Dom > Novosti > Sadržaj
Тешки и екстремни бакар за максималну поузданост у ПЦБ дизајну и производњи
Jul 05, 2018

Различити производи електронске електронике се свакодневно дизајнирају за низ апликација. Све више, ови пројекти искоришћавају растући тренд индустрије штампаних плоча: тешки бакар и екстремни бакарни ПЦБ.

Шта дефинира тешко бакарно коло? Већина комерцијално доступних ПЦБ-а произведена је за примене нисконапонске / ниске снаге, са траговима бакра / равнинама састављеним од тежине бакра у распону од ½-оз / фт2 до 3-оз / фт2. Тешки бакарни круг је произведен са тежинама бакра било где између 4-оз / фт2 до 20-оз / фт2. Тегови бакра изнад 20-оз / фт2 и до 200-оз / фт2 такође су могући и називају се екстремним бакром.

У сврху ове дискусије фокусирамо првенствено на тешки бакар. Повећана тежина бакра у комбинацији са одговарајућим подлогом и дебљим плочицама у удубљењима трансформише некада непоуздану, слабу плочу у издржљиву и поуздану платформу за ожичење.

Изградња тешког бакарног круга доноси плочу са предностима као што су:

Повећана издржљивост на термичке нападе

Повећана тренутна носивост

Повећана механичка чврстоћа на местима конектора и у ПТХ отворима

Егзотични материјали који се користе за њихов потпуни потенцијал (тј. Висока температура) без крупног прекида

Смањена величина производа увођењем више тегова бакра на истом слоју кола (слика 1)

Тешке бакрене превлаке преносе већу струју кроз плочу и помажу пренос топлоте на вањски хладњак

Хватаљке на плочи су директно покривене на површину плоче користећи до 120-оз бакарних авиона

Планарни трансформатори на плочи високе снаге

Иако недостаци су мали, важно је разумети основну конструкцију тешког бакарног кола како би у потпуности схватили његове могућности и потенцијалне примјене.

Слика 1: Узорак са функцијама од 2-оз, 10-оз, 20-оз, и 30-оз бакра на истом слоју.

Конструкција топле бакарне струје

Стандардни ПЦБ-ови, било да су двострани или вишеслојни, произведени су комбинацијом процеса бакарног језгра и платинга. Пластични слојеви почињу као танки лимови од бакарне фолије (углавном од 0.5 оз / фт2 до 2-оз / фт2) који су угравирани да би уклонили нежељени бакар и обложени да додају дебљину бакра авионима, траговима, подлогама и плочама. Сви слојеви слојева су ламинирани у потпуну амбалажу користећи супстрат на бази епоксида, као што је ФР-4 или полиимид.

Плоче са тешким бакарним круговима се производе на потпуно исти начин, мада са специјализованим техникама етикирања и платинга, као што су обрада великих брзина / степеница и диференцијално једирање. Историјски гледано, тешке бакарне карактеристике су се формирале у потпуности прскањем дебелог бакарног ламинираног плочастог материјала, што је изазвало неуједначене бочне трагове и неприхватљиво подрезивање. Напредак у технологији платинга омогућио је да се тешке бакарне карактеристике формирају комбинацијом платинга и једњења, што резултира равним бочним зидовима и занемарљивим подрезивањем.

Обрада тешког бакарног круга омогућава произвођачу плоче да повећа количину дебљине бакра у плочама и преко бочних зидова. Сада је могуће комбиновати тешки бакар са стандардним функцијама на једној плочи. Предности укључују смањен број слојева, расподелу снаге ниске импедансе, мање отиске стопала и потенцијалну уштеду трошкова.

Нормално су кола високе струје / високе снаге и њихова контролна кола произведена одвојено на одвојеним плочама. Тежка плоча бакра омогућава интеграцију струјних кругова и управљачких кругова како би се реализовала веома густа, али једноставна структура плоче.

Тешке карактеристике бакра могу се лако повезати са стандардним колима. Тешки бакар и стандардне карактеристике могу се поставити са минималним ограничењима под условом да дизајнер и произвођач разматрају толеранције и способности производње пре финалног дизајна (слика 2).

Слика 2: Функције 2-оз повезују управљачке кругове, док 20-озне карактеристике носе високе струје.

Тренутни капацитет ношења и подизање температуре

Колико струје може носити бакарни круг? Ово је питање често изражено од стране дизајнера који желе да укључе тешке бакарне кругове у свој пројекат. На ово питање обично се одговара још једно питање: Колико повећање топлоте може да издржи ваш пројекат? Ово питање постављамо зато што раст топлоте и ток струјања пролазе руку под руку. Покушајмо заједно да одговоримо на оба ова питања.

Када струја протиче дуж трага, постоји И2Р (губитак снаге) што доводи до локалног загревања. Траг се хлади провођењем (у суседним материјалима) и конвекцијом (у околину). Стога, да би се пронашла максимална струја може се сигурно носити траг, морамо наћи начин да процијенимо раст топлоте повезаних са примјеном струјом. Идеална ситуација би била да се постигне стабилна радна температура гдје је стопа грејања једнака брзини хлађења. На срећу, имамо модел ИПЦ који можемо користити за моделовање овог догађаја.

ИПЦ-2221А: израчунавање тренутног капацитета спољне стазе [1]:

И = .048 * ДТ (.44) * (В * Тх) (725)

Где ја је струја (ампер), ДТ је пораст температуре (° Ц), В је ширина трага (мил), а Тх је дебљина трага (мил). Унутрашњи трагови морају бити смањени за 50% (процјена) за исти степен грејања. Користећи ИПЦ формулу, направили смо слику 3, приказујући капацитет носивости неколико трагова различитих попречних пресека са растом температуре од 30 ° Ц.

Слика 3: Приближна струја за одређене димензије стазе (пораст темпирања 20˚Ц).

Оно што представља прихватљиву количину повећања топлоте ће се разликовати од пројекта до пројекта. Већина диелектричних материјала на плочама може издржати температуру од 100 ° Ц изнад амбијента, иако би та количина промене температуре била неприхватљива у већини случајева.

Снага кола и преживљавање

Произвођачи струјних кругова и дизајнери могу одабрати различите диелектричне материјале, од стандардног ФР-4 (радна темп. 130 ° Ц) до полиимида високе температуре (радна температура 250 ° Ц). Ситуација високе температуре или екстремне околине може захтевати егзотични материјал, али ако су трагови кола и платед виас стандардни 1-оз / фт2, да ли ће преживети екстремне услове? Индустрија кола развила је тест метод за одређивање топлотног интегритета производа готовог кола. Термички напони потичу из различитих процеса производње, монтаже и поправке плоча, при чему разлике између коефицијента топлотне експанзије (ЦТЕ) Цу и ПВБ ламината пружају покретачку снагу за нуклеацију црацкова и раст до отказа кола. Тестирање термичког циклуса (ТЦТ) провјерава повећање отпорности кола јер се подвргава топлотном циклусу ваздуха-ваздух од 25 ° Ц до 260 ° Ц.

Повећање отпорности указује на разградњу електричног интегритета путем пукотина у бакарном кругу. Стандардни дизајн купона за овај тест користи ланац од 32 обложене рупе, које се већ дуго сматрају најслабијом тачком у кругу када се подвргава топлотном стресу.

Студије термичког циклуса на стандардним плочама ФР-4 са плочицама од 0,8 мил до 1,2 мил. Показују да 32% кругова пропадне након осам циклуса (20% повећање отпора се сматра неуспјехом). Студије термичког циклуса на егзотичним материјалима показују значајна побољшања ове стопе неуспјеха (3% након осам циклуса за цијанатни естер), али су сувише скупе (пет до десет пута више материјалних трошкова) и тешко се обрађује. Просјечна монтажа на површинску монтажу испред испоруке види најмање четири термичка циклуса и могла би видјети додатна два термичка циклуса за сваку поправку компоненте.

Није неразумно за плочу СМОБЦ која је прошла кроз циклус поправке и замене да би постигла укупно девет или десет термичких циклуса. Резултати ТЦТ-а јасно показују да стопа неуспјеха, без обзира на материјал материјала, може постати неприхватљива. Произвођачи штампаних плоча знају да галванизација бакра није тачна научна промена у тренутним густинама преко плоче и кроз бројне рупе / величине резултира варијацијама дебљине бакра до 25% или више. Већина подручја "танког бакра" су на зидовима од плочастих рупа - резултати ТЦТ јасно показују да је ово случај.

Коришћење тешких бакарних кола би у потпуности смањило или елиминисало ове пропусте. Обрада од 2-оз / фт2 бакра до зидова рупа смањује стопу грешака скоро нула (резултати ТЦТ показују стопу грешака 0,57% после осам циклуса за стандардни ФР-4 са најмање 2,5-милионим бакарним премазом). Заправо, бакарни круг постаје непропусан за механичка оптерећења која се постављају на топлотни циклус.

Тхермал Манагемент

Како дизајнери теже да добију максималну вриједност и перформансе из својих пројеката, штампани кругови постају све сложенији и доводе се до већих густина снаге. Миниатуризација, употреба енергетских компоненти, екстремни услови околине и захтеви великог струјања повећавају значај управљања топлотом. Већи губици у облику топлоте, који се често генеришу у раду електронике, мора се расипати из свог извора и зрачити на животну средину; у супротном, компоненте би се могле прегрејати и могу настати неуспеси. Међутим, тешки бакарни токови могу помоћи смањењем губитака И2Р и даљинском провођењем топлоте од вриједних компоненти, што смањује стопе погоршања драматично.

Ради постизања одговарајуће дисипације топлоте из извора топлоте на и на површини плоче, радили су хеатсинкс. Сврха сваког хладњака је да се топлота одвоји од извора генерације проводњом и емитује топлоту конвекцијом у окружење. Извор топлоте на једној страни плоче (или унутрашњи извори топлоте) повезан је са бакарним вијасима (понекад се назива "топлотни вијас") до велике голе површине бакра на другој страни плоче.

Уопштено, класични хладњаци су везани за ову голу површину бакра помоћу термички проводљивог лепка или у неким случајевима закривљени или причвршћени. Већина хладњака су израђени од бакра или алуминијума. Процес монтаже потребан за класичне хладњаке састоји се од три радно интензивних и скупих корака.

За почетак, метал који служи као хладњак мора бити пуњен или резан до жељеног облика. Адхезивни слој се такође мора резати или одштампати за прецизно постављање између плоче и хладњака. На крају, али не и најмање важно, хладњак мора бити правилно позициониран на ПЦБ и цијели пакет мора бити пресвучен за електричну и / или отпорност на корозију одговарајућим лаком или покривним премазом.

Обично горе наведени поступак не може бити аутоматизован и мора се извршити ручно. Време и радови који су потребни за завршетак овог процеса су значајни, а резултати су инфериорни са механички аутоматизованим процесом. Насупрот томе, уграђени хеатсинкс се стварају током процеса производње ПЦБ-а и не захтевају додатну монтажу. Тешка технологија бакарних кола чини то могућом. Ова технологија омогућава додавање дебелих бакарних хеатсинкс практично било гдје на спољним површинама плоче. Радијатори су галвански на површини и на тај начин повезани са вијацима за провођење топлоте без икаквих интерфејса који ометају топлотну проводљивост.

Још једна предност је додавање бакра у топлотним виасима, што смањује топлотну отпорност дизајна плоче, схватајући да могу очекивати исти степен тачности и поновљивости који су својствени производњи ПЦБ-а. Због тога што су планарни намотаји заправо равне проводне трагове формиране на бакреном платираном ламинату, они побољшавају укупну густину струје у поређењу са цилиндричним проводницима жице. Ова предност је последица минимизације ефекта коже и веће ефикасности у току струјања.

Планери на плочи постижу изврсну примарну-секундарну и секундарну секундарну изолацију јер се исти слој користи од свих слојева, обезбеђујући потпуну уградњу свих намотаја. Поред тога, примарни намотаји се могу просути тако да су секундарни намотаји постављени између примарних, постизање ниске индуктивности цурења. Стандардне технике ламинације ПЦБ-а, користећи избор различитих епоксидних смола, могу сигурно послужити до 50 слојева бакрених намотаја дебљине 10-оз / фт2.

Током производње тешких бакарних кола обично се бавимо значајним дебљинама плочица; Због тога, морају се направити додатци у одређивању раздвајања трагова и величина подлоге. Из тог разлога, саветодавцима се препоручује да се фабрички произвођач састоји од раније у процесу пројектовања.

Производи за енергетску електронику који користе тешке бакарне склопове већ дуги низ година користе војну и ваздухопловну индустрију и постижу замах као технологију избора у индустријским апликацијама. Верује се да ће потребе тржишта проширити примену ове врсте производа у блиској будућности.

Референце:

1. ИПЦ -2221А