Важкі та екстремальні міді для максимально надійної конструкції та виготовлення друкованих плат
Jul 05, 2018

Різні силові електроніки розробляються щодня для різних застосувань. Ці проекти дедалі частіше використовують зростаючу тенденцію в галузі друкованих плат: важкі мідні та надзвичайні мідні друковані плати.

Що визначає важку мідну ланцюг? Більшість комерційно доступних друкованих плат виробляються для низьковольтних / малопотужних приладів, з мідними слідами / літаками, що складаються з мідних ваг від ½-унція / фут2 до 3-унція / фут2. Важка мідна ланцюг виготовляється з вагою міді в діапазоні від 4 унції / фут2 до 20 унцій / фут2. Можливі також мідні ваги вище 20 унцій / фут2 і до 200 унцій / фут2, і вони називаються екстремальною міддю.

Для цілей цієї дискусії ми зосередимомося головним чином на важкій міді. Підвищена мідна вага, поєднана з підходящим субстратом і більш товстим покриттям у прохідних отворах перетворює колись ненадійну, слабку схему в надійну і надійну платформу підключення.

Будівництво важкої мідної схеми надає дошку з такими перевагами:

Підвищена витривалість до термічних деформацій

Збільшення поточної вантажопідйомності

Підвищена механічна міцність на з'єднувальних майданчиках та в отворах PTH

Екзотичні матеріали використовуються для їх повного потенціалу (тобто високої температури) без схеми відмови

Зменшений розмір продукту шляхом включення кількох мідних ваг на одному шарі схеми (мал. 1)

Високошвидкісна мідь, що покривається вуглецем, несе більший струм через дошку та допомагає перенести тепло на зовнішній радіатор

Вбудовані радіатори безпосередньо покриті на поверхню дошки, використовуючи мідні літаки до 120-унцій

Платарні трансформатори на борту високої потужності

Хоча недоліків небагато, важливо розуміти основні конструкції важкої мідної схеми, щоб цілком оцінити її можливості та потенційні можливості.

Малюнок 1: Зразки, що містять 2-у, 10-oz, 20-oz і 30-oz мідні характеристики на одному шарі.

Будівництво важких мідних каналів

Стандартні друковані плати, двосторонні або багатошарові, виготовляються з використанням комбінованих методів травлення міді та процесів облицювання. Конструкційні шари починаються як тонкі аркуші мідної фольги (як правило, 0,5 унції / фут2 до 2 унції / фут2), які витравлені, щоб видалити небажану мідь, і покриті, щоб додати товщину міді до літаків, слідів, прокладки та покриті прохідними отворами. Всі шари ланцюга ламіновані в повний комплект, використовуючи субстрат на основі епоксидної смоли, такий як FR-4 або поліімід.

Дошки, що містять важкі мідні ланцюги, виробляються точно таким же чином, хоча і з використанням спеціалізованих методів травлення та наплавлення, таких як високошвидкісна / ступенева обшивка та диференційний травлення. Історично важкі мідні властивості були повністю сформовані методом травлення товстого мідного сплаву ламінованого картону, що спричинило нерівномірність бічних стін і неприйнятного підрізання. Успіхи в технології обшивки дозволяють утворювати важкі мідні властивості з поєднанням обшивки та травлення, в результаті чого виникають прямі бокові стінки і незначне підрізування.

Покриття важкої мідної схеми дозволяє виробнику дошки збільшити товщину міді в покритих отворах і через боковини. Тепер можна поєднати важкі міді зі стандартними функціями на одній платі. Переваги включають в себе зменшений шар обліку, низький розподіл потужності імпедансу, зменшення слідів і можлива економія коштів.

Як правило, високовольтні / високовольтні ланцюги та їх схеми управління вироблялися окремо на окремих платах. Висока мідна обшивка дає можливість інтеграції високовольтних ланцюгів та схем керування для реалізації дуже щільної, але простої структури дошки.

Важкі мідні характеристики можуть бути легко з'єднані із стандартними схемами. Важкі міді та стандартні властивості можуть бути встановлені з мінімальними обмеженнями, за умови, що конструктор та виробник обговорюють допуск і здатність виробництва до остаточного дизайну (мал. 2).

Малюнок 2: 2-унційні функції підключають схеми управління, а функції 20-ун відсутні високоточні навантаження.

Поточна несуча здатність і підвищення температури

Скільки струму може безпечно носити мідний контур? Це питання часто висловлюється дизайнерами, які хочуть включити важкі мідні ланцюги у свій проект. На це запитання, як правило, відповідає інше питання: скільки тепла може витримати ваш проект? Це питання ставиться через те, що зростання тепла та поточний струм йдуть рука об руку. Давайте спробуємо відповісти на обидва ці питання разом.

Коли струм проходить уздовж сліду, існує I2R (втрата потужності), що призводить до локалізованого нагрівання. Траса охолоджується провідністю (у сусідні матеріали) та конвекцією (в навколишнє середовище). Тому для того, щоб знайти максимальний струм, який міг би спокійно носити слід, ми повинні знайти спосіб оцінити підйом тепла, пов'язаний із застосованим струмом. Ідеальна ситуація полягає в досягненні стабільної робочої температури, коли швидкість нагріву дорівнює швидкості охолодження. На щастя, ми маємо формулу IPC, яку ми можемо використовувати для моделювання цієї події.

IPC-2221A: розрахунок поточної потужності зовнішньої доріжки [1]:

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

Де I струм (підсилювачі), DT - підвищення температури (° C), W - ширина сліду (mil), Th - товщина сліду (mil). Внутрішні сліди слід зменшувати на 50% (оцінка) за однакову ступінь нагрівання. Використовуючи формулу IPC, ми створили Рисунок 3, що показує пропускну спроможність декількох слідів різної площі поперечного перерізу з підвищенням температури на 30 ° C.

Малюнок 3: Приблизний струм для заданих розмірів доріжок (підвищення температури 20˚C).

Те, що становить прийнятну кількість тепла, відрізнятиметься від проекту до проекту. Більшість білових діелектричних матеріалів здатні витримувати температуру 100 ° C вище навколишнього середовища, хоча ця зміна температури в більшості випадків буде неприйнятною.

Силова схема та живучість

Виробники та конструктори плати можуть вибрати з різних діелектричних матеріалів, від стандартних FR-4 (робоча температура 130 ° С) до високотемпературного полііміда (робоча температура 250 ° С). Висока температура або екстремальна ситуація в навколишньому середовищі може вимагати екзотичного матеріалу, але якщо схеми слідів і покриті візами є стандартними 1-oz / ft2, вони виживають в екстремальних умовах? Промислова схема розроблена методика випробування для визначення термічної цілісності виготовленої схеми. Термічні деформації походять з різних процесів виготовлення, монтажу та ремонту плати, де відмінності між коефіцієнтом термічного розширення (CTE) Cu та ламінатом PWB забезпечують рушійну силу для зародження тріщини та зростання до відмови в ланцюзі. Тестування термічного циклу (TCT) перевіряє підвищення стійкості ланцюга, оскільки воно випромінює температуру циклу повітря від повітря до температури від 25 ° С до 260 ° С.

Збільшення опору свідчить про розрив електричної цілісності через тріщини в мідній ланцюзі. Стандартний дизайн купонів для цього тесту використовує ланцюжок з 32 прозорими отворами, які давно вважаються найслабкішою точкою в ланцюзі під час термічного напруження.

Дослідження термічного циклу, виконані на стандартних платах FR-4 з 0,8-мілі до 1,2-міліметрової мідної обшивки, показали, що 32% схем відмовляються після восьми циклів (збільшення опору на 20% вважається провалом). Дослідження термічного циклу, проведені на екзотичних матеріалах, показують суттєві покращення цього показника відмов (3% після восьми циклів для ціанового ефіру), але є надзвичайно дорогими (у п'ять-десять разів вартістю матеріалу) і складними для обробки. Середня збірка технології поверхневого монтажу перед транспортуванням має мінімум чотири термічні цикли та може побачити додаткові два термічні цикли для кожного компонента для ремонту.

Для плати SMOBC, який пройшов цикл ремонту та заміни, цілком нерозумно досягти 9 або 10 теплових циклів. Результати TCT ясно показують, що швидкість відмови, незалежно від того, що вміст плати може стати неприйнятним. Виробники друкованої плати знають, що мідна гальваніка - це не точна наукова зміна щільності струму на дошці, а завдяки численним отвору / розмірам призводять варіації товщини міді до 25% і більше. Більшість областей "тонкої міді" знаходяться на стінах з завісеними отворами - результати TCT ясно показують, що це так.

Використання важких мідних схем цілком зменшить або усуне ці несправності. Покриття 2-унція / м2 міді до стінки отвору знижує швидкість відмови майже до нуля (результати TCT показують 0,57% відмов після 8 циклів для стандартного FR-4 з мінімальним 2,5-міліметровим обмотуванням міді). Фактично, мідна ланцюг стає непроникною для механічних напруг, що наносяться на неї термічним циклом.

Тепловий менеджмент

Оскільки дизайнери прагнуть отримати максимальну цінність та продуктивність від своїх проектів, друковані схеми стають все більш складними і призводять до більшої щільності потужності. Мініатюризація, використання енергетичних компонентів, екстремальних умов навколишнього середовища та високоточних вимог підвищують важливість термічного управління. Вищі втрати у вигляді тепла, що часто генеруються при роботі з електронікою, повинні відходити від джерела і випромінюватися на навколишнє середовище; інакше компоненти можуть перегрітись, і може призвести до несправностей. Проте важкі мідні ланцюги можуть допомогти зменшити втрати I2R та віддавати тепло від цінних компонентів, що значно знизить рівень відмов.

Для того, щоб забезпечити належну розсіювання тепла від джерел тепла на поверхні плати, використовуються радіатори. Мета будь-якого радіатора - це розсіювання тепла від джерела утворення шляхом провідності та виділяти це тепло шляхом конвекції до навколишнього середовища. Джерело тепла з однієї сторони плати (або внутрішніх джерел тепла) з'єднане мідними віазами (іноді називають "тепловими віями") до великої голій мідної зони на іншій стороні плати.

Як правило, класичні радіатори зв'язані з цією голею поверхнею міді за допомогою термопровідного клею або в деяких випадках заклеповані або закріплені. Більшість радіаторів виконані з міді або алюмінію. Процес збірки, необхідний для класичних радіаторів, складається з трьох трудомістких і дорогих етапів.

Щоб почати, метал, який виконує роль радіатора, повинен бути перфорований або нарізаний до потрібної форми. Клейкий шар також повинен бути вирізаний або штампований для точного встановлення між шафою та радіатором. Нарешті, але не менш важливо, радіатор повинен бути належним чином розміщений на друкованій платі, і вся упаковка повинна бути покрита для електричної та / або корозійної стійкості підходящим лаком або покриттям.

Як правило, описаний вище процес не може бути автоматизованим і повинен виконуватися вручну. Час і робота, необхідні для завершення цього процесу, є значними, а результати є нижчими за механічно автоматизований процес. На противагу, вбудовані радіатори створюються під час процесу виготовлення друкованої плати та не потребують додаткових зборів. Технологія важких мідних ланцюгів робить це можливим. Ця технологія дозволяє додавати товсті мідні радіатори практично в будь-якому місці на зовнішні поверхні дошки. Радіатори гальванізовані на поверхні і, таким чином, з'єднані з теплопроводячими вуглеводами без будь-яких інтерфейсів, які перешкоджають теплопровідності.

Ще однією перевагою є додавання міді покриття в опади, що знижує термічну стійкість конструкції дошки, розуміючи, що вони можуть очікувати таку ж ступінь точності та повторюваності, які властиві виробництву друкованих плат. Оскільки планарні обмотки являють собою фактично плоскі провідні сліди, утворені на ламінованому матеріалі з міді, вони поліпшують загальну щільність струму в порівнянні з циліндричними дротяними провідниками. Ця перевага пояснюється мінімізацією шкірного ефекту та підвищенням токонесучої ефективності.

Платари на борту забезпечують відмінну діелектричну ізоляцію від первинної до вторинної та вторинної до вторинної, тому що один і той же діелектричний матеріал використовується між усіма шарами, забезпечуючи повне ущільнення всіх обмоток. Крім того, первинні обмотки можуть бути розлиті таким чином, що вторинні обмотки затиснуті між основними матеріалами, забезпечуючи низьку індуктивність витоку. Стандартні методи ламінування на PCB, використовуючи вибір різних епоксидних смол, можуть безпечно заливати до 50 шарів обмоток міді товщиною 10-oz / ft2.

Під час виготовлення важких мідних ланцюгів ми, як правило, маємо справу з істотною товщиною покриття; отже, необхідно визначити розміри слідів та розміри подушок. З цієї причини, дизайнерів рекомендується мати виробник дошки на борту рано в процесі проектування.

Силові електронні вироби, що використовують важкі мідні схеми, вже багато років використовуються у військовій і аерокосмічній промисловості та набувають поштовх як технологія вибору в промислових цілях. Вважається, що вимоги ринку поширюватимуть застосування цього виду продукції найближчим часом.

Список літератури:

1. IPC -2221A