Rumah > Berita > Kandungan
Tembaga Berat dan Extreme Untuk Kebolehpercayaan Maksimum Dalam Reka Bentuk Dan Fabrikasi PCB
Jul 05, 2018

Pelbagai produk elektronik kuasa sedang dirancang setiap hari untuk pelbagai aplikasi. Semakin banyak, projek-projek ini memanfaatkan trend yang semakin meningkat dalam industri papan litar bercetak: tembaga berat dan PCB tembaga yang melampau.

Apa yang mentakrifkan litar tembaga berat? Kebanyakan PCB yang tersedia secara komersil dihasilkan untuk aplikasi voltan rendah / kuasa rendah, dengan kesan tembaga / pesawat yang terdiri daripada berat tembaga antara ½-oz / ft2 hingga 3-oz / ft2. Litar tembaga yang berat dihasilkan dengan berat tembaga di mana-mana di antara 4-oz / ft2 hingga 20-oz / ft2. Berat tembaga di atas 20-oz / ft2 dan sehingga 200-oz / ft2 juga mungkin dan dirujuk sebagai tembaga yang melampau.

Untuk tujuan perbincangan ini, kami akan memberi tumpuan terutamanya kepada tembaga berat. Meningkatkan berat tembaga digabungkan dengan substrat yang sesuai dan penyaduran tebal di lubang melalui mengubah litar yang lemah sekali tidak boleh dipercayai dan menjadi platform pendawaian yang tahan lama dan boleh dipercayai.

Pembinaan litar tembaga berat mengagihkan lembaga dengan faedah seperti:

Peningkatan ketahanan terhadap strain haba

Meningkatkan kapasiti penyimpanan semasa

Meningkatkan kekuatan mekanikal di tapak penyambung dan di lubang PTH

Bahan-bahan eksotik digunakan untuk potensi penuh mereka (iaitu, suhu tinggi) tanpa kegagalan litar

Mengurangkan saiz produk dengan menggabungkan berat tembaga berbilang pada lapisan litar yang sama (Rajah 1)

Vias bersalut tembaga yang berat membawa arus yang lebih tinggi melalui papan dan membantu memindahkan haba ke penyejuk luar

Heatsink on-board secara langsung dilapisi ke atas permukaan papan menggunakan sehingga 120-oz pesawat tembaga

Transformer planar berketumpatan tinggi berkapasiti tinggi di atas kapal

Walaupun keburukan adalah sedikit, penting untuk memahami pembinaan asas litar tembaga berat untuk menghargai kemampuan dan aplikasi yang berpotensi.

Rajah 1: Contoh yang memaparkan ciri-ciri tembaga 2-oz, 10-oz, 20-oz, dan 30-oz pada lapisan yang sama.

Pembinaan Litar Tembaga Berat

PCB piawai, sama ada bermuka dua atau multilayer, dihasilkan menggunakan kombinasi etsa tembaga dan proses penyaduran. Lapisan litar bermula sebagai kepingan nipis tembaga (biasanya 0.5-oz / ft2 hingga 2-oz / ft2) yang terukir untuk menghilangkan tembaga yang tidak diingini dan disalut untuk menambah ketebalan tembaga kepada pesawat, jejak, pad dan lubang berlapis. Semua lapisan litar dilaminasi ke dalam pakej lengkap dengan menggunakan substrat berasaskan epoksi, seperti FR-4 atau polyimide.

Lembaga yang menggabungkan litar tembaga yang berat dihasilkan dengan cara yang sama, walaupun dengan teknik etsa dan plating khusus, seperti pelekapan kelajuan tinggi / langkah dan etsa pembezaan. Dari segi sejarah, ciri-ciri tembaga berat telah terbentuk sepenuhnya dengan menampakkan bahan papan laminated berlapis tebal yang tebal, menyebabkan penjejakan sisi tidak sekata dan pemotongan yang tidak dapat diterima. Kemajuan dalam teknologi penyaduran telah membolehkan ciri-ciri tembaga berat dibentuk dengan gabungan penyaduran dan etsa, menyebabkan sidewalk lurus dan lekukan yang tidak diingini.

Penyaduran litar tembaga yang berat membolehkan fabrik papan untuk meningkatkan ketebalan tembaga dalam lubang berlapis dan melalui dinding samping. Ia kini mungkin untuk mencampur tembaga berat dengan ciri-ciri standard pada satu papan. Keuntungan termasuk kiraan lapisan dikurangkan, pengagihan kuasa impedans yang rendah, jejak kaki yang lebih kecil dan penjimatan kos yang berpotensi.

Biasanya, litar arus tinggi / tinggi dan litar kawalannya dihasilkan secara berasingan di papan berasingan. Penyaduran tembaga yang berat memungkinkan untuk mengintegrasikan litar semasa dan litar kawalan untuk merealisasikan struktur lembaga yang sangat padat dan ringkas.

Ciri-ciri tembaga yang berat boleh disambung dengan lancar ke litar standard. Ciri-ciri tembaga dan standard yang berat boleh diletakkan dengan sekatan yang minimum dengan pereka dan pembuat fabrikasi membincangkan toleransi dan kebolehan pembuatan sebelum reka bentuk akhir (Rajah 2).

Rajah 2: Ciri 2-oz menyambungkan litar kawalan manakala ciri-ciri 20-oz membawa beban tinggi semasa.

Kapasiti Menjalankan Semasa dan Suhu Meningkat

Berapa banyak arus boleh litar tembaga selamat dibawa? Inilah soalan yang sering disuarakan oleh pereka yang ingin memasukkan litar tembaga berat ke dalam projek mereka. Soalan ini biasanya dijawab dengan soalan lain: Berapa banyak kenaikan haba yang boleh menahan projek anda? Persoalan ini ditimbulkan kerana kenaikan haba dan arus arus bergerak dalam tangan. Mari cuba jawab kedua soalan ini bersama-sama.

Apabila aliran semasa sepanjang jejak, terdapat I2R (kehilangan kuasa) yang menyebabkan pemanasan setempat. Jejak itu sejuk dengan pengaliran (ke bahan-bahan jiran) dan perolakan (ke alam sekitar). Oleh itu, untuk mencari jejak maksimum jejak yang boleh dibawa dengan selamat, kita mesti mencari cara untuk menganggarkan peningkatan haba yang berkaitan dengan semasa yang digunakan. Keadaan yang ideal adalah untuk mencapai suhu operasi stabil di mana kadar pemanasan bersamaan dengan kadar penyejukan. Mujurlah, kami mempunyai formula IPC yang boleh kami gunakan untuk memodelkan acara ini.

IPC-2221A: pengiraan keupayaan semasa trek luaran [1]:

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

Di mana saya berada semasa (amps), DT adalah kenaikan suhu (° C), W adalah lebar jejak (mil) dan Th adalah ketebalan jejak (mil). Jejak dalaman harus dikurangkan sebanyak 50% (anggaran) untuk tahap pemanasan yang sama. Menggunakan formula IPC yang kami hasilkan Rajah 3, menunjukkan kapasiti bawaan semasa beberapa jejak di kawasan keratan rentas yang berlainan dengan kenaikan suhu 30 ° C.

Rajah 3: Anggaran semasa bagi dimensi jejak yang diberikan (kenaikan suhu 20˚C).

Apa yang menjadi kenaikan haba yang boleh diterima akan berbeza dari projek ke projek. Kebanyakan bahan dielektrik papan litar boleh menahan suhu 100 ° C di atas ambien, walaupun perubahan suhu ini tidak dapat diterima dalam kebanyakan situasi.

Kekuatan dan Surviviti Lembaga Litar

Pengeluar dan pereka papan litar boleh memilih dari pelbagai bahan dielektrik, dari FR-4 (suhu operasi 130 ° C) ke polimid suhu tinggi (suhu operasi 250 ° C). Keadaan persekitaran suhu tinggi atau ekstrem boleh memanggil bahan eksotik, tetapi jika jejak litar dan vias bersalut adalah standard 1-oz / ft2, adakah mereka dapat bertahan dalam keadaan yang melampau? Industri papan litar telah membangunkan kaedah ujian untuk menentukan integriti haba produk litar siap. Strain termal datang dari pelbagai fabrikasi papan, pemasangan dan proses pembaikan, di mana perbezaan antara pekali pengembangan haba (CTE) Cu dan Laminate PWB memberikan daya penggerak bagi retak nukleasi dan pertumbuhan kegagalan litar. Ujian kitaran termal (TCT) memeriksa peningkatan rintangan litar kerana ia mengalami basikal terma udara ke udara dari 25 ° C hingga 260 ° C.

Peningkatan rintangan menunjukkan pecahan integriti elektrik melalui keretakan dalam litar tembaga. Reka bentuk kupon piawai untuk ujian ini menggunakan rantai 32 melalui lubang berlapis, yang telah lama dianggap sebagai titik terlemah dalam litar apabila tertekan dengan tekanan terma.

Kajian kitaran termal yang dilakukan pada papan FR-4 yang standard dengan 0.8-mil untuk penyaduran tembaga 1.2-mil telah menunjukkan bahawa 32% litar gagal selepas lapan kitaran (peningkatan rintangan 20% dianggap kegagalan). Kajian kitar termal yang dilakukan pada bahan-bahan eksotik menunjukkan peningkatan yang ketara terhadap kadar kegagalan ini (3% selepas lapan kitaran untuk ester cyanate), tetapi harganya mahal (lima hingga 10 kali kos bahan) dan sukar diproses. Perhimpunan teknologi pemasangan permukaan rata melihat sekurang-kurangnya empat kitaran haba sebelum penghantaran, dan dapat melihat dua kitaran haba tambahan bagi setiap pembaikan komponen.

Ia tidak munasabah untuk lembaga SMOBC yang telah menjalani kitaran pembaikan dan penggantian untuk mencapai sembilan atau 10 kitaran haba. Keputusan TCT dengan jelas menunjukkan bahawa kadar kegagalan, tidak kira apa bahan papan, boleh menjadi tidak dapat diterima. Pengeluar papan litar bercetak tahu bahawa penyaduran tembaga bukanlah perubahan sains yang tepat dalam kepadatan semasa di seluruh papan dan melalui banyak lubang / melalui saiz menghasilkan variasi ketebalan tembaga sehingga 25% atau lebih. Kebanyakan kawasan "tembaga nipis" berada di dinding berlapis-lubang - hasil TCT jelas menunjukkan ini menjadi kes.

Menggunakan litar tembaga berat akan mengurangkan atau menghapuskan kegagalan ini sama sekali. Penyaduran 2-oz / ft2 tembaga ke dinding lubang mengurangkan kadar kegagalan kepada hampir sifar (hasil TCT menunjukkan kadar kegagalan 0.57% selepas lapan kitaran untuk standard FR-4 dengan sekurang-kurangnya 2,5-tembaga penyaduran tembaga). Sebenarnya, litar tembaga menjadi tidak tahan terhadap tekanan mekanikal yang diletakkan di atasnya dengan berbasikal terma.

Pengurusan terma

Sebagai pereka berusaha untuk mendapatkan nilai dan prestasi maksimum dari projek mereka, litar bercetak menjadi lebih kompleks dan didorong ke kepadatan kuasa yang lebih tinggi. Pengaturcaraan, penggunaan komponen kuasa, keadaan alam sekitar yang melampau dan keperluan semasa yang tinggi meningkatkan kepentingan pengurusan haba. Kerugian yang lebih tinggi dalam bentuk haba, yang sering dijana dalam operasi elektronik, harus hilang dari sumbernya dan dipancarkan kepada alam sekitar; jika tidak, komponen boleh menjadi terlalu panas dan kegagalan mungkin berlaku. Walau bagaimanapun, litar tembaga berat boleh membantu dengan mengurangkan kerugian I2R dan dengan melakukan haba dari komponen berharga, mengurangkan kadar kegagalan secara dramatik.

Untuk mencapai pelesapan haba yang betul dari sumber haba di dalam dan di permukaan papan litar, heatsink digunakan. Tujuan setiap heatsink adalah menghilangkan haba dari sumber generasi melalui konduksi dan memancarkan haba ini dengan perolakan kepada alam sekitar. Sumber panas pada satu sisi papan (atau sumber panas dalaman) dihubungkan dengan vias tembaga (kadang-kadang disebut "vias panas") ke kawasan tembaga telanjang yang besar di sisi lain papan.

Secara amnya, heatsink klasik yang terikat pada permukaan tembaga terdedah ini dengan menggunakan pelekat konduktif termal atau dalam beberapa kes, dipetik atau digerat. Kebanyakan heatsink diperbuat daripada tembaga atau aluminium. Proses perhimpunan yang diperlukan untuk heatsink klasik terdiri daripada tiga langkah intensif buruh dan mahal.

Untuk memulakan, logam yang berfungsi sebagai heatsink mesti ditumbuk atau dipotong kepada bentuk yang diperlukan. Lapisan pelekat juga mesti dipotong atau dicop untuk ketepatan ketepatan antara papan litar dan heatsink. Last but not least, heatsink mesti diletakkan dengan betul pada PCB dan seluruh pakej perlu dilapisi untuk ketahanan elektrik dan / atau kakisan dengan lakuer atau penutup yang sesuai.

Biasanya, proses di atas tidak boleh dilakukan secara automatik dan mesti dilakukan dengan tangan. Masa dan kerja yang diperlukan untuk menyelesaikan proses ini adalah penting, dan keputusannya adalah lebih rendah daripada proses automatik mekanikal. Sebaliknya, heatsink terbina dalam dicipta semasa proses pembuatan PCB dan tidak memerlukan pemasangan tambahan. Teknologi litar tembaga yang berat menjadikan ini mungkin. Teknologi ini membolehkan penambahan heatsink tembaga tebal hampir di mana-mana di permukaan luar papan. Heatsinks dielektrik di permukaan dan dengan itu disambungkan ke vias haba yang dilakukan tanpa sebarang antarmuka yang menghalang kekonduksian terma.

Manfaat lain adalah penyaduran tembaga tambahan dalam vias haba, yang mengurangkan rintangan haba reka bentuk papan, menyedari bahawa mereka boleh mengharapkan tahap ketepatan dan pengulangan yang sama yang wujud dalam pembuatan PCB. Kerana belitan planar sebenarnya adalah jejak konduktif yang terbentuk pada laminat berpakaian tembaga, mereka meningkatkan kepadatan arus keseluruhan berbanding konduktor wayar silinder. Manfaat ini adalah disebabkan oleh pengurangan kesan kulit dan kecekapan membawa arus yang lebih tinggi.

Pelan on-board mencapai pengasingan dielektrik utama dan menengah dan menengah yang sangat baik kerana bahan dielektrik yang sama digunakan di antara semua lapisan, memastikan enkapsulasi lengkap bagi semua belitan. Di samping itu, belitan utama boleh ditumpah supaya lilitan menengah diapit di antara primaries, mencapai induktansi kebocoran yang rendah. Teknik salutan piawai PCB, dengan menggunakan pelbagai resin epoksi, dapat dengan mudah sandwic sehingga 50 lapisan lilitan tembaga setebal 10-oz / ft2.

Semasa pembuatan litar tembaga berat, kami biasanya berurusan dengan ketebalan penyaduran yang ketara; oleh itu, elaun harus dibuat dalam menentukan pemisahan jejak dan saiz pad. Atas sebab ini, para pereka dinasihatkan untuk memiliki pembuat papan di papan awal dalam proses reka bentuk.

Produk elektronik kuasa yang menggunakan litar tembaga berat telah digunakan selama bertahun-tahun dalam industri ketenteraan dan aeroangkasa dan mendapat momentum sebagai teknologi pilihan dalam aplikasi perindustrian. Adalah dipercayai bahawa keperluan pasaran akan memperluaskan penggunaan jenis produk ini dalam masa terdekat.

Rujukan:

1. IPC -2221A