Casa > Notícies > Contingut
Cobre pesat i extrem per la màxima fiabilitat en el disseny i la fabricació de PCB
Jul 05, 2018

S'estan dissenyant diversos productes d'electrònica de potència cada dia per a una sèrie d'aplicacions. Cada vegada més, aquests projectes aprofiten una tendència creixent en la indústria del tauler de circuits impresos: coure pesat i PCB de coure extrem.

Què defineix un circuit de coure pesat? La major part dels PCB disponibles comercialment es fabriquen per a aplicacions de baixa tensió o baixa potència, amb traces de coure o plans formats per pesos de coure que van des de ½ oz / ft2 fins a 3 oz / ft2. Un pesat circuit de coure es fabrica amb peses de coure entre 4 oz / ft2 a 20 oz / ft2. Els pesos de coure per sobre de 20-oz / ft2 i fins a 200-oz / ft2 també són possibles i es denominen coure extrem.

Als efectes d'aquesta discussió, ens centrarem principalment en el coure pesat. L'augment del pes de coure combinat amb un substrat adequat i un revestiment més gruixut en els forats passen a convertir-se en una placa de circuit feble i poc fiable en una plataforma de cablejat duradora i fiable.

La construcció d'un circuit de coure pesat fa que el tauler tingui beneficis com:

Major resistència a les soques tèrmiques

Augment de la capacitat de càrrega de corrent

Augment de la força mecànica als llocs de connexió i en forats PTH

Materials exòtics que s'utilitzen al màxim (és a dir, d'alta temperatura) sense fallada de circuit

Reducció de la mida del producte mitjançant la incorporació de múltiples pesos de coure a la mateixa capa de circuits (Figura 1)

Les vies de coure pesades de coure porten corrent més gran a través de la placa i ajuden a transferir calor a un dissipador de calor extern

Els dissipadors elèctrics a bord es van emplenar directament sobre la superfície de la placa utilitzant fins a 120 avions de coure

Transformadors planos a alta velocitat a bord

Encara que els desavantatges són pocs, és important comprendre la construcció bàsica del circuit de coure pesat per apreciar plenament les seves capacitats i aplicacions potencials.

Figura 1: Mostra que presenta funcions de coure de 2 oz, 10 oz, 20 oz i 30 oz en la mateixa capa.

Construcció de circuits pesats de coure

Els PCB estàndard, ja sigui de doble cara o multicapa, es fabriquen mitjançant una combinació de processos de gravat i revestiment de coure. Les capes de circuit comencen com fulles primes de làmina de coure (generalment de 0,5 oz / ft2 a 2 oz / ft2) que es graven per eliminar el coure no desitjat i es van coure per afegir un gruix de coure a plans, traços, coixinets i forats recoberts. Totes les capes del circuit es laminen en un paquet complet utilitzant un substrat basat en epoxi, com el FR-4 o la poliimida.

Les juntes que incorporen circuits de coure pesats es produeixen exactament de la mateixa manera, encara que amb tècniques especialitzades d'enregistrament i revestiment, com ara l'alta velocitat / el pas i el gravat diferencial. Històricament, les característiques de coure pesades es van formar íntegrament per gravat de material laminat laminat de coure gruixut, provocant parets laterals de traça irregulars i una subcotera inacceptable. Els avenços en la tecnologia de revestiment han permès formar formes de coure pesades amb una combinació de revestiment i gravat, resultant en laterals rectes i subcutors menyspreables.

La planxa d'un circuit de coure pesat permet que el fabricant de la placa augmenti la quantitat d'espessor de coure en els forats i per les parets laterals. Ara és possible barrejar coure pesat amb característiques estàndard en una sola placa. Els avantatges inclouen un recompte de capçal reduït, una distribució de potència d'impedància baixa, petjades més petites i estalvis potencials de costos.

Normalment, els circuits de gran corrent / alta potència i els seus circuits de control es van produir per separat en taulers independents. L'elevat nivell de coure permet integrar circuits d'alta intensitat i circuits de control per realitzar una estructura de tauler molt densa, però senzilla.

Les funcions de coure pesades es poden connectar sense problemes a circuits estàndard. Es pot col · locar un coure pesat i característiques estàndard amb una restricció mínima sempre que el dissenyador i el fabricant discuteixin les toleràncies i habilitats de fabricació abans del disseny final (Figura 2).

Figura 2: Les característiques de 2 oz presenten circuits de control mentre les característiques de 20 oz presenten càrregues d'alt nivell.

Potència actual de càrrega i augment de temperatura

Quant de corrent pot portar un circuit de coure amb seguretat? Aquesta és una pregunta sovint expressada pels dissenyadors que volen incorporar circuits de coure pesats al seu projecte. En general, aquesta pregunta es respon amb una altra pregunta: quina potència de calor pot suportar el vostre projecte? Aquesta pregunta es planteja perquè l'augment de calor i el flux actual van de la mà. Intentem respondre ambdues a aquestes preguntes.

Quan els fluxos corrents al llarg d'una traça, hi ha un I2R (pèrdua de potència) que resulta en calefacció localitzada. La traça es refreda per conducció (en materials veïns) i convecció (cap al medi ambient). Per tant, per trobar el màxim de corrent que pot tenir una traça amb seguretat, cal buscar una manera d'estimar l'augment de calor associat amb el corrent aplicat. Una situació ideal seria arribar a una temperatura de funcionament estable, on la velocitat de calefacció equival a la velocitat de refredament. Afortunadament, tenim una fórmula de l'IPC que podem utilitzar per modelar aquest esdeveniment.

IPC-2221A: càlcul per a la capacitat actual d'una pista externa [1]:

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

On estic actual (amperes), DT és l'augment de la temperatura (° C), W és l'amplada del rastre (mil) i Th és el gruix de la traça (mil). Les traces internes s'han de reduir en un 50% (estimació) pel mateix grau de calefacció. Mitjançant la fórmula de l'IPC es va generar la Figura 3, que mostra la capacitat de transport actual de diversos rastres de diferents àrees transversals amb un augment de la temperatura de 30 ° C.

Figura 3: Corrent aproximat per a les dimensions de la pista determinada (pujada temporal de 20˚C).

El que constitueix una quantitat acceptable d'augment de calor variarà del projecte al projecte. La majoria dels materials dielèctrics de placa de circuit poden suportar temperatures de 100 ° C per sobre de l'ambient, encara que aquesta quantitat de canvi de temperatura seria inacceptable en la majoria de situacions.

Força i supervivència del tauler de circuits

Els fabricants i dissenyadors de taulers de circuits poden triar entre una varietat de materials dielèctrics, des de l'estàndard FR-4 (temperatura de funcionament 130 ° C) fins a la poliimida d'alta temperatura (temperatura de funcionament 250 ° C). Una situació d'alt ambient o temperatura extremada pot exigir un material exòtic, però si les traces del circuit i les vies platejades són estàndard de 1 oz / ft2, sobreviuran a les condicions extremes? La indústria del tauler de circuits ha desenvolupat un mètode d'assaig per determinar la integritat tèrmica d'un producte de circuit acabat. Les soques tèrmiques provenen de diversos processos de fabricació, muntatge i reparació de taulers, on les diferències entre el coeficient d'expansió tèrmica (CTE) de Cu i el laminat PWB proporcionen la força motriu de la nucleació de crack i el creixement a la falla del circuit. Les proves de cicle tèrmic (TCT) comproven un augment de la resistència d'un circuit ja que se sotmet a un ciclisme tèrmic aire-a-aire de 25 ° C a 260 ° C.

Un augment de la resistència indica una ruptura en la integritat elèctrica a través d'esquerdes en el circuit de coure. Un disseny de cupó estàndard per a aquesta prova utilitza una cadena de 32 forats recorreguts, que durant molt temps s'ha considerat com el punt més feble d'un circuit quan està sotmès a l'estrès tèrmic.

Els estudis de cicle tèrmic realitzats en panells FR-4 estàndard amb plaques de coure de 0,8 mil a 1,2 mil han demostrat que el 32% dels circuits fallen després de vuit cicles (un increment del 20% en la resistència es considera un fracàs). Els estudis de cicle tèrmic realitzats en materials exòtics mostren millores significatives d'aquesta taxa de fracàs (un 3% després de vuit cicles d'èster de cianat), però són prohibitivament cars (de cinc a deu vegades els costos materials) i difícils de processar. Un conjunt de tecnologia de muntatge de superfície mitjana veu un mínim de quatre cicles tèrmics abans de l'enviament, i es van poder veure dos cicles tèrmics addicionals per a cada reparació de components.

No és raonable que un tauler SMOBC que hagi passat per un cicle de reparació i substitució arribi a un total de nou o deu cicles tèrmics. Els resultats de TCT mostren clarament que la taxa de fracàs, independentment del material del tauler, esdevingui inacceptable. Els fabricants de taulers de targetes impreses saben que l'electrodeposició de coure no és una ciència exacta: els canvis en les densitats de corrent a través d'un tauler i, a través de nombroses mesures de forat / via, generen variacions de gruix del coure fins a un 25% o més. La majoria de les àrees de "coure fi" es troben en parets de forats, els resultats de TCT mostren clarament que aquest és el cas.

L'ús de circuits de coure pesats reduiria o eliminés aquests fracassos per complet. El revestiment de 2 oz / ft2 de coure a una paret de forats redueix la taxa de fracàs a gairebé zero (els resultats de TCT mostren una taxa de fracàs del 0,57% després de vuit cicles per a la norma FR-4 amb un mínim de 2,5 quilograms de coure). En efecte, el circuit de coure es fa impermeable a les tensions mecàniques que hi posa el ciclisme tèrmic.

Gestió tèrmica

Com que els dissenyadors s'esforcen per obtenir el màxim valor i rendiment dels seus projectes, els circuits impresos són cada vegada més complexos i es mouen a majors densitats de potència. La miniaturització, l'ús de components de potència, les condicions ambientals extremes i els requisits d'alta actualitat augmenten la importància de la gestió tèrmica. Les pèrdues més elevades en forma de calor, que sovint es generen en el funcionament de l'electrònica, han de ser dissipades des de la seva font i irradiades al medi ambient; en cas contrari, els components podrien sobreescalfar-se i es podrien produir errors. Tanmateix, els circuits pesats de coure poden ajudar a reduir les pèrdues d'I2R i aportar calor allunyant-se de components valuosos, reduint de manera dramàtic les taxes d'error.

Per aconseguir una dissipació adequada de la calor de les fonts de calor a la superfície d'una placa de circuits ia la superfície, s'utilitzen dissipadors de calor. El propòsit de qualsevol disipador elèctric és dissipar la calor allunyada de la font de generació per conducció i emetre aquesta calor per convecció al medi ambient. La font de calor en un costat de la placa (o fonts de calor internes) està connectada per ventes de coure (de vegades anomenades "vies de calor") a una gran zona de coure desplegable a l'altre costat de la placa.

En general, els dissipadors de calor clàssics estan units a aquesta superfície de coure desnivell mitjançant un adhesiu tèrmicament conductor o, en alguns casos, són reblats o cargolats. La majoria dels dissipadors de calor són de coure o d'alumini. El procés de muntatge requerit per a dissipadors de calor clàssics consisteix en tres passos molt intensius i costosos.

Per començar, el metall que serveix com a dissipador de calor ha de ser perforat o tallat a la forma requerida. La capa adhesiva també s'ha de tallar o estampar per un ajust de precisió entre la placa de circuit i el disipador de calor. Per últim, el disipador elèctric ha d'estar convenientment posicionat a la PCB i tot el paquet ha de ser revestit per resistència elèctrica i / o corrosió amb una laca adequada o una capa de coberta.

Normalment, el procés anterior no es pot automatitzar i s'ha de fer a mà. El temps i el treball necessaris per completar aquest procés són importants, i els resultats són inferiors a un procés automatitzat automàticament. Per contra, els dissipadors de calor incorporats es creen durant el procés de fabricació de PCB i no requereixen un muntatge addicional. La tecnologia de circuit de coure pesat fa que això sigui possible. Aquesta tecnologia permet l'addició de dissipadors de coure gruixuts pràcticament a qualsevol lloc de les superfícies exteriors d'un tauler. Els dissipadors de calor són galvanitzats a la superfície i, per tant, connectats a les vies conductores de calor sense cap interfície que impedeixi la conductivitat tèrmica.

Un altre avantatge és el coure de coure afegit en les vies de calor, que redueix la resistència tèrmica del disseny de la placa, adonant-se que poden esperar el mateix grau de precisió i repetibilitat inherents a la fabricació de PCB. Com que els bobinats plans són traces conductores planes formades sobre un laminat de coure, milloren la densitat de corrent general en comparació amb els conductors de filferro cilíndric. Aquest benefici es deu a la minimització de l'efecte de la pell i una major eficiència de transport actual.

Els planars a bord aconsegueixen un excel·lent aïllament dielèctric primari a secundari i secundari a secundari perquè s'utilitza el mateix material dielèctric entre totes les capes, cosa que garanteix una completa encapsulació de tots els bobinatges. A més, els bobinatges primaris poden vessar-se de manera que els bobinatges secundaris estiguin intercalats entre les primàries, aconseguint una baixa inductància de fugues. Les tècniques de laminació estàndard de PCB, utilitzant una varietat de resines epoxi, poden empaquetar amb seguretat fins a 50 capes de bobines de coure tan gruixudes com 10-oz / ft2.

Durant la fabricació de circuits de coure pesats, solem tractar amb gruixos significatius de la planxa; per tant, s'han de fer distincions en la definició de separacions de traça i talles de pad. Per aquest motiu, es recomana als dissenyadors que tinguin el fabricant de taules a bord des del principi del procés de disseny.

Els productes d'electrònica de potència que utilitzen circuits de coure pesats han estat utilitzats durant molts anys en la indústria militar i aeroespacial i estan guanyant impuls com una tecnologia d'elecció en aplicacions industrials. Es creu que els requisits del mercat ampliaran l'aplicació d'aquest tipus de producte en un futur pròxim.

Referències:

1. IPC -2221A