Acasă > Stiri > Conţinut
Cupru greu și extrem pentru maximă fiabilitate în proiectarea și fabricarea PCB
Jul 05, 2018

Diferite produse electronice de putere sunt proiectate în fiecare zi pentru o gamă largă de aplicații. Din ce în ce mai mult, aceste proiecte profită de o tendință crescândă în industria plăcilor cu circuite imprimate: cupru greu și PCB-uri de cupru extreme.

Ce definește un circuit de cupru greu? Cele mai multe PCB-uri disponibile în comerț sunt fabricate pentru aplicații de joasă tensiune / putere mică, cu urme de cupru / avioane formate din greutăți de cupru cuprinse între ½-oz / ft2 și 3-oz / ft2. Un circuit de cupru greu este fabricat cu greutăți de cupru oriunde între 4-oz / ft2 și 20-oz / ft2. Sunt posibile și greutăți de cupru de peste 20-oz / ft2 și până la 200-oz / ft2 și sunt denumite cupru extrem.

În scopul acestei discuții, ne vom concentra în primul rând pe cuprul greu. Greutatea crescută a cuprului, combinată cu un substrat adecvat și o placare mai groasă în găurile de trecere, transformă placa de circuite slabă odată nesigure, într-o platformă de cabluri durabilă și fiabilă.

Construcția unui circuit de cupru greu oferă o placă cu avantaje cum ar fi:

Creșterea rezistenței la tulburări termice

Cresterea capacitatii de transport a curentului

Creșterea rezistenței mecanice la locurile conectorilor și în găurile PTH

Materiale exotice utilizate la întregul lor potențial (adică temperaturi înalte) fără defecțiuni de circuit

Reducerea mărimii produsului prin încorporarea mai multor greutăți de cupru pe același strat de circuite (Figura 1)

Cuplajele de cupru grele au un curent mai mare prin placă și ajută la transferul căldurii către un radiator extern

Radiatoarele de la bord sunt placate direct pe suprafața plăcii, folosind planuri de cupru de până la 120 oz

Transformatoare planare de înaltă densitate la bord

Deși dezavantajele sunt puține, este important să înțelegem construcția de bază a circuitului de cupru greu pentru a aprecia pe deplin capabilitățile și potențialele sale aplicații.

Figura 1: Proba cu caracteristici de cupru de 2 oz, 10 oz, 20 oz și 30 de oz pe același strat.

Construcția de circuite grele de cupru

PCB-urile standard, fie cu două fețe sau cu mai multe straturi, sunt fabricate folosind o combinație de procese de gravare a cuprului și de placare. Straturile de circuit pornesc sub formă de foi subțiri de folie de cupru (în general de 0,5-oz / ft2 până la 2-oz / ft2) care sunt gravate pentru a elimina cuprul nedorit și placate pentru a adăuga grosimea cuprului în planuri, urme, plăcuțe și găuri plăcute. Toate straturile de circuite sunt laminate într-un ambalaj complet folosind un substrat pe bază de epoxi, cum ar fi FR-4 sau poliimidă.

Plăcile care încorporează circuite de cupru grele sunt produse în același mod, deși cu tehnici specializate de gravare și placare, cum ar fi placarea de mare viteză / trepte și gravarea diferențială. Din punct de vedere istoric, trăsăturile grele de cupru s-au format în întregime prin gravarea materialului din plăci laminate, acoperite cu cupru, care cauzează pereți laterali neuniformi și sub tăiere inacceptabilă. Progresele în tehnologia placării au permis formarea unor caracteristici grele de cupru cu o combinație de placare și gravare, rezultând pereți laterali drepți și sub tăiere neglijabilă.

Placarea unui circuit de cupru greu permite fabricantului de bord să crească cantitatea de grosime de cupru în găurile placate și prin pereții laterali. Acum este posibilă amestecarea cuprului greu cu caracteristici standard pe o singură placă. Avantajele includ numar redus de straturi, distributie redusa a impedantei, urme mai mici si economii de costuri potentiale.

În mod obișnuit, circuitele cu curent ridicat / de mare putere și circuitele lor de comandă au fost produse separat pe plăci separate. Cuplarea greu de cupru face posibilă integrarea circuitelor de curent înalt și a circuitelor de comandă pentru a realiza o structură de bord foarte densă, dar simplă.

Caracteristicile de cupru grele pot fi conectate fără probleme la circuitele standard. Cuprul greu și caracteristicile standard pot fi plasate cu restricții minime, cu condiția ca designerul și fabricantul să discute toleranțele și abilitățile de fabricație înainte de proiectarea finală (Figura 2).

Figura 2: Caracteristicile de 2 oz îmbină circuitele de control, în timp ce caracteristicile de 20 de oz oferă sarcini cu curent ridicat.

Capacitatea actuală de transport și creșterea temperaturii

Cât de mult poate conduce un circuit de cupru în siguranță? Aceasta este o întrebare adesea exprimată de designeri care doresc să integreze circuite de cupru grele în proiectul lor. Această întrebare este de obicei răspunzătoare printr-o altă întrebare: Cât de multă creștere a căldurii poate rezista proiectul dvs.? Această întrebare este pusă pentru că creșterea căldurii și fluxul curent merg mână în mână. Să încercăm să răspundem împreună la aceste două întrebări.

Când curentul curge de-a lungul unei urme, există un I2R (pierdere de putere) care are ca rezultat încălzirea localizată. Traseul se răcește prin conducție (în materiale vecine) și prin convecție (în mediul înconjurător). Prin urmare, pentru a găsi curentul maxim care poate fi transportat în siguranță, trebuie să găsim o modalitate de a estima creșterea căldurii asociată curentului aplicat. O situație ideală ar fi obținerea unei temperaturi stabile de funcționare, în care rata de încălzire este egală cu rata de răcire. Din fericire, avem o formulă IPC pe care o putem folosi pentru a modela acest eveniment.

IPC-2221A: calcul pentru capacitatea curentă a unei linii externe [1]:

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

Unde am curent (amperi), DT este creșterea temperaturii (° C), W este lățimea urmei (mil) și Th este grosimea urmei (mil). Plăcile interne trebuie să fie reduse cu 50% (estimare) pentru același grad de încălzire. Folosind formula IPC am generat Figura 3, arătând capacitatea curentului de încărcare a mai multor urme de zone transversale diferite, cu o creștere a temperaturii de 30 ° C.

Figura 3: Curentul aproximativ pentru dimensiunile date ale căii (creșterea temperaturii de 20˚C).

Ceea ce constituie o cantitate acceptabilă de creștere a căldurii va fi diferită de la proiect la proiect. Majoritatea materialelor dielectrice de la bord pot rezista la temperaturi de peste 100 ° C deasupra temperaturii ambientale, deși această modificare de temperatură ar fi inacceptabilă în majoritatea situațiilor.

Circuit Board Rezistență și supraviețuire

Producătorii și proiectanții de bord pot alege dintr-o varietate de materiale dielectrice, de la standardul FR-4 (temperatură de lucru de 130 ° C) la poliimidă la temperatură ridicată (temperatură de operare 250 ° C). O situație de temperatură ridicată sau de mediu extrem poate face apel pentru un material exotic, dar dacă circuitul urmări și vias placat sunt standard 1-oz / ft2, vor supraviețui condițiilor extreme? Industria plăcilor de circuite a dezvoltat o metodă de testare pentru determinarea integrității termice a unui produs de circuit finit. Rezistențele termice provin din diferite procese de fabricare, asamblare și reparare a plăcilor, unde diferențele dintre coeficientul de dilatare termică (CTE) a laminatului cu Cu și PWB asigură forța motrice pentru nuclearea fisurilor și creșterea până la defectarea circuitului. Testul ciclului termic (TCT) verifică o creștere a rezistenței unui circuit, deoarece este supus ciclului termic aer-aer de la 25 ° C la 260 ° C.

O creștere a rezistenței indică o defalcare a integrității electrice prin fisuri în circuitul de cupru. Un design tipic al cupoanelor pentru acest test utilizează un lanț de 32 găuri plăcute, care a fost mult timp considerat cel mai slab punct dintr-un circuit atunci când este supus stresului termic.

Studiile pe cicluri termice efectuate pe plăcile standard FR-4 cu cupru de la 0,8 până la 1,2 milioane au arătat că 32% dintre circuite eșuează după opt cicluri (o creștere a rezistenței de 20% este considerată o eșec). Studiile de ciclu termic realizate pe materiale exotice arată îmbunătățiri semnificative ale acestei rate de eșec (3% după opt cicluri pentru esterul cianat), dar sunt prohibitiv costisitoare (de cinci până la de 10 ori costul materialului) și dificil de procesat. Un ansamblu tehnologic mediu de montare pe suprafață prezintă cel puțin patru cicluri termice înainte de expediere și poate vedea câte două cicluri termice suplimentare pentru fiecare reparație a componentelor.

Nu este nerezonabil pentru o placă SMOBC care a trecut printr-un ciclu de reparații și înlocuire pentru a ajunge la un total de nouă sau 10 cicluri termice. Rezultatele TCT arată clar că rata de insuficiență, indiferent de materialul de bord, poate deveni inacceptabilă. Producătorii de plăci cu circuite imprimate știu că galvanizarea cuprului nu este o schimbare exactă a științelor în densitățile curente de-a lungul unei plăci și prin numeroase gauri / prin dimensiuni rezultă variații ale grosimii cuprului de până la 25% sau mai mult. Majoritatea zonelor de "cupru subțire" se află pe pereții cu gaură placată - rezultatele TCT arată clar că acest lucru este cazul.

Utilizarea circuitelor de cupru grele ar reduce sau elimina complet aceste defecțiuni. Plăcile de 2-oz / ft2 de cupru într-un perete al gaurii reduc rata de defecțiune la aproape zero (rezultatele TCT arată o rată de defecțiune de 0,57% după opt cicluri pentru FR-4 standard, cu o placare de cupru de minim 2,5 mil). De fapt, circuitul de cupru devine impermeabil la solicitările mecanice plasate pe acesta de ciclul termic.

Gestionarea termică

În timp ce designerii se străduiesc să obțină o valoare și o performanță maximă din proiectele lor, circuitele imprimate devin tot mai complexe și sunt conduse la densități de putere mai mari. Miniaturizarea, utilizarea componentelor electrice, condițiile extreme de mediu și cerințele de curent ridicat măresc importanța gestionării termice. Pierderile mai mari sub formă de căldură, adesea generate în funcționarea electronicii, trebuie să fie disipate de la sursă și radiate în mediul înconjurător; în caz contrar, componentele se pot supraîncălzi și se pot produce defecțiuni. Cu toate acestea, circuitele de cupru grele pot contribui la reducerea pierderilor de I2R și la căldura departe de componentele valoroase, reducând drastic rata de eșec.

Pentru a obține o disipare adecvată a căldurii din sursele de căldură în interiorul și pe suprafața unei plăci de circuit, se folosesc radiatoare. Scopul oricărui radiator este de a disipa căldura de la sursa de generare prin conducție și de a emite această căldură prin convecție în mediul înconjurător. Sursa de căldură de pe o parte a plăcii (sau sursele interne de căldură) este conectată prin vije de cupru (uneori numite "sonde de căldură") într-o zonă largă de cupru goală pe cealaltă parte a plăcii.

În general, radiatoarele clasice sunt lipite pe această suprafață de cupru goală prin intermediul unui adeziv conductiv termic sau, în unele cazuri, sunt nitate sau cu șuruburi. Cele mai multe radiatoare sunt fabricate din cupru sau aluminiu. Procesul de asamblare necesar pentru radiatoarele clasice constă în trei etape intensive și costisitoare.

Pentru a începe, metalul care servește ca radiator trebuie să fie perforat sau tăiat la forma dorită. Stratul adeziv trebuie, de asemenea, tăiat sau ștanțat pentru o potrivire precisă între placa de circuite și radiator. Nu în ultimul rând, radiatorul trebuie să fie poziționat corespunzător pe placa de bază și întregul ambalaj trebuie acoperit pentru rezistență electrică și / sau la coroziune cu un lac sau un strat de acoperire adecvat.

În mod normal, procesul de mai sus nu poate fi automatizat și trebuie făcut manual. Timpul și munca necesară pentru finalizarea acestui proces sunt semnificative, iar rezultatele sunt inferioare unui proces mecanic automatizat. În schimb, radiatoarele încorporate sunt create în timpul procesului de fabricare a PCB și nu necesită montaj suplimentar. Tehnologia circuitului greu de cupru face posibil acest lucru. Această tehnologie permite adăugarea de radiatoare de cupru groase aproape oriunde pe suprafețele exterioare ale unei plăci. Radiatoarele sunt galvanizate la suprafață și astfel sunt conectate la tijele de conducere a căldurii fără interfețe care împiedică conductivitatea termică.

Un alt avantaj este adăugarea placării de cupru în viile de căldură, ceea ce reduce rezistența termică a designului plăcii, realizând că se pot aștepta la același grad de precizie și repetabilitate inerente fabricării PCB. Deoarece înfășurările plane sunt de fapt urme plane conductive formate pe laminat placat cu cupru, ele îmbunătățesc densitatea totală a curentului în comparație cu conductorii de sârmă cilindrici. Acest beneficiu se datorează diminuării efectelor cutanate și eficienței mai mari a curentului.

Plăcile plană realizează o izolare dielectrică excelentă primar-secundar și secundar-secundar, deoarece același material dielectric este utilizat între toate straturile, asigurând încapsularea completă a tuturor înfășurărilor. În plus, înfășurările primare pot fi vărsate astfel încât înfășurările secundare să fie așezate între primare, obținându-se o inductanță scăzută la scurgeri. Tehnicile standard de laminare cu PCB, folosind o varietate de rășini epoxidice, pot pune în siguranță până la 50 de straturi de înfășurări de cupru, cu o grosime de 10 oz / ft2.

În timpul fabricării circuitelor de cupru grele, de obicei avem de-a face cu grosimi semnificative de placare; prin urmare, trebuie să se efectueze alocări în definirea separărilor de urme și a dimensiunilor plăcuțelor. Din acest motiv, designerii sunt sfătuiți să aibă la bord constructorul de bord la începutul procesului de proiectare.

Produsele electronice de putere care utilizează circuite grele de cupru au fost utilizate de mulți ani în industria militară și aerospațială și câștigă impuls ca o tehnologie de alegere în aplicațiile industriale. Se crede că cerințele pieței vor extinde aplicarea acestui tip de produs în viitorul apropiat.

Referințe:

1. IPC-2221A