Huis > Nieuws > Inhoud
Zwaar en extreem koper voor maximale betrouwbaarheid bij PCB-ontwerp en fabricage
Jul 05, 2018

Verschillende producten voor vermogenselektronica worden elke dag ontworpen voor een reeks toepassingen. Steeds vaker profiteren deze projecten van een groeiende trend in de printplaatindustrie: zware koperen en extreem koperen PCB's.

Wat definieert een zwaar kopercircuit? De meeste in de handel verkrijgbare PCB's zijn vervaardigd voor laagspannings- / laagvermogentoepassingen, met kopersporen / vlakken die bestaan uit koperen gewichten van ½-oz / ft2 tot 3-oz / ft2. Een zwaar koperen circuit wordt vervaardigd met koperen gewichten tussen 4-oz / ft2 tot 20-oz / ft2. Kopergewichten van meer dan 20-oz / ft2 en tot 200-oz / ft2 zijn ook mogelijk en worden aangeduid als extreem koper.

Voor de doeleinden van deze discussie zullen we ons voornamelijk richten op zwaar koper. Het verhoogde kopergewicht in combinatie met een geschikt substraat en dikkere beplating in de doorlopende gaten transformeren de eens onbetrouwbare, zwakke printplaat in een duurzaam en betrouwbaar bedradingsplatform.

De constructie van een zwaar koperen circuit schenkt een bord met voordelen zoals:

Verhoogd uithoudingsvermogen van thermische spanningen

Verhoogde stroomcapaciteit

Verhoogde mechanische sterkte op connectorplaatsen en in PTH-gaten

Exotische materialen gebruikt om hun volledige potentieel (dat wil zeggen, hoge temperatuur) zonder stroomstoring

Verminderde productomvang door meerdere koperen gewichten op dezelfde schakellaar op te nemen (figuur 1)

Zware, met koper beklede vias dragen een hogere stroom door het bord en dragen bij aan de overdracht van warmte naar een extern koellichaam

Heatsinks aan boord die rechtstreeks op het oppervlak van de plaat zijn aangebracht met behulp van koperoppervlakken tot 120 oz

Geïntegreerde planaire transformatoren met hoge vermogensdichtheid

Hoewel de nadelen klein zijn, is het belangrijk om de basisconstructie van het zware koperen circuit te begrijpen om de mogelijkheden en mogelijke toepassingen volledig te kunnen waarderen.

Figuur 1: Voorbeeld met 2-oz, 10-oz, 20-oz en 30-oz koperen functies op dezelfde laag.

Zware koperen circuitconstructie

Standaardprintplaten, dubbelzijdig of multilaags, worden vervaardigd met behulp van een combinatie van koper-etsen en galvaniseerprocessen. Circuitlagen beginnen als dunne vellen koperfolie (meestal 0,5-oz / ft2 tot 2-oz / ft2) die zijn geëtst om ongewenst koper te verwijderen en die zijn geplateerd om koperdikte toe te voegen aan vlakken, sporen, pads en geplateerde doorlopende gaten. Alle circuitlagen zijn gelamineerd in een complete verpakking met behulp van een substraat op epoxybasis, zoals FR-4 of polyimide.

Planken met zware koperen circuits worden op precies dezelfde manier geproduceerd, zij het met gespecialiseerde ets- en beplatingstechnieken, zoals high-speed / step plating en differentiële etsing. Historisch werden zware koperkarakteristieken volledig gevormd door het etsen van dik met koper bekleed gelamineerd plaatmateriaal, waardoor ongelijke sporenzijwanden en onaanvaardbare ondersnijding werden veroorzaakt. Dankzij de verbeterde plateringstechnologie konden zware koperen kenmerken worden gevormd met een combinatie van beplating en etsen, resulterend in rechte zijwanden en verwaarloosbare ondersnijding.

Het plateren van een zwaar koperen circuit maakt het voor de bordfabrikant mogelijk om de hoeveelheid koperdikte in geplateerde gaten en via zijwanden te vergroten. Het is nu mogelijk om zwaar koper met standaardfuncties op één bord te mengen. Voordelen zijn onder meer een verminderd aantal lagen, een lage impedantie stroomverdeling, kleinere footprints en mogelijke kostenbesparingen.

Normaal gesproken werden hoogvermogen / hoogvermogencircuits en hun regelcircuits afzonderlijk op afzonderlijke kaarten geproduceerd. Zwaar koperplateren maakt het mogelijk om sterkstroomcircuits en regelcircuits te integreren om een zeer dichte, maar toch eenvoudige bordstructuur te realiseren.

De zware koperen functies kunnen naadloos worden aangesloten op standaardcircuits. Zwaar koper en standaardfuncties kunnen met minimale restrictie worden geplaatst, op voorwaarde dat de ontwerper en de fabrikant voorafgaand aan het definitieve ontwerp productietoleranties en -vaardigheden bespreken (Figuur 2).

Figuur 2: 2 oz-functies verbinden regelcircuits, terwijl 20-oz-functies hoge stroombelastingen dragen.

Huidige draagcapaciteit en temperatuurstijging

Hoeveel stroom kan een kopercircuit veilig dragen? Dit is een vraag die vaak wordt geuit door ontwerpers die zware koperen circuits willen integreren in hun project. Deze vraag wordt meestal beantwoord met een andere vraag: Hoeveel warmtestijging kan uw project weerstaan? Deze vraag wordt gesteld omdat warmtestijging en stroomsterkte hand in hand gaan. Laten we proberen om deze beide vragen samen te beantwoorden.

Wanneer stroom langs een trace loopt, is er een I2R (vermogensverlies) die leidt tot lokale verwarming. Het spoor koelt door geleiding (in aangrenzende materialen) en convectie (in de omgeving). Daarom moeten we, om de maximale stroom te vinden die een spoor veilig kan dragen, een manier vinden om de warmtestijging in verband met de toegepaste stroom te schatten. Een ideale situatie zou zijn om een stabiele bedrijfstemperatuur te bereiken waarbij de verwarmingssnelheid gelijk is aan de afkoelsnelheid. Gelukkig hebben we een IPC-formule die we kunnen gebruiken om dit evenement te modelleren.

IPC-2221A: berekening van de huidige capaciteit van een externe track [1]:

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

Waar ik stroom (versterkers) is, is DT temperatuurstijging (° C), W is de breedte van het spoor (mil) en Th is de dikte van het spoor (mil). Interne sporen moeten met 50% worden verlaagd (schatting) voor dezelfde mate van verwarming. Met behulp van de IPC-formule hebben we figuur 3 gegenereerd, die de stroomvoerende capaciteit van verschillende sporen met verschillende doorsnedegebieden met een temperatuurstijging van 30 ° C laat zien.

Figuur 3: Geschatte stroom voor gegeven spoorafmetingen (20˚C temp stijging).

Wat een acceptabele hoeveelheid warmtestijging is, verschilt van project tot project. De meeste diëlektrische printplaten van de printplaat kunnen temperaturen van 100 ° C boven omgevingstemperatuur weerstaan, hoewel deze hoeveelheid temperatuurverandering in de meeste situaties onaanvaardbaar zou zijn.

Printplaatsterkte en overlevingsvermogen

Fabrikanten en ontwerpers van printplaten kunnen kiezen uit een verscheidenheid aan diëlektrische materialen, van standaard FR-4 (bedrijfstempera-tuur 130 ° C) tot polyimide met hoge temperatuur (werktemperatuur 250 ° C). Een omgeving met hoge temperaturen of extreme omstandigheden kan een exotisch materiaal vereisen, maar als het circuit traces en geplateerde via's zijn standaard 1-oz / ft2, overleven ze dan de extreme omstandigheden? De printplaatindustrie heeft een testmethode ontwikkeld voor het bepalen van de thermische integriteit van een afgewerkt circuitproduct. Thermische stammen komen uit verschillende bordfabricage-, montage- en reparatieprocessen, waarbij de verschillen tussen de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van Cu en het PWB-laminaat de drijvende kracht vormen voor scheurvorming en groei tot falen van het circuit. Thermische cyclus testen (TCT) controleert op een toename van de weerstand van een circuit als het lucht-lucht thermische cycli van 25 ° C tot 260 ° C ondergaat.

Een toename in weerstand duidt op een storing in de elektrische integriteit via scheuren in het koperen circuit. Een standaard couponontwerp voor deze test maakt gebruik van een ketting van 32 geplateerde doorlopende gaten, die lang werd beschouwd als het zwakste punt in een circuit dat werd blootgesteld aan thermische spanning.

Thermische cyclusstudies uitgevoerd op standaard FR-4-platen met 0,8 mil tot 1,2 mil koperafzetting hebben aangetoond dat 32% van de circuits uitvallen na acht cycli (een 20% toename in weerstand wordt als een fout beschouwd). Thermische cyclusstudies uitgevoerd op exotische materialen tonen significante verbeteringen aan dit faalpercentage (3% na acht cycli voor cyanaatester), maar zijn onbetaalbaar (vijf tot tien maal de materiaalkosten) en moeilijk te verwerken. Een gemiddelde opbouw met oppervlaktemontage ziet een minimum van vier thermische cycli vóór verzending en zou nog eens twee thermische cycli kunnen zien voor elke componentreparatie.

Het is niet onredelijk voor een SMOBC-bord dat door een reparatie- en vervangingscyclus is gegaan om een totaal van negen of tien thermische cycli te bereiken. De resultaten van de TCT laten duidelijk zien dat het percentage mislukkingen, ongeacht het materiaal van de plaat, onaanvaardbaar kan worden. Fabrikanten van printplaten weten dat het galvaniseren van koper geen exacte wetenschap is - veranderingen in stroomdichtheden over een plaat en door talloze gat / via-afmetingen resulteren in koperdiktevariaties van maximaal 25% of meer. De meeste gebieden van "dun koper" bevinden zich op muren met een geplateerde opening - de TCT-resultaten laten duidelijk zien dat dit het geval is.

Het gebruik van zware koperen circuits zou deze storingen volledig verminderen of elimineren. Het plateren van 2-oz / ft2 koper naar een gatwand vermindert de uitvalfrequentie tot bijna nul (TCT-resultaten tonen een uitvalpercentage van 0,57% na acht cycli voor standaard FR-4 met een minimum van 2,5 mil koperafzetting). In feite wordt het koperen circuit ongevoelig voor de mechanische belastingen die het door de thermische cycli worden opgelegd.

Thermisch beheer

Omdat ontwerpers streven naar maximale waarde en prestaties van hun projecten, worden gedrukte circuits steeds complexer en worden ze naar hogere energiedichtheden gedreven. Miniaturisatie, gebruik van vermogenscomponenten, extreme omgevingscondities en hoge stroomvereisten verhogen het belang van thermisch beheer. De hogere verliezen in de vorm van warmte, die vaak wordt gegenereerd in de werking van elektronica, moeten worden afgevoerd van de bron en worden uitgestraald naar de omgeving; anders kunnen de componenten oververhit raken en kunnen storingen optreden. Zware koperen circuits kunnen echter helpen door de I2R-verliezen te verminderen en door warmte weg te leiden van waardevolle componenten, waardoor de uitvalpercentages drastisch verminderen.

Om een goede warmtedissipatie van warmtebronnen in en op het oppervlak van een printplaat te verkrijgen, worden heatsinks gebruikt. Het doel van elke heatsink is om warmte af te voeren van de bron van generatie door geleiding en deze warmte af te geven door convectie naar de omgeving. De warmtebron aan één kant van het bord (of interne warmtebronnen) is verbonden door koperen via's (soms "warmte via's" genoemd) naar een groot leeg kopergebied aan de andere kant van het bord.

Over het algemeen worden klassieke heatsinks met dit blote koperoppervlak verbonden door middel van een warmtegeleidende kleeflaag of in sommige gevallen geklonken of vastgeschroefd. De meeste heatsinks zijn gemaakt van koper of aluminium. Het assemblageproces dat nodig is voor klassieke heatsinks bestaat uit drie arbeidsintensieve en kostbare stappen.

Om te beginnen moet het metaal dat dienst doet als koellichaam worden geponst of gesneden tot de vereiste vorm. De kleeflaag moet ook worden gesneden of gestempeld voor een nauwkeurige passing tussen de printplaat en de koeling. Last but not least moet de heatsink correct op de print worden geplaatst en moet de gehele verpakking worden gecoat voor elektrische en / of corrosiebestendigheid met een geschikte lak of deklaag.

Normaal gesproken kan het bovenstaande proces niet worden geautomatiseerd en moet het handmatig worden uitgevoerd. De tijd en het werk die nodig zijn om dit proces te voltooien zijn aanzienlijk en de resultaten zijn inferieur aan een mechanisch geautomatiseerd proces. In tegenstelling hiermee worden ingebouwde heatsinks gemaakt tijdens het PCB-productieproces en vereisen geen extra assemblage. Zware koperen circuittechnologie maakt dit mogelijk. Met deze technologie kunnen dikke koperen heatsinks vrijwel overal op de buitenkant van een bord worden toegevoegd. De heatsinks zijn gegalvaniseerd op het oppervlak en dus verbonden met de warmtegeleidende doorgangen zonder enige interface die thermische geleiding belemmert.

Een ander voordeel is de toegevoegde koperlaag in de warmteopeningen, die de thermische weerstand van het bordontwerp vermindert, en zich realiseert dat ze dezelfde mate van nauwkeurigheid en herhaalbaarheid kunnen verwachten als inherent aan de PCB-productie. Omdat planaire wikkelingen in feite vlakke geleidende sporen zijn die zijn gevormd op met koper bekleed laminaat, verbeteren zij de totale stroomdichtheid in vergelijking met cilindrische draadgeleiders. Dit voordeel is te wijten aan het minimaliseren van het huideffect en een hogere stroomvoerende efficiëntie.

De ingebouwde vlakken bereiken een uitstekende diëlektrische scheiding van primaire naar secundaire en secundaire naar secundaire, omdat hetzelfde diëlektrische materiaal tussen alle lagen wordt gebruikt, waardoor volledige inkapseling van alle wikkelingen wordt verzekerd. Bovendien kunnen primaire wikkelingen worden gemorst, zodat de secundaire wikkelingen worden gesandwiched tussen de voorverkiezingen, waardoor een lage lekinductantie wordt bereikt. Standaard PCB-lamineringstechnieken, met een keuze uit een verscheidenheid aan epoxyharsen, kunnen veilig tot 50 lagen koperen wikkelingen op een dikte van 10-oz / ft2 plaatsen.

Tijdens de productie van zware koperen circuits, hebben we meestal te maken met aanzienlijke bekledingsdiktes; Daarom moet rekening worden gehouden met het definiëren van traceerafstanden en padafmetingen. Om deze reden worden ontwerpers geadviseerd om de bordfabrikant vroeg in het ontwerpproces aan boord te hebben.

Vermogenselektronica-producten die zwaar koperschakelingen gebruiken, zijn al vele jaren in gebruik in de militaire en ruimtevaartindustrie en winnen aan populariteit als een technologie van keuze in industriële toepassingen. Men gelooft dat marktvereisten de toepassing van dit type product in de nabije toekomst zullen verlengen.

Referenties:

1. IPC-2221A