הבית > חדשות > תוכן
כבד ואקסטרים נחושת לקבלת אמינות מקסימלית ב PCB עיצוב ייצור
Jul 05, 2018

מוצרי אלקטרוניקה שונים כוח מתוכננים מדי יום עבור מגוון רחב של יישומים. יותר ויותר, פרויקטים אלה מנצלים את המגמה ההולכת וגדלה של תעשיית המעגלים המודפסים: נחושת כבדה ונחושת קיצונית.

מה מגדיר מעגל נחושת כבד? רוב PCBs זמינים מסחרית מיוצרים עבור מתח נמוך / יישומים כוח נמוך, עם עקבות נחושת / מטוסים המורכבים מנחושת נחושת החל ½-oz / ft2 ל 3-oz / ft2. מעגל נחושת כבד מיוצר עם משקולות נחושת בכל מקום בין 4-oz / ft2 ל 20-oz / ft2. משקולות נחושת מעל 20-oz / ft2 ועד 200-oz / ft2 הם גם אפשרי והם נקראים נחושת קיצוניים.

לצורך הדיון, נתמקד בעיקר בנחושת כבדה. המשקל המוגבר של הנחושת בשילוב עם מצע מתאים וציפוי עבה יותר מבעד לחורים, הופך את לוח המעגל החלש, שהיה פעם בלתי מהימן, לפלטפורמת חיווט יציבה ואמינה.

בניית מעגל נחושת כבד מעניקה לוח עם יתרונות כגון:

סיבולת מוגברת לזנים תרמיים

כושר נשיאה נוכחי

חוזק מכני מוגבר באתרי המחבר ובחורי PTH

חומרים אקזוטיים המשמשים את מלוא הפוטנציאל שלהם (כלומר, טמפרטורה גבוהה) ללא כשל חשמלי

גודל המוצר מופחת על ידי שילוב משקולות נחושת מרובים על אותה שכבה של מעגל (איור 1)

נחושת כבדה נחושת ויאס לשאת הנוכחי גבוה יותר דרך הלוח ולעזור להעביר חום חיצוני heatsink

על הלוח heatsinks ישירות מצופה על משטח הלוח באמצעות עד 120 oz נחושת מטוסים

צפיפות ממירים בצפיפות גבוהה

למרות החסרונות הם מעטים, חשוב להבין את הבנייה הבסיסית של מעגל נחושת כבד להעריך במלואו את היכולות ואת היישומים הפוטנציאליים.

איור 1: דוגמה שמציעות 2-oz, 10-oz, 20-oz, 30-oz נחושת תכונות על אותה שכבה.

בניה כבדה של נחושת

תקן PCBs, אם דו צדדית או multilayer, מיוצרים באמצעות שילוב של תחריט נחושת ותהליכי ציפוי. שכבות מעגל להתחיל כמו סדינים דקות של רדיד נחושת (בדרך כלל 0.5-oz / ft2 ל 2-oz / ft2) כי הם חרוט כדי להסיר נחושת לא רצויות, מצופה להוסיף עובי נחושת מטוסים, עקבות, כריות מצופה חורים דרך. כל שכבות המעגל הם למינציה לחבילה מלאה באמצעות מצע מבוסס אפוקסי, כגון FR-4 או polyimide.

לוחות המשלבים מעגלים נחושת כבדים מיוצרים בדיוק באותה צורה, אם כי עם טכניקות חריטה מיוחדות ציפוי, כגון מהירות גבוהה / צעד ציפוי וחיתוך דיפרנציאלי. מבחינה היסטורית, תכונות נחושת כבדות נוצרו לחלוטין על ידי חרוט עבה נחושת לבוש חומר לוח למינציה, גרימת עקבות צד אחיד ו undercutting בלתי מתקבל על הדעת. ההתקדמות בטכנולוגיה ציפוי אפשרה תכונות נחושת כבדים להיווצר עם שילוב של ציפוי ותחריט, וכתוצאה מכך הצדדיים ישר לערער זניח.

ציפוי של מעגל נחושת כבד מאפשר לפבראקטור הלוח להגדיל את כמות עובי הנחושת בחורים מצופים ובצדדים. עכשיו זה אפשרי לערבב נחושת כבדה עם תכונות סטנדרטיות על לוח אחד. היתרונות כוללים ספירת שכבת מופחת, הפחתת כוח עכבה נמוכה, עקבות קטנים יותר וחיסכון בעלויות פוטנציאל.

בדרך כלל, גבוהה הנוכחי / גבוהה כוח מעגלים ואת מעגלים שליטה שלהם הופקו בנפרד על לוחות נפרדים. ציפוי נחושת כבד מאפשר לשלב מעגלים הנוכחי גבוהה לשלוט במעגלים כדי להבין מבנה צפוף מאוד, אך פשוט הלוח.

תכונות נחושת כבד יכול להיות מחובר בצורה חלקה מעגלים סטנדרטיים. נחושת כבדה ותכונות סטנדרטיות ניתן להציב עם הגבלה מינימלית בתנאי המעצב ו fabricator לדון ייצור סובלנות ויכולות לפני העיצוב הסופי (איור 2).

איור 2: 2-Oz תכונות להתחבר מעגלים שליטה בעוד 20-Oz תכונות לשאת עומס הנוכחי גבוהה.

קיבולת נשיאה נוכחית ועליית טמפרטורה

כמה זרם יכול מעגל נחושת לשאת בביטחון? זו שאלה שנשמעת לעתים קרובות על ידי מעצבים המעוניינים לשלב מעגלים נחושת כבדים לתוך הפרוייקט שלהם. שאלה זו היא בדרך כלל ענה עם עוד שאלה: כמה חום עליית יכול לעמוד הפרויקט שלך? שאלה זו היא הנשקף בגלל עליית החום ואת הזרם הנוכחי הולכים יד ביד. בואו ננסה לענות על שתי השאלות האלה יחד.

כאשר זרם זורם לאורך עקבות, יש I2R (אובדן חשמל) המביא חימום מקומי. עקבות מתקרר על ידי הולכה (לתוך חומרים סמוכים) ואת הסעה (לתוך הסביבה). לכן, כדי למצוא את הזרם המרבי עקבות יכול לבצע בבטחה, אנחנו חייבים למצוא דרך להעריך את עליית החום הקשורים הנוכחית להחיל. מצב אידיאלי יהיה להגיע לטמפרטורת הפעלה יציבה שבה קצב החימום שווה לשיעור הקירור. למרבה המזל, יש לנו נוסחת IPC שאנו יכולים להשתמש בה כדי להדגים אירוע זה.

IPC-2221A: חישוב הקיבולת הנוכחית של מסלול חיצוני [1]:

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

איפה אני הנוכחי (אמפר), DT הוא עליית הטמפרטורה (° C), W הוא רוחב של עקבות (מיל) ו- Th הוא עובי של עקבות (מיל). עקבות פנימיים צריך להיות נגזר על ידי 50% (אומדן) עבור אותה דרגה של חימום. באמצעות הנוסחה IPC יצרנו איור 3, מראה את היכולת נושאת הנוכחי של כמה עקבות של אזורים שונים חתך עם עלייה של 30 מעלות צלזיוס.

איור 3: זרם משוער למידות המסלול הנתון (עלייה של 20 מעלות צלזיוס).

מה מהווה כמות מקובלת של עליית חום יהיה שונה הפרוייקט לפרויקט. רוב המעגלים הדיאלקטריים יכולים לעמוד בטמפרטורות של 100 מעלות צלזיוס מעל הסביבה, אם כי כמות זו של שינוי טמפרטורה תהיה בלתי קבילה ברוב המצבים.

כוח מועצת המנהלים ואת שרידות

יצרני המעגלים והמעצבים יכולים לבחור מתוך מגוון חומרים דיאלקטריים, החל מה- FR-4 הסטנדרטי (הפעלה 130 מעלות צלזיוס) לטמפרטורה גבוהה של פולימימיד (הפעלה 250 מעלות צלזיוס). טמפרטורה גבוהה או מצב סביבה קיצונית עשויה להזדקק לחומר אקזוטי, אך אם עקבות המעגלים והויזות המצופות הן תקן 1-oz / ft2, האם הם ישרודו את התנאים הקיצוניים? תעשיית המעגלים פיתחה שיטת בדיקה לקביעת השלמות התרמית של מוצר מעגל מוגמר. זנים תרמיים מגיעים מתהליכי ייצור שונים, הרכבה ותיקון, כאשר ההבדלים בין מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) של Cu לבין לרבד PWB מספקים את הכוח המניע עבור נוקלאציה של סדק וצמיחה לכשל המעגל. בדיקות מחזור תרמי (TCT) בודק עלייה בהתנגדות של מעגל כפי שהיא עוברת רכיבה תרמית אוויר-אוויר מ 25 ° C עד 260 ° C.

עלייה בהתנגדות מציינת התפלגות שלמות החשמל באמצעות סדקים במעגל הנחושת. תכנון קופון סטנדרטי עבור בדיקה זו מנצל שרשרת של 32 מצופה דרך חורים, אשר מזה זמן רב נחשב לנקודה החלשה ביותר במעגל כאשר נתון ללחץ תרמי.

מחקרים על מחזור תרמי שנעשו על לוחות FR-4 סטנדרטיים עם 0.8 מ 'ל -1.2 מיליון ציפוי נחושת הראו כי 32% מהמעגלים נכשלים לאחר שמונה מחזורים (עלייה של 20% בהתנגדות נחשבת לכישלון). מחקרי מחזור תרמי שנעשו על חומרים אקזוטיים מראים שיפורים משמעותיים בשיעור הכשל הזה (3% לאחר שמונה מחזורי עבור אסתר ציאניט), אך הם יקרים באופן יקר (5 עד 10 פעמים עלות החומר) וקשה לעבד. הרכבה ממוצעת של משטח הרכבה על פני השטח רואה לפחות ארבעה מחזורי תרמי לפני המשלוח, ויכולה לראות שני מעגלים תרמיים נוספים עבור כל תיקון רכיבים.

זה לא בלתי סביר עבור לוח SMOBC כי עבר מחזור ומחליף החלפת להגיע סך של 9 או 10 מחזורי תרמי. תוצאות ה- TCT מראות בבירור כי שיעור הכישלון, לא משנה מה החומר הלוח, יכול להיות בלתי מקובל. יצרני מעגלים מודפסים יודעים כי electroplating נחושת הוא לא מדויק מדע שינויים בצפיפויות הנוכחי על פני הלוח דרך רבים חור / דרך הגדלים לגרום וריאציות עובי נחושת של עד 25% או יותר. רוב התחומים של "נחושת דקה" נמצאים על קירות חור מצופה - תוצאות ה- TCT מראות בבירור שזה המצב.

שימוש במעגלי נחושת כבדים יקטין או יבטל את הכשלים האלה לגמרי. ציפוי של 2-oz / ft2 של נחושת לקיר חור מפחית את שיעור הכישלון כמעט אפס (תוצאות TCT להראות שיעור כשל 0.57% לאחר שמונה מחזורים עבור תקן FR-4 עם מינימום של 2.5-נחושת ציפוי). למעשה, מעגל הנחושת הופך אטום ללחצים מכניים שמונחים על ידי רכיבה תרמית.

ניהול תרמי

כמו מעצבים שואפים להשיג ערך וביצועים מרביים מן הפרויקטים שלהם, מעגלים מודפסים הופכים מורכבים יותר מונעים צפיפות כוח גבוהה יותר. מזעור, שימוש במרכיבי הספק, תנאים סביבתיים קיצוניים ודרישות גבוהות עדכניות מגדילות את החשיבות של ניהול תרמי. הפסדים גבוהים יותר בצורה של חום, זה שנוצר לעתים קרובות במבצע של האלקטרוניקה, צריך להיות מתפוגג מן המקור שלה מקרין לסביבה; אחרת, הרכיבים עלולים להתחמם יתר על המידה ועלולות להיגרם תקלות. עם זאת, מעגלים נחושת כבדה יכולה לעזור על ידי הפחתת הפסדים I2R ועל ידי ביצוע החום הרחק מרכיבים יקרי ערך, הפחתת שיעורי כישלון דרמטי.

על מנת להשיג פיזור החום הנכון ממקורות חום על פני השטח של לוח המעגלים, heatsinks מועסקים. המטרה של כל heatsink היא להפיג את החום הרחק ממקור של הדור על ידי הולכה לפלוט את החום על ידי הסעה לסביבה. מקור החום בצד אחד של הלוח (או מקורות חום פנימיים) מחובר על ידי נחושת ויאס (המכונה לפעמים "חום ויאס") לאזור נחושת חשוף גדול בצד השני של הלוח.

בדרך כלל, heatsinks קלאסיים מלוכדות למשטח נחושת חשוף זה באמצעות דבק מוליך תרמית או במקרים מסוימים, הם מסומררים או נעולים. רוב heatsinks עשויים משני נחושת או אלומיניום. תהליך ההרכבה הנדרש עבור הקירור הקלאסי מורכב משלושה צעדים עתירי עבודה ויקר.

כדי להתחיל, מתכת המשמשים את הקירור חייב להיות אגרוף או לחתוך את הצורה הנדרשת. שכבת הדבקה חייבת להיות חתוכה או חותמת עבור התאמה מדויקת בין לוח המעגל לבין גוף הקירור. ואחרון אחרון חביב, את heatsink חייב להיות ממוקם כראוי על PCB ואת החבילה כולה יש להיות מצופה עבור התנגדות חשמלית ו / או קורוזיה עם לכה מתאים או כיסוי המעיל.

בדרך כלל, התהליך הנ"ל לא יכול להיות אוטומטי חייב להיעשות ביד. הזמן והעבודה הנדרשים להשלמת תהליך זה הם משמעותיים, והתוצאות נחותות לתהליך אוטומטי מכני. לעומת זאת, מובנה heatsinks נוצרות במהלך תהליך ייצור PCB ו לא דורשים הרכבה נוספת. טכנולוגיית מעגל נחושת כבדה עושה את זה אפשרי. טכנולוגיה זו מאפשרת תוספת של heatsinks נחושת עבה כמעט בכל מקום על המשטחים החיצוניים של הלוח. את heatsinks הם electroplated על פני השטח ובכך מחוברת חום ויס ללא כל הממשקים אשר מעכבים מוליכות תרמית.

יתרון נוסף הוא ציפוי נחושת נוסף בויאס חום, אשר מפחית את ההתנגדות התרמית של עיצוב הלוח, להבין כי הם יכולים לצפות באותה מידה של דיוק וחזרה הטבועה בייצור PCB. בגלל מתפתל מתפתל הם למעשה עקבות מוליך שטוח נוצר על לכה נחושת לבוש, הם לשפר את הצפיפות הנוכחית הכוללת לעומת מוליכים חוט גלילי. תועלת זו נובעת ממזעור השפעת העור ויעילות גבוהה יותר.

על הלוח לוחות להשיג מעולה מעולה כדי משני ו-משני משני בידוד דיאלקטרי כי החומר דיאלקטרי אותו משמש בין כל השכבות, הבטחת אנקפסולציה מלאה של כל פיתולים. בנוסף, פיתולים ראשוני יכול להישפך כך משנית משוכות הם דחוקה בין הפריימריז, השגת השראה דליפה נמוכה. תקן טכניקות למינציה PCB, באמצעות בחירה של מגוון שרפים אפוקסי, יכול בבטחה כריך עד 50 שכבות של פיתולים נחושת עבה כמו 10-oz / ft2.

במהלך ייצור של מעגלים נחושת כבדים, אנחנו בדרך כלל מתמודדים עם עובי ציפוי משמעותי; לכן, יש לבצע הקצבות בהגדרת הפרדת עקבות וגדלים. מסיבה זו, מומלץ למתכננים לקבל את הלוח על הלוח בתחילת תהליך התכנון.

מוצרי אלקטרוניקה כוח באמצעות מעגלים נחושת כבדים כבר בשימוש במשך שנים רבות בתעשיית הצבא והחלל ואת צובר תאוצה כמו טכנולוגיה של בחירה ביישומים תעשייתיים. הוא האמין כי דרישות השוק ירחיבו את היישום של סוג זה של המוצר בעתיד הקרוב.

הפניות:

1. IPC-2221A