Domov > Novinky > Obsah
Ťažká a extrémna meď pre maximálnu spoľahlivosť pri návrhu a výrobe PCB
Jul 05, 2018

Rôzne výkonové elektronické výrobky sú navrhnuté každý deň pre širokú škálu aplikácií. Tieto projekty stále viac využívajú rastúci trend v priemysle dosiek plošných spojov: ťažká meď a extrémne medené PCB.

Čo definuje ťažký medený obvod? Väčšina komerčne dostupných PCB sa vyrába pre nízkonapäťové / nízkonapäťové aplikácie, pričom medené stopy / lietadlá sa skladajú z medených závaží v rozmedzí od ½-oz / ft2 do 3-oz / ft2. Veľký medený obvod je vyrábaný s medenými závažiami kdekoľvek medzi 4-oz / ft2 až 20-oz / ft2. Hustoty medi nad 20-oz / ft2 a až 200-oz / ft2 sú tiež možné a sú označované ako extrémna meď.

Na účely tejto diskusie sa zameriame predovšetkým na ťažkú meď. Zvýšená váha medi v kombinácii s vhodným podkladom a hrubšie pokovovanie v priechodoch transformuje kedysi nespoľahlivú slabú dosku do pevnej a spoľahlivej elektroinštalačnej plošiny.

Konštrukcia ťažkého medeného obvodu prináša dosku s výhodami, ako sú:

Zvýšená odolnosť voči teplotným namáhaniam

Zvýšená prenosová kapacita prúdu

Zvýšená mechanická pevnosť v miestach konektorov a v otvoroch PTH

Exotické materiály používané na plný potenciál (tj vysoká teplota) bez zlyhania obvodu

Zníženie veľkosti produktu tým, že sa na rovnakú vrstvu obvodov použije viacnásobné hmotnosti medi (obrázok 1)

Ťažké medené priechodky prenášajú väčší prúd cez dosku a pomáhajú prenášať teplo na vonkajší chladič

Vonkajšie chladiče sa priamo nanášajú na povrch dosky pomocou medených rovníc až do 120 oz

Vonkajšie planárne transformátory s vysokou hustotou

Aj keď sú nevýhody málo, je dôležité pochopiť základnú konštrukciu ťažkého medeného okruhu, aby sme plne ocenili jeho možnosti a potenciálne aplikácie.

Obrázok 1: Vzorka s 2-oz, 10-oz, 20-oz a 30-oz medenými prvkami na rovnakej vrstve.

Konštrukcia ťažkého medeného obvodu

Štandardné dosky plošných spojov, či už obojstranné alebo viacvrstvové, sa vyrábajú kombináciou meďnatého leptania a procesov pokovovania. Vrstvy obvodu začínajú ako tenké plechy z medenej fólie (všeobecne 0,5 až 2 oz / ft2), ktoré sú vyleptané na odstránenie nežiadúcej medi a pokovované tak, aby pridal hrúbku medi k rovinám, stopám, podložkám a priehlbinám. Všetky obvodové vrstvy sú laminované do kompletného obalu pomocou substrátu na báze epoxidov, ako je FR-4 alebo polyimid.

Dosky s ťažkými medenými obvodmi sa vyrábajú presne rovnakým spôsobom, hoci pomocou špeciálnych techník leptania a pokovovania, ako je vysokorýchlostné / krokové pokovovanie a diferenciálne leptanie. Historicky boli ťažké meďnaté znaky vytvorené výlučne leptaním hrubého laminovaného laminovaného doskového materiálu, čo spôsobilo nerovnaké stopové bočné steny a neprijateľné podbíjanie. Pokrok v technológii pokovovania umožnil vytvorenie ťažkých medených funkcií s kombináciou pokovovania a leptania, čo malo za následok priame bočné steny a zanedbateľné podrezanie.

Pokovovanie ťažkého medeného obvodu umožňuje výrobcovi dosky zvýšiť množstvo hrúbky medi v pokovovaných otvoroch a bočných stenách. Teraz je možné kombinovať ťažkú meď so štandardnými vlastnosťami na jednu dosku. Medzi výhody patrí znížený počet vrstiev, nízka impedančná distribúcia výkonu, menšie stopy a potenciálne úspory nákladov.

Za normálnych okolností boli obvody s vysokým prúdom a vysokým výkonom a ich riadiace obvody vyrobené samostatne na samostatných doskách. Ťažké pokovovanie medi umožňuje integráciu obvodov vysokého prúdu a riadiacich obvodov, aby sa dosiahla vysoká hustá, avšak jednoduchá štruktúra dosiek.

Tvrdé medené prvky môžu byť bezproblémovo prepojené so štandardnými obvodmi. Ťažké medené a štandardné prvky môžu byť umiestnené s minimálnym obmedzením, za predpokladu, že návrhár a výrobca preberajú výrobné tolerancie a schopnosti pred konečným návrhom (obrázok 2).

Obrázok 2: 2-oz funkcie pripojiť riadiace obvody, zatiaľ čo 20-oz funkcie nesú vysoký prúd záťaže.

Aktuálna prenosová kapacita a nárast teploty

Koľko prúdu môže bezpečne prenášať medený obvod? Je to otázka, ktorú často vyjadrujú dizajnéri, ktorí chcú začleniť do svojho projektu ťažké medené obvody. Na túto otázku zvyčajne odpovedá ďalšia otázka: Koľko rastu tepla môže váš projekt vydržať? Táto otázka je položená preto, lebo vzostup tepla a tok prúdu idú ruka v ruke. Pokúsme sa odpovedať na obe tieto otázky spoločne.

Keď prúd prúdi pozdĺž stopy, nastane I2R (strata výkonu), ktorá vedie k lokálnemu ohrevu. Stopa sa ochladzuje vedením (do okolitých materiálov) a konvekciou (do prostredia). Preto, aby sme našli maximálny prúd, ktorý môže bezpečne prenášať, musíme nájsť spôsob, ako odhadnúť nárast tepla súvisiaci s aplikovaným prúdom. Ideálnou situáciou by bolo dosiahnutie stabilnej prevádzkovej teploty, pri ktorej sa rýchlosť ohrevu rovná rýchlosti chladenia. Našťastie máme vzor IPC, ktorý môžeme použiť na modelovanie tejto udalosti.

IPC-2221A: výpočet pre aktuálnu kapacitu vonkajšej koľaje [1]:

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

Kde I je prúd (zosilňovače), DT je nárast teploty (° C), W je šírka stopy (mil) a Th je hrúbka stopy (mil). Interné stopy by mali byť znížené o 50% (odhad) pre rovnaký stupeň vykurovania. Pomocou vzorca IPC sme vygenerovali obrázok 3, ukazujúci kapacitu prúdenia niekoľkých stôp rozdielnych prierezových plôch s nárastom teploty o 30 ° C.

Obrázok 3: Približný prúd pre dané rozmery trate (zvýšenie teploty o 20 ° C).

Čo predstavuje prijateľné množstvo nárastu tepla, bude sa líšiť od projektu k projektu. Väčšina dielektrických materiálov s plošnými spojmi môže vydržať teploty nad 100 ° C nad úrovňou okolitého prostredia, hoci toto množstvo zmeny teploty by bolo vo väčšine situácií neprijateľné.

Sila a prežitie

Výrobcovia plošných spojov a dizajnéri si môžu vybrať z rôznych dielektrických materiálov, od štandardného FR-4 (prevádzková teplota 130 ° C) až po vysokoteplotný polyimid (pracovná teplota 250 ° C). Vysoká teplota alebo extrémna situácia okolitého prostredia môže vyžadovať exotický materiál, ale ak je obvod sledovaný a pokrytý priechod je štandardný 1-oz / ft2, prežijú extrémne podmienky? Pri výrobe dosiek plošných spojov sa vyvinula testovacia metóda na určenie tepelnej integrity hotového obvodového produktu. Tepelné napätie pochádza z rôznych procesov výroby, montáže a opravy tabúľ, kde rozdiely medzi koeficientom tepelnej rozťažnosti (CTE) laminátu Cu a PWB poskytujú hnacou silou pre trhliny a rastu k poruche okruhu. Skúšanie tepelného cyklu (TCT) kontroluje zvýšenie odporu obvodu, pretože prechádza teplotným cyklom vzduch-vzduch z 25 ° C na 260 ° C.

Zvýšenie odporu znamená poruchu elektrickej integrity prostredníctvom prasklín v medenom obvode. Štandardný dizajn kupónu pre tento test používa reťaz 32 pokrytých priechodných otvorov, ktoré sa dlho považovali za najslabší bod v okruhu, keď boli vystavené tepelnému namáhaniu.

Štúdie tepelného cyklu vykonané na štandardných doskách FR-4 s medeným pokovovaním od 0,8 mil do 1,2 mil ukázali, že 32% obvodov zlyhá po ôsmich cykloch (20% zvýšenie odporu sa považuje za poruchu). Štúdie termálneho cyklu vykonané na exotických materiáloch ukazujú významné zlepšenie tejto chybovosti (3% po ôsmich cykloch pre ester kyanátu), ale sú neúmerne drahé (päť až desaťnásobné náklady na materiál) a ťažko spracovateľné. Priemerná montážna technika na povrchovú montáž zaisťuje minimálne štyri tepelné cykly pred odoslaním a počas každej opravy komponentu môže vidieť ďalšie dva tepelné cykly.

Nie je nerozumné, ak doska SMOBC, ktorá prešla cyklom opravy a výmeny, dosiahla deväť alebo desať tepelných cyklov. Výsledky TCT jasne ukazujú, že miera poruchy, bez ohľadu na to, aký materiál dosky, sa môže stať neprijateľným. Výrobcovia dosiek s plošnými spojmi vedia, že galvanické pokovovanie medi nepredstavuje presnú vedeckú zmenu v hustote prúdu naprieč doskou a prostredníctvom mnohých veľkostí otvorov a viaiem vedie k zmenám hrúbky medi až o 25% alebo viac. Väčšina oblastí "tenkej medi" je na stenách s pokrytými otvormi - výsledky TCT jasne ukazujú, že to tak je.

Použitie ťažkých medených obvodov by celkom znižovalo alebo eliminovalo tieto poruchy. Pokovovanie 2-oz / ft2 medi na stenu dutiny znižuje mieru poruchy takmer na nulu (výsledky TCT ukazujú 0,57% poruchovosť po ôsmich cykloch pre štandardné FR-4 s minimom 2,5-mil medení). V skutočnosti sa medený okruh stáva nepriepustný voči mechanickému namáhaniu, ktoré je na ňom umiestnené tepelným cyklom.

Tepelné riadenie

Keďže dizajnéri sa snažia získať maximálnu hodnotu a výkonnosť svojich projektov, tlačené obvody sa stávajú zložitejšími a sú poháňané vyššou hustotou výkonu. Miniaturizácia, používanie energetických komponentov, extrémne podmienky prostredia a požiadavky na vysoký prúd zvyšujú dôležitosť tepelného manažmentu. Vyššie straty vo forme tepla, ktoré sa často vytvárajú pri prevádzke elektroniky, sa musia odvádzať od zdroja a vyžarovať do prostredia; v opačnom prípade by sa komponenty mohli prehriať a mohlo by dôjsť k poruchám. Obvody z ťažkej medi však môžu pomôcť tým, že znižujú straty I2R a odvádzajú teplo z cenných komponentov, čím dramaticky znižujú mieru porúch.

Aby sa dosiahol správny odvod tepla z tepelných zdrojov v a na povrchu dosky plošných spojov, používajú sa chladiče. Účelom každého chladiča je odvádzať teplo zo zdroja vedenia a odvádzať toto teplo konvekciou do okolitého prostredia. Zdroj tepla na jednej strane dosky (alebo vnútorné zdroje tepla) je spojený medenými priechodmi (niekedy nazývanými "teplo") s veľkou holou medenou oblasťou na druhej strane dosky.

Všeobecne sa klasické chladiče prilepia na tento holý povrch medi pomocou tepelne vodivého lepidla alebo v niektorých prípadoch sú niťované alebo skrutkované. Väčšina chladičov je vyrobená buď z medi, alebo z hliníka. Postup montáže požadovaný pre klasické chladiče pozostáva z troch pracovných a nákladných krokov.

Na začiatok musí byť kov, ktorý slúži ako chladič, vyrazený alebo vyrezaný do požadovaného tvaru. Adhézna vrstva musí byť tiež vyrezaná alebo razená pre presné prispôsobenie medzi obvodovou doskou a chladičom. V neposlednom rade musí byť chladič správne umiestnený na doske plošných spojov a celý obal musí byť natretý pre odolnosť proti elektrickému a / alebo koróznemu poškodeniu vhodným lakom alebo krycím lakom.

Obvykle sa vyššie uvedený proces nedá automatizovať a musí sa robiť ručne. Doba a práca potrebná na dokončenie tohto procesu sú významné a výsledky sú nižšie ako mechanicky automatizovaný proces. Na rozdiel od toho sa v procese výroby plošných spojov vytvárajú vstavané chladiče a nevyžadujú si žiadnu dodatočnú montáž. Technológia ťažkých medených obvodov to umožňuje. Táto technológia umožňuje pridanie hrubých medených chladičov prakticky kdekoľvek na vonkajších plochách dosky. Chladiče sú galvanicky pokovované na povrchu, a preto sú pripojené k vedeniu tepla bez akýchkoľvek rozhraní, ktoré bránia tepelnej vodivosti.

Ďalšou výhodou je pridaná medená pokovovanie v teploch, ktorá znižuje tepelný odpor dizajnu dosky, uvedomujúc si, že môžu očakávať rovnaký stupeň presnosti a opakovateľnosti, ktoré sú vlastné pri výrobe PCB. Pretože rovinné vinutia sú v skutočnosti ploché vodivé stopy vytvorené na laminovanom lamináte, zlepšujú celkovú hustotu prúdu v porovnaní s valcovými drôtovými vodičmi. Táto výhoda je spôsobená minimalizáciou efektu kože a vyššou účinnosťou prúdu.

Vozidlové planáry dosahujú vynikajúcu primárnu až sekundárnu a sekundárnu dielektrickú izoláciu, pretože rovnaký dielektrický materiál sa používa medzi všetkými vrstvami a zabezpečuje úplné zapuzdrenie všetkých vinutia. Navyše môžu byť primárne viny vyliate tak, že sekundárne vinutia sú vložené medzi primárne, čím sa dosiahne nízka indukčnosť úniku. Štandardné techniky laminovania PCB, ktoré využívajú výber rôznych epoxidových živíc, môžu bezpečne sendvičovať až 50 vrstiev medených vinutí tak silných ako 10-oz / ft2.

Počas výroby ťažkých medených obvodov sa zvyčajne zaoberáme značnými hrúbkami pokovovania; preto sa musia pri určovaní stopových oddelení a veľkostí podložiek robiť príplatky. Z tohto dôvodu sa odporúča, aby dizajnéri mali na palube skôr výrobcu palubných dosiek.

Výkonové elektronické výrobky využívajúce ťažké medené obvody sa už mnoho rokov používajú vo vojenskom a leteckom priemysle a získavajú dynamiku ako technológiu výberu v priemyselných aplikáciách. Predpokladá sa, že požiadavky na trh rozšíria aplikáciu tohto typu výrobku v blízkej budúcnosti.

Referencie:

1. IPC-2221A