Σπίτι > Ειδήσεις > Περιεχόμενο
Βαρύ και ακραίο χαλκό για μέγιστη αξιοπιστία στον σχεδιασμό και την κατασκευή PCB
Jul 05, 2018

Διάφορα προϊόντα ηλεκτρονικής ισχύος σχεδιάζονται καθημερινά για μια σειρά εφαρμογών. Όλο και περισσότερο, αυτά τα έργα εκμεταλλεύονται μια αυξανόμενη τάση στον κλάδο των τυπωμένων κυκλωμάτων: βαρύ χαλκό και ακραία χαλκού PCBs.

Τι καθορίζει ένα βαρύ κύκλωμα χαλκού; Τα περισσότερα εμπορικά διαθέσιμα PCBs κατασκευάζονται για εφαρμογές χαμηλής τάσης / χαμηλής ισχύος, με ίχνη χαλκού / αεροπλάνα αποτελούμενα από βάρη χαλκού κυμαινόμενα από ½-oz / ft2 έως 3-oz / ft2. Ένα βαρύ κύκλωμα χαλκού κατασκευάζεται με βάρη χαλκού οπουδήποτε μεταξύ 4-oz / ft2 έως 20-oz / ft2. Τα βάρη χαλκού άνω των 20 οζ / ft2 και μέχρι 200 οζ / ft2 είναι επίσης δυνατά και αναφέρονται ως ακραίες χαλκού.

Για τους σκοπούς αυτής της συζήτησης, θα επικεντρωθούμε κυρίως στον βαρύ χαλκό. Το αυξημένο βάρος χαλκού σε συνδυασμό με ένα κατάλληλο υπόστρωμα και η παχύτερη επένδυση στις διαμπερείς οπές μετασχηματίζει την κάποτε αναξιόπιστη, αδύναμη πλακέτα κυκλωμάτων σε μια ανθεκτική και αξιόπιστη πλατφόρμα καλωδίωσης.

Η κατασκευή ενός βαρύ κυκλώματος χαλκού προσφέρει μια σανίδα με πλεονεκτήματα όπως:

Αυξημένη αντοχή σε θερμικές καταστάσεις

Αυξημένη ικανότητα μεταφοράς ρεύματος

Αυξημένη μηχανική αντοχή στις θέσεις συνδέσμων και στις οπές PTH

Εξωτικά υλικά που χρησιμοποιούνται για το πλήρες δυναμικό τους (δηλαδή υψηλή θερμοκρασία) χωρίς αστοχία κυκλώματος

Μειωμένο μέγεθος προϊόντος με την ενσωμάτωση πολλαπλών βαρών χαλκού στην ίδια στρώση κυκλώματος (Σχήμα 1)

Οι βαριές επιχρωμιωμένες βίδες φέρουν υψηλότερο ρεύμα μέσω του πίνακα και βοηθούν στη μεταφορά θερμότητας σε εξωτερική ψήκτρα

Οι ψύκτες επί της βάσης τοποθετούνται απευθείας επάνω στην επιφάνεια του σκάφους χρησιμοποιώντας χάλκινα επίπεδα μέχρι 120 οζ

Επίπεδες μετασχηματιστές υψηλής ισχύος σε πυκνότητα ισχύος

Παρόλο που τα μειονεκτήματα είναι λίγα, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη βασική κατασκευή του κυκλώματος βαρέως χαλκού για να εκτιμήσουμε πλήρως τις δυνατότητές του και τις πιθανές εφαρμογές.

Εικόνα 1: Δείγμα που διαθέτει χαρακτηριστικά χαλκού 2 οζέ, 10 οζ, 20 οζ και 30 ουγκιά στο ίδιο στρώμα.

Βαριά κατασκευή κυκλικού κυκλώματος

Τα τυποποιημένα πλακέτα PCB, είτε είναι διπλής όψης είτε πολυστρωματικά, κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό χαλκογραφίας και επιμετάλλωσης. Τα στρώματα κυκλώματος ξεκινούν ως λεπτό φύλλο φύλλου χαλκού (γενικά 0,5 ίντσες / ft2 έως 2-oz / ft2) που χαράζονται για να αφαιρεθεί ο ανεπιθύμητος χαλκός και τοποθετούνται για να προστεθεί πάχος χαλκού σε επίπεδα, ίχνη, επιθέματα και επιμεταλλωμένες οπές. Όλα τα στρώματα κυκλώματος πλαστικοποιούνται σε μια πλήρη συσκευασία χρησιμοποιώντας ένα εποξειδικό υπόστρωμα, όπως FR-4 ή πολυϊμίδιο.

Οι πίνακες που ενσωματώνουν κυκλώματα βαρέος χαλκού παράγονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, αν και με εξειδικευμένες τεχνικές χάραξης και επιμετάλλωσης, όπως επίστρωση υψηλής ταχύτητας / βήμα και διαφορική χάραξη. Ιστορικά, τα βαρέα χαρακτηριστικά χαλκού σχηματίστηκαν εξ ολοκλήρου με τη χάραξη χοντρών χαλκοεπεξεργασμένων ελασματοποιημένων υλικών, προκαλώντας ανομοιόμορφα ίχνη πλευρικών τοιχωμάτων και απαράδεκτα υποτιμήσεις. Οι πρόοδοι στην τεχνολογία επιμετάλλωσης επέτρεψαν να σχηματιστούν βαριά χαρακτηριστικά χαλκού με ένα συνδυασμό επίστρωσης και χάραξης, με αποτέλεσμα ίσια πλευρικά τοιχώματα και αμελητέα διακλάδωση.

Η επικάλυψη ενός κυκλώματος βαρέος χαλκού δίνει τη δυνατότητα στον κατασκευαστή του χαρτονιού να αυξήσει την ποσότητα πάχους χαλκού σε επιμεταλλωμένες οπές και μέσω πλευρικών τοιχωμάτων. Τώρα είναι δυνατό να αναμίξετε βαρέος χαλκός με τα τυπικά χαρακτηριστικά σε μια ενιαία σανίδα. Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν τον μειωμένο αριθμό στρώσεων, τη χαμηλή αντίσταση στην κατανομή ισχύος, τα μικρότερα ίχνη και την πιθανή εξοικονόμηση κόστους.

Κανονικά, τα κυκλώματα υψηλού ρεύματος / υψηλής ισχύος και τα κυκλώματα ελέγχου τους παράγονται ξεχωριστά σε χωριστές πινακίδες. Η βαριά επίστρωση χαλκού καθιστά δυνατή την ενσωμάτωση κυκλωμάτων υψηλού ρεύματος και κυκλωμάτων ελέγχου για να πραγματοποιηθεί μια πολύ πυκνή, αλλά απλή δομή πίνακα.

Τα βαριά χαρακτηριστικά χαλκού μπορούν να συνδεθούν άψογα με τυποποιημένα κυκλώματα. Ο βαρύς χαλκός και τα τυπικά χαρακτηριστικά μπορούν να τοποθετηθούν με ελάχιστο περιορισμό, υπό τον όρο ότι ο σχεδιαστής και ο κατασκευαστής συζητούν ανοχές και ικανότητες κατασκευής πριν από την τελική σχεδίαση (Εικόνα 2).

Εικόνα 2: Χαρακτηριστικά 2 ουγκιών συνδέουν τα κυκλώματα ελέγχου, ενώ τα χαρακτηριστικά 20-ουζ φέρουν φορτία υψηλού ρεύματος.

Τρέχουσα χωρητικότητα μεταφοράς και αύξηση θερμοκρασίας

Πόσο ρεύμα μπορεί να μεταφέρει ασφαλώς ένα κύκλωμα χαλκού; Αυτό είναι ένα ερώτημα που συχνά εκφράζεται από σχεδιαστές που επιθυμούν να ενσωματώσουν βαριά κυκλώματα χαλκού στο έργο τους. Αυτή η ερώτηση απαντάται συνήθως με μια άλλη ερώτηση: Πόση θερμότητα μπορεί να αντέξει το σχέδιό σας; Αυτή η ερώτηση τίθεται επειδή η άνοδος της θερμότητας και η ροή ρεύματος συμβαδίζουν. Ας προσπαθήσουμε να απαντήσουμε μαζί σε αυτές τις ερωτήσεις.

Όταν το ρεύμα ρέει κατά μήκος ενός ίχνους, υπάρχει ένα I2R (απώλεια ισχύος) που έχει ως αποτέλεσμα την τοπική θέρμανση. Το ίχνος ψύχεται με αγωγή (σε γειτονικά υλικά) και με μεταφορά (στο περιβάλλον). Επομένως, για να βρούμε το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να μεταφέρει με ασφάλεια ένα ίχνος, πρέπει να βρούμε έναν τρόπο για να υπολογίσουμε την αύξηση της θερμότητας που σχετίζεται με το εφαρμοζόμενο ρεύμα. Μια ιδανική κατάσταση θα ήταν να επιτευχθεί μια σταθερή θερμοκρασία λειτουργίας όπου ο ρυθμός θέρμανσης είναι ίσος με τον ρυθμό ψύξης. Ευτυχώς, έχουμε έναν τύπο IPC που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να μοντελοποιήσουμε αυτό το γεγονός.

IPC-2221A: υπολογισμός της τρέχουσας χωρητικότητας μιας εξωτερικής γραμμής [1]:

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

Όπου I είναι ρεύμα (ενισχυτές), DT είναι η αύξηση της θερμοκρασίας (° C), W είναι το πλάτος του ίχνους (mil) και Th είναι το πάχος του ίχνους (mil). Τα εσωτερικά ίχνη πρέπει να μειωθούν κατά 50% (εκτίμηση) για τον ίδιο βαθμό θέρμανσης. Χρησιμοποιώντας τον τύπο IPC δημιουργήσαμε το Σχήμα 3, το οποίο δείχνει την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος διαφόρων ιχνών διαφορετικών περιοχών διατομής με αύξηση θερμοκρασίας 30 ° C.

Σχήμα 3: Κατά προσέγγιση ρεύμα για δεδομένες διαστάσεις τροχιάς (αύξηση θερμοκρασίας 20˚C).

Αυτό που αποτελεί μια αποδεκτή ποσότητα αύξησης θερμότητας θα διαφέρει από το έργο στο έργο. Τα περισσότερα διηλεκτρικά υλικά κυκλώματος μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες 100 ° C πάνω από το περιβάλλον, αν και αυτή η ποσότητα αλλαγής θερμοκρασίας θα ήταν απαράδεκτη στις περισσότερες περιπτώσεις.

Πίεση κυκλώματος κυκλώματος και δυνατότητα επιβίωσης

Οι κατασκευαστές κυκλωμάτων και οι σχεδιαστές μπορούν να επιλέξουν από μια ποικιλία διηλεκτρικών υλικών, από το πρότυπο FR-4 (θερμοκρασία λειτουργίας 130 ° C) έως το πολυϊμίδιο υψηλής θερμοκρασίας (θερμοκρασία λειτουργίας 250 ° C). Μια κατάσταση υψηλής θερμοκρασίας ή ακραίας κατάστασης περιβάλλοντος μπορεί να απαιτήσει ένα εξωτικό υλικό, αλλά αν το ίχνος του κυκλώματος και τα καλυμμένα vias είναι πρότυπα 1-oz / ft2, θα επιβιώσουν σε ακραίες συνθήκες; Η βιομηχανία κυκλωμάτων έχει αναπτύξει μια μέθοδο δοκιμής για τον προσδιορισμό της θερμικής ακεραιότητας ενός τελικού προϊόντος κυκλώματος. Οι θερμικές καταπονήσεις προέρχονται από διάφορες διεργασίες κατασκευής, συναρμολόγησης και επισκευής σανίδων, όπου οι διαφορές μεταξύ του συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) του Cu και του πολυστρωματικού PWB παρέχουν την κινητήρια δύναμη για τη δημιουργία πυρήνων ρωγμών και την ανάπτυξη μέχρι την αποτυχία του κυκλώματος. Ο έλεγχος θερμικού κύκλου (TCT) ελέγχει για την αύξηση της αντίστασης ενός κυκλώματος καθώς υφίσταται θερμική μεταβολή αέρα από τον αέρα από 25 ° C έως 260 ° C.

Η αύξηση της αντίστασης υποδεικνύει μια διακοπή της ηλεκτρικής ακεραιότητας μέσω ρωγμών στο κύκλωμα χαλκού. Ένας πρότυπος σχεδιασμός κουπονιών για αυτή τη δοκιμή χρησιμοποιεί μια αλυσίδα 32 επιμεταλλωμένων διαμπερών οπών, η οποία εδώ και καιρό θεωρείται ότι είναι το ασθενέστερο σημείο ενός κυκλώματος όταν υποβάλλεται σε θερμική καταπόνηση.

Οι μελέτες θερμικού κύκλου που έγιναν σε πρότυπες σανίδες FR-4 με χαλκοσωλήνωση από 0,8 έως 1,6 χιλιοστά έδειξαν ότι 32% των κυκλωμάτων αποτυγχάνουν μετά από οκτώ κύκλους (μια αύξηση 20% στην αντίσταση θεωρείται αποτυχία). Οι μελέτες θερμικού κύκλου που γίνονται σε εξωτικά υλικά δείχνουν σημαντικές βελτιώσεις σε αυτό το ποσοστό αποτυχίας (3% μετά από οκτώ κύκλους για εστέρα κυανίου), αλλά είναι απαγορευτικά δαπανηρές (5 έως 10 φορές κόστος υλικού) και είναι δύσκολο να επεξεργαστούν. Ένα μέσο συναρμολόγησης τεχνικής επιφανείας τοποθετεί τουλάχιστον τέσσερις θερμικούς κύκλους πριν από την αποστολή και μπορεί να δει επιπλέον δύο θερμικούς κύκλους για κάθε επισκευή εξαρτήματος.

Δεν είναι παράλογο για μια πλακέτα SMOBC που έχει περάσει από έναν κύκλο επισκευής και αντικατάστασης για να φτάσει συνολικά εννέα ή δέκα θερμικούς κύκλους. Τα αποτελέσματα του TCT δείχνουν σαφώς ότι το ποσοστό αποτυχίας, ανεξάρτητα από το υλικό του πίνακα, μπορεί να γίνει απαράδεκτο. Οι κατασκευαστές τυπωμένων κυκλωμάτων γνωρίζουν ότι η ηλεκτρολυτική επίστρωση χαλκού δεν είναι μια ακριβής επιστήμη-μεταβολές στις πυκνότητες ρεύματος σε μια πλακέτα και μέσω πολυάριθμων οπών / διαμέσου μεγεθών έχουν ως αποτέλεσμα μεταβολές πάχους χαλκού έως και 25% ή περισσότερο. Οι περισσότερες περιοχές του "λεπτού χαλκού" είναι σε τοίχους από επιμεταλλωμένες οπές - τα αποτελέσματα της TCT δείχνουν σαφώς ότι συμβαίνει αυτό.

Η χρήση βαρέων κυκλωμάτων από χαλκό θα μειώσει ή θα εξαλείψει εντελώς αυτές τις αποτυχίες. Η επίστρωση από 2 χλστ. / Ft2 χαλκού σε τοίχο τρύπας μειώνει τον ρυθμό αποτυχίας σχεδόν στο μηδέν (τα αποτελέσματα TCT δείχνουν ποσοστό αποτυχίας 0,57% μετά από οκτώ κύκλους για πρότυπο FR-4 με ελάχιστη επίστρωση χαλκού 2,5 χιλιοστομέτρων). Στην πραγματικότητα, το κύκλωμα χαλκού γίνεται αδιαπέραστο από τις μηχανικές καταπονήσεις που τοποθετούνται σε αυτό από τον θερμικό κύκλο.

Θερμική διαχείριση

Καθώς οι σχεδιαστές προσπαθούν να αποκτήσουν τη μέγιστη αξία και απόδοση από τα έργα τους, τα τυπωμένα κυκλώματα γίνονται πιο περίπλοκα και οδηγούνται σε υψηλότερες πυκνότητες ισχύος. Η μικρογραφία, η χρήση εξαρτημάτων ισχύος, οι ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες και οι απαιτήσεις υψηλού ρεύματος αυξάνουν τη σημασία της θερμικής διαχείρισης. Οι μεγαλύτερες απώλειες με τη μορφή θερμότητας, που συχνά παράγονται στη λειτουργία των ηλεκτρονικών, πρέπει να διαχέονται από την πηγή τους και να εκπέμπονται στο περιβάλλον. διαφορετικά, τα εξαρτήματα ενδέχεται να υπερθερμανθούν και ενδέχεται να προκύψουν βλάβες. Ωστόσο, τα βαρέα κυκλώματα χαλκού μπορούν να βοηθήσουν μειώνοντας τις απώλειες I2R και κάνοντας τη θερμότητα μακριά από πολύτιμα εξαρτήματα, μειώνοντας δραματικά τα ποσοστά αποτυχίας.

Προκειμένου να επιτευχθεί η κατάλληλη απορρόφηση θερμότητας από πηγές θερμότητας μέσα και πάνω στην επιφάνεια ενός κυκλώματος, χρησιμοποιούνται ψήκτρες. Ο σκοπός οποιασδήποτε ψήκτρας είναι να διαχέει τη θερμότητα μακριά από την πηγή της παραγωγής μέσω αγωγής και να εκπέμπει αυτή τη θερμότητα με τη μεταφορά στο περιβάλλον. Η πηγή θερμότητας στη μία πλευρά του σκάφους (ή εσωτερικές πηγές θερμότητας) συνδέεται με χάλκινες βίδες (μερικές φορές αποκαλούμενες "θύρες θέρμανσης") σε μια μεγάλη γυμνή περιοχή χαλκού στην άλλη πλευρά του πίνακα.

Γενικά, οι κλασικές ψήκτρες συνδέονται με αυτή την γυμνή επιφάνεια χαλκού με τη βοήθεια ενός θερμικά αγώγιμου συγκολλητικού υλικού ή σε μερικές περιπτώσεις με νευρώσεις ή βίδες. Οι περισσότερες ψύκτρες είναι κατασκευασμένες είτε από χαλκό είτε από αλουμίνιο. Η διαδικασία συναρμολόγησης που απαιτείται για τις κλασικές ψήκτρες αποτελείται από τρία εργατικά και δαπανηρά βήματα.

Για να ξεκινήσει, το μέταλλο που χρησιμεύει ως η ψύκτρα πρέπει να χαράσσεται ή να κόβεται στο επιθυμητό σχήμα. Το συγκολλητικό στρώμα πρέπει επίσης να κόβεται ή να σφραγίζεται για μια ακριβή τοποθέτηση μεταξύ της πλακέτας κυκλώματος και της ψήκτρας. Τέλος, ο ψύκτης πρέπει να τοποθετηθεί σωστά στο PCB και ολόκληρη η συσκευασία πρέπει να είναι επικαλυμμένη για ηλεκτρική ή / και αντοχή στη διάβρωση με ένα κατάλληλο λάκα ή επικάλυψη.

Κανονικά, η παραπάνω διαδικασία δεν μπορεί να αυτοματοποιηθεί και πρέπει να γίνει με το χέρι. Ο χρόνος και η εργασία που απαιτούνται για την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας είναι σημαντικές και τα αποτελέσματα είναι κατώτερα από μια μηχανικά αυτοματοποιημένη διαδικασία. Αντίθετα, οι ενσωματωμένες ψύκτρες δημιουργούνται κατά τη διαδικασία κατασκευής των PCB και δεν απαιτούν πρόσθετη συναρμολόγηση. Η τεχνολογία κυκλώματος βαρύ χαλκού το καθιστά δυνατό. Αυτή η τεχνολογία επιτρέπει την προσθήκη εύκαμπτων ψύκτρων χαλκού σχεδόν οπουδήποτε στις εξωτερικές επιφάνειες μιας σανίδας. Οι ψήκτρες ψεκάζονται με ηλεκτρολυτική επικάλυψη στην επιφάνεια και έτσι συνδέονται με τις επαφές θερμότητας χωρίς καμία διεπαφή που εμποδίζει τη θερμική αγωγιμότητα.

Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η προστιθέμενη επίστρωση χαλκού στη θέρμανση, η οποία μειώνει τη θερμική αντίσταση του σχεδιασμού του πίνακα, συνειδητοποιώντας ότι μπορούν να αναμένουν τον ίδιο βαθμό ακρίβειας και επαναληψιμότητας που είναι εγγενείς στην κατασκευή PCB. Επειδή οι επίπεδες περιελίξεις είναι στην πραγματικότητα επίπεδα αγώγιμα ίχνη που σχηματίζονται σε πολυστρωματικό χαλκό, βελτιώνουν τη συνολική πυκνότητα ρεύματος σε σύγκριση με τους κυλινδρικούς αγωγούς σύρματος. Αυτό το όφελος οφείλεται στην ελαχιστοποίηση της επίδρασης του δέρματος και στην υψηλότερη αποτελεσματικότητα μεταφοράς ρεύματος.

Τα επιδαπέδια αεροσκάφη επιτυγχάνουν εξαιρετική διηλεκτρική απομόνωση πρωτοβάθμιας-δευτεροβάθμιας και δευτεροβάθμιας-δευτεροβάθμιας, διότι το ίδιο διηλεκτρικό υλικό χρησιμοποιείται μεταξύ όλων των στρωμάτων, εξασφαλίζοντας πλήρη εγκαψούλωση όλων των τυλιγμάτων. Επιπρόσθετα, τα πρωτογενή τυλίγματα μπορούν να χυθούν έτσι ώστε τα δευτερεύοντα περιελίσσματα να περικλείονται μεταξύ των πρωτευόντων, επιτυγχάνοντας χαμηλή αγωγιμότητα διαρροής. Οι τυποποιημένες τεχνικές πλαστικοποίησης PCB, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία από εποξειδικές ρητίνες, μπορούν με ασφάλεια να σάντουιτς μέχρι και 50 στρώματα περιελίξεων χαλκού πάχους 10-oz / ft2.

Κατά τη διάρκεια της κατασκευής κυκλωμάτων βαρέος χαλκού, συνήθως αντιμετωπίζουμε σημαντικά πάχη επίστρωσης. συνεπώς, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι διαχωρισμοί των ιχνών και τα μεγέθη των μαξιλαριών. Για το λόγο αυτό, οι σχεδιαστές συμβουλεύονται να έχουν τον κατασκευαστή του σκάφους στο πλοίο νωρίς στη διαδικασία σχεδιασμού.

Τα προϊόντα ηλεκτρονικής ισχύος που χρησιμοποιούν βαριά κυκλώματα χαλκού έχουν χρησιμοποιηθεί εδώ και πολλά χρόνια στη στρατιωτική και την αεροδιαστημική βιομηχανία και κερδίζουν δυναμική ως τεχνολογία επιλογής σε βιομηχανικές εφαρμογές. Πιστεύεται ότι οι απαιτήσεις της αγοράς θα επεκτείνουν την εφαρμογή αυτού του τύπου προϊόντος στο εγγύς μέλλον.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

1. IPC-2221A