaponskih strujnih krugova i upravljačkih krugova kako bi se ostvarila vrlo gusta, ali jednostavna struktura ploče.

Teške karakteristike bakra mogu biti neprimetno povezane sa standardnim kolima. Teški bakar i standardne karakteristike mogu se postaviti sa minimalnim ograničenjima pod uslovom da dizajner i proizvođač razmatraju tolerancije i sposobnosti proizvodnje pre finalnog dizajna (slika 2).

Slika 2: Funkcije 2-oz povezuju upravljačke krugove, dok 20-ozne karakteristike nose visoke struje.

Trenutni kapacitet nošenja i podizanje temperature

Koliko struje može nositi bakarni krug? Ovo je pitanje koje često izražavaju dizajneri koji žele da uključe teške bakarne krugove u svoj projekat. Na ovo pitanje obično se odgovara još jedno pitanje: Koliko povećanje toplote može da izdrži vaš projekat? Ovo pitanje postavlja se zato što rast toplote i tok strujanja ide ruku pod ruku. Pokušajmo zajedno da odgovorimo na oba ova pitanja.

Kada struja protiče duž traga, postoji I2R (gubitak snage) što rezultira lokalnim grejanjem. Trag se hladi provođenjem (u susednim materijalima) i konvekcijom (u okolinu). Stoga, da bi se pronašla maksimalna struja, trag može sigurno da nosi, moramo naći način da procijenimo rast toplote povezanu sa primjenom strujom. Idealna je situacija da se postigne stabilna radna temperatura gdje je stopa grejanja jednaka brzini hlađenja. Na sreću, imamo model IPC koji možemo koristiti za modelovanje ovog događaja.

IPC-2221A: proračun trenutnog kapaciteta vanjske staze [1]:

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

Gde ja je struja (amper), DT je porast temperature (° C), W je širina traga (mil), a Th je debljina traga (mil). Unutrašnji tragovi moraju biti smanjeni za 50% (procjena) za isti stepen grejanja. Koristeći IPC formulu, napravili smo sliku 3, prikazujući kapacitet nosivosti nekoliko tragova različitih poprečnih preseka sa rastom temperature od 30 ° C.

Slika 3: Približna struja za određene dimenzije staze (rast od 20˚C temp.).

Ono što predstavlja prihvatljivu količinu povećanja toplote će se razlikovati od projekta do projekta. Veći dio dielektričnih materijala može da izdrži temperaturu od 100 ° C iznad ambijenta, iako bi ta količina promene temperature bila neprihvatljiva u većini situacija.

Strength of Circuit Board and Survivability

Proizvođači strujnih krugova i dizajneri mogu odabrati različite dielektrične materijale, od standardnog FR-4 (radna temp. 130 ° C) do poliimida visoke temperature (radna temperatura 250 ° C). Situacija visoke temperature ili ekstremne okoline može zahtevati egzotični materijal, ali ako su tragovi kola i plated vias standardni 1-oz / ft2, da li će preživjeti ekstremne uslove? Industrija kola razvila je test metod za određivanje toplotnog integriteta proizvoda gotovog kola. Termički napadi potiču od različitih procesa proizvodnje, montaže i popravke ploča, pri čemu razlike između koeficijenta toplotne ekspanzije (CTE) Cu i PWB laminata pružaju pokretačku snagu za nukleaciju krekiranja i rast do otkaza kola. Testiranje termičkog ciklusa (TCT) provjerava povećanje otpornosti kola jer se podvrgava toplotnom ciklusu vazduha-vazduh od 25 ° C do 260 ° C.

Povećanje otpornosti ukazuje na razgradnju električnog integriteta putem pukotina u bakarnom krugu. Standardni dizajn kupona za ovaj test koristi lanac od 32 ploče kroz rupe, koji se već dugo smatraju najslabijom tačkom u krugu kada se podvrgava toplotnom stresu.

Studije termičkog ciklusa na standardnim pločama FR-4 sa 0,8 mil. Do 1,2 mil. Bakarnih ploča su pokazale da 32% kola ne uspeva nakon osam ciklusa (20% povećanje otpornosti se smatra neuspjehom). Studije termičkog ciklusa na egzotičnim materijalima pokazuju značajna poboljšanja ove stope neuspjeha (3% nakon osam ciklusa za cijanatni estar), ali su suviše skupe (pet do deset puta više materijalnih troškova) i teško ih obraditi. Prosječna montaža za montažu na površinu vidi ispred isporuke najmanje četiri termička ciklusa i može se videti za dva dodatna termička ciklusa za svaku popravku komponente.

Nije nerazumno za ploču SMOBC koja je prošla kroz ciklus popravke i zamene da bi postigla ukupno devet ili deset termičkih ciklusa. Rezultati TCT-a jasno pokazuju da stopa neuspjeha, bez obzira na materijal materijala, može postati neprihvatljiva. Proizvođači štampanih ploča znaju da galvanizacija bakra nije tačna naučna promjena u trenutnim gustinama preko ploče i kroz brojne rupe / veličine rezultira varijacijama debljine bakra do 25% ili više. Većina područja "tankog bakra" nalaze se na zidovima od pločastih rupa - rezultati TCT jasno pokazuju da je to slučaj.

Korišćenje teških bakarnih kola bi u potpunosti smanjilo ili eliminisalo ove propuste. Obrada od 2-oz / ft2 bakra do zida rupa smanjuje stopu neuspjeha do skoro nule (rezultati TCT pokazuju stopu neuspjeha 0,57% nakon osam ciklusa za standardni FR-4 sa najmanje 2,5-milimičnom bakarnom premazom). Zapravo, bakarni krug postaje nepropusan za mehanička opterećenja koja se postavljaju na toplotni ciklus.

Termičko upravljanje

Kako se dizajneri trude da dobiju maksimalnu vrednost i performanse iz svojih projekata, štampani krugovi postaju složeniji i dovode se do većih gustina snage. Miniaturizacija, upotreba energetskih komponenti, ekstremni uslovi okoline i zahtevi visoke struje povećavaju značaj upravljanja toplotom. Veći gubici u obliku toplote, često nastali u radu elektronike, moraju se rasipati iz svog izvora i zračiti na životnu sredinu; u suprotnom, komponente bi se mogle pregrijati i može doći do nepravilnosti. Međutim, teška bakarna kola mogu pomoći smanjenjem gubitaka I2R i provođenjem toplote od vrijednih komponenti, što smanjuje stope pogoršanja dramatično.

Radi postizanja odgovarajuće disipacije toplote iz izvora toplote na i na površini ploče, radili su heatsinks. Svrha svakog heatsink-a je da se toplota odvoji od izvora generacije provodom i emituje ovu toplotu konvekcijom u okruženje. Izvor toplote na jednoj strani ploče (ili unutrašnji izvori toplote) povezan je sa bakarnim vijasima (ponekad se naziva "toplotni vijas") do velikog gola bakra na drugoj strani ploče.

Uopšteno, klasični hladnjaci su pričvršćeni na ovu golu površinu bakra pomoću termički provodljivog lepka ili u nekim slučajevima zakovice ili pričvršćuju. Većina hladnjaka su napravljene od bakra ili aluminijuma. Proces montaže potreban za klasične hladnjake sastoji se od tri radno intenzivnih i skupih koraka.

Za početak, metal koji služi kao hladnjak mora biti udaran ili sječen do željenog oblika. Adhezivni sloj se takođe mora rezati ili pečatiti za precizno postavljanje između ploče i hladnjaka. Na kraju, ali ne i najmanje važno, hladnjak mora biti pravilno pozicioniran na PCB i cijeli paket mora biti presvučen za električnu i / ili otpornost na koroziju odgovarajućim lakom ili pokrivnim premazom.

Obično gore navedeni postupak ne može biti automatizovan i mora se izvršiti ručno. Vreme i radovi koji su potrebni za završetak ovog procesa su značajni, a rezultati su inferiorniji od mehanički automatizovanog procesa. Nasuprot tome, ugrađeni hladnjaci se stvaraju tokom procesa proizvodnje PCB-a i ne zahtevaju dodatnu montažu. Teška tehnologija bakarnih kola čini to mogućom. Ova tehnologija omogućava dodavanje debelih bakarnih heatsinks praktično bilo gdje na spoljnim površinama ploče. Radijatori su galvanski na površini i na taj način povezani sa vijacima za provođenje toplote bez ikakvih interfejsa koji ometaju toplotnu provodljivost.

Još jedna prednost je dodatna ploča bakra u toplotnim viasima, što smanjuje toplotnu otpornost dizajna ploče, shvatajući da mogu očekivati isti stepen tačnosti i ponovljivosti karakteristične za proizvodnju PCB-a. Zbog toga što su planarni namotaji zapravo ravne provodne trake formirane na laminatu od bakra, oni poboljšavaju ukupnu gustinu struje u poređenju sa cilindričnim provodnicima žice. Ova korist je posledica minimizacije efekta kože i veće efikasnosti nošenja struje.

Planeri na ploči postižu odličnu primarnu-sekundarnu i sekundarnu sekundarnu dielektričnu izolaciju, jer se istovremeni dielektrični materijal koristi između svih slojeva, obezbeđujući potpunu ugradnju svih namotaja. Pored toga, primarni namotaji se mogu prosuti tako da su sekundarni namotaji postavljeni između primarnih i postizanje niske induktivnosti curenja. Standardne tehnike laminacije PCB-a, koristeći izbor različitih epoksidnih smola, mogu sigurno poslužiti do 50 slojeva namotaja bakra debljine 10-oz / ft2.

Tokom proizvodnje teških bakarnih krugova obično se bavimo značajnim debljinama pločica; stoga se moraju napraviti dodatke u definisanju razdvajanja tragova i veličina podloge. Iz tog razloga, savetodavcima je savjetovano da imaju proizvođača ploča na početku procesa dizajna.

Proizvodi za energetsku elektroniku koji koriste teške bakarne struje već dugi niz godina koriste vojnu i vazduhoplovnu industriju i postižu zamah kao tehnologiju izbora u industrijskim aplikacijama. Veruje se da će zahtevi tržišta proširiti primenu ove vrste proizvoda u bliskoj budućnosti.

Reference:

1. IPC -2221A