Hjem > Nyheder > Indhold
Tungt og ekstremt kobber for maksimal pålidelighed i PCB Design og Fabrication
Jul 05, 2018

Forskellige strømelektronikprodukter bliver designet hver dag til en række anvendelser. I stigende grad udnytter disse projekter en stigende tendens i trykte kredsløbsindustrien: tung kobber og ekstreme kobber-PCB'er.

Hvad definerer et tungt kobber kredsløb? De fleste kommercielt tilgængelige PCB'er fremstilles til lavspændings / lav effekt applikationer, med kobberspor / fly bestående af kobbervægte fra ½-oz / ft2 til 3-oz / ft2. Et tungt kobber kredsløb er fremstillet med kobber vægt overalt mellem 4-oz / ft2 til 20-oz / ft2. Kobbervægte over 20 oz / ft2 og op til 200 oz / ft2 er også mulige og kaldes ekstrem kobber.

I forbindelse med denne diskussion vil vi primært fokusere på tung kobber. Den øgede kobbervægt kombineret med et passende underlag og tykkere belægning i gennemgående huller omdanner det engang upålidelige, svage printkort til en holdbar og pålidelig ledningsplatform.

Konstruktionen af et tungt kobber kredsløb giver et bord med fordele som:

Øget udholdenhed over for termiske stammer

Øget nuværende bæreevne

Øget mekanisk styrke på forbindelsessteder og i PTH huller

Eksotiske materialer bruges til deres fulde potentiale (dvs. høj temperatur) uden kredsløbsvigt

Reduceret produktstørrelse ved at inkorporere flere kobbervægte på samme lag af kredsløb (figur 1)

Tungt kobberbelagte vias bærer højere strøm gennem brættet og hjælper med at overføre varme til en ekstern kølebøjle

Ombordkøleskabe direkte belagt på bordets overflade ved brug af op til 120 oz kobberfly

On-board high-power-density planar transformatorer

Selv om ulemperne er få, er det vigtigt at forstå det tunge kobber kredsløbs grundlæggende konstruktion for fuldt ud at sætte pris på dens evner og potentielle anvendelser.

Figur 1: Prøve med 2 oz, 10 oz, 20 oz og 30 oz kobber funktioner på samme lag.

Tung Kobber Kredsløb Konstruktion

Standard PCB'er, hvad enten de er dobbeltsidige eller flerlagede, fremstilles ved hjælp af en kombination af kobberetsning og pletteringsprocesser. Kredsløbene begynder som tynde ark kobberfolie (generelt 0,5 oz / ft2 til 2-oz / ft2), der ætses for at fjerne uønsket kobber og belagt for at tilføje kobbertykkelse til fly, spor, pads og pletterede gennemgående huller. Alle kredsløbslagene lamineres til en komplet pakke ved anvendelse af et epoxybaseret substrat, såsom FR-4 eller polyimid.

Plader, der indeholder tunge kobberkredsløb, fremstilles på nøjagtig samme måde, om end med specialiserede ætsnings- og pletterteknikker, såsom højhastighed / trinplating og differentiel ætsning. Historisk blev der dannet tunge kobberegenskaber udelukkende ved ætsning af tykt kobberbeklædt lamineret kartonmateriale, hvilket forårsager ujævne spor sidevægge og uacceptabelt underbud. Forbedringer i platingsteknologi har gjort det muligt at danne tunge kobberegenskaber med en kombination af plettering og ætsning, hvilket resulterer i lige sidevægge og ubetydelig underskæring.

Plating af et tungt kobber kredsløb gør det muligt for bordfabrikanten at øge mængden af kobbertykkelse i pletterede huller og via sidevægge. Det er nu muligt at blande tungt kobber med standardfunktioner på et enkelt bord. Fordele omfatter reduceret lagtælling, lavimpedans strømfordeling, mindre fodspor og potentielle omkostningsbesparelser.

Normalt produceres højstrøm / høj-effekt kredsløb og deres styringskredsløb separat på separate brædder. Kraftig kobberbelægning gør det muligt at integrere højstrømskredsløb og styringskredsløb for at realisere en meget tæt, men simpel bordstruktur.

De tunge kobberfunktioner kan sømløs forbindes til standard kredsløb. Kraftige kobber- og standardfunktioner kan placeres med minimal begrænsning, forudsat at designeren og fabrikanten diskuterer fremstillingstolerancer og evner forud for det endelige design (figur 2).

Figur 2: 2-oz funktioner forbinder kontrol kredsløb, mens 20-oz funktioner bære høj-strøm belastninger.

Nuværende bæreevne og temperaturstigning

Hvor meget strøm kan et kobber kredsløb sikkert bære? Dette er et spørgsmål, der ofte fremhæves af designere, der ønsker at indarbejde tunge kobber kredsløb i deres projekt. Dette spørgsmål besvares normalt med et andet spørgsmål: Hvor meget varmeforøgelse kan dit projekt modstå? Dette spørgsmål skyldes, at varmeforøgelsen og strømmen går hånd i hånd. Lad os prøve at besvare begge disse spørgsmål sammen.

Når strømmen strømmer langs et spor, er der en I2R (effekttab), der resulterer i lokal opvarmning. Sporet afkøles ved ledning (ind i nærliggende materialer) og konvektion (ind i miljøet). Derfor, for at finde den maksimale strøm, et spor kan transportere sikkert, skal vi finde en måde at estimere varmenes stigning i forbindelse med den påførte strøm. En ideel situation ville være at nå en stabil driftstemperatur, hvor opvarmningshastigheden svarer til kølehastigheden. Heldigvis har vi en IPC formel vi kan bruge til at model denne begivenhed.

IPC-2221A: Beregning for nuværende kapacitet på et eksternt spor [1]:

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

Hvor jeg er nuværende (ampere), er DT temperaturstigning (° C), W er sporets bredde (mil) og Th er tykkelsen af sporet (mil). Interne spor skal nedbringes med 50% (estimat) for samme grad af opvarmning. Ved hjælp af IPC-formlen genererede vi Figur 3, der viser den nuværende bæreevne af flere spor af forskellige tværsnitsarealer med en temperaturstigning på 30 ° C.

Figur 3: Omtrentlig strøm for givne spor dimensioner (20 ° C tempestigning).

Hvad der udgør en acceptabel mængde varmeforhøjelse vil afvige fra projekt til projekt. De fleste kredsløbsdielektriske materialer kan modstå temperaturer på 100 ° C over omgivelserne, selvom denne mængde temperaturændring ville være uacceptabel i de fleste situationer.

Kredsløbsstyrke og overlevelsesevne

Kretskortsproducenter og designere kan vælge mellem forskellige dielektriske materialer, fra standard FR-4 (driftstemperatur 130 ° C) til høj temperatur polyimid (driftstemperatur 250 ° C). En høj temperatur eller ekstrem miljø situation kan kræve et eksotisk materiale, men hvis kredsløbet sporer og pletterede vias er standard 1-oz / ft2, overlever de de ekstreme forhold? Kretskortbranchen har udviklet en testmetode til bestemmelse af termisk integritet af et færdigt kredsløbsprodukt. Termiske stammer kommer fra forskellige bordfabrikations-, montage- og reparationsprocesser, hvor forskellene mellem koefficienten for termisk ekspansion (CTE) af Cu og PWB-laminatet giver drivkraften til sprængkernering og vækst til fejl i kredsløbet. Termisk cyklusprøvning (TCT) kontrollerer en forøgelse af modstanden af et kredsløb, da det undergår luft-til-luft-termisk cykling fra 25 ° C til 260 ° C.

En stigning i modstand indikerer en nedbrydning i elektrisk integritet gennem revner i kobberkredsløbet. Et standardkupondesign til denne test anvender en kæde af 32 belagte gennemboringer, som længe har været anset for at være det svageste punkt i et kredsløb, når det udsættes for termisk stress.

Termiske cyklusundersøgelser udført på standard FR-4 boards med 0,8-mil til 1,2-mil kobberplating har vist, at 32% af kredsløb fejler efter otte cyklusser (en 20% forøgelse af resistens betragtes som en fejl). Termiske cyklusundersøgelser udført på eksotiske materialer viser signifikante forbedringer af denne svigtfrekvens (3% efter otte cyklusser for cyanatester), men er uforholdsmæssigt dyre (5-10 gange materialeomkostninger) og vanskelige at behandle. En gennemsnitlig overflademonteret teknologibesamling ser mindst fire termiske cyklusser inden afsendelse og kunne se yderligere to termiske cyklusser for hver komponentreparation.

Det er ikke urimeligt for et SMOBC bord, der har gennemgået en reparations- og udskiftningscyklus for at nå i alt ni eller 10 termiske cyklusser. TCT-resultaterne viser tydeligt, at fejlfrekvensen, uanset hvad brættematerialet kan blive uacceptabelt. Trykte kredsløbsproducenter ved, at kobberbelægning ikke er en eksakt videnskabsændring i nuværende tætheder på tværs af et bord, og gennem mange huller / via størrelser resulterer i kobbertykkelsesvariationer på op til 25% eller mere. De fleste områder af "tyndt kobber" er på pletterede hulvægge - TCT-resultaterne viser tydeligt, at dette er tilfældet.

Brug af tunge kobber kredsløb ville reducere eller eliminere disse fejl helt og holdent. Plettering af 2 oz / ft2 kobber til en hulvæg reducerer fejlfrekvensen til næsten nul (TCT-resultater viser en 0,57% fejlfrekvens efter otte cyklusser for standard FR-4 med mindst 2,5 mil kobberplating). I virkeligheden bliver kobberkredsløbet uigennemtrængeligt for de mekaniske påvirkninger, der er anbragt på det ved termisk cykling.

Termisk styring

Da designere stræber efter at opnå maksimal værdi og ydeevne fra deres projekter, bliver de trykte kredsløb mere komplekse og drives til højere effektdensiteter. Miniaturisering, brug af strømkomponenter, ekstreme miljøforhold og høje strømkrav øger vigtigheden af termisk styring. De højere tab i form af varme, der ofte genereres i driften af elektronik, skal bortskaffes fra sin kilde og udstråles til miljøet; ellers kan komponenterne overophedes og fejl kan resultere. Men tunge kobber kredsløb kan hjælpe ved at reducere I2R tab og ved at føre varme væk fra værdifulde komponenter, hvilket reducerer svigt satser dramatisk.

For at opnå en passende varmeafledning fra varmekilder i og på overfladen af et printplade anvendes heatsinks. Formålet med enhver heatsink er at sprede varme væk fra genereringskilden ved ledning og udstråle denne varme ved konvektion til miljøet. Varmekilden på den ene side af brættet (eller interne varmekilder) er forbundet med kobbervias (undertiden kaldet "heat vias") til et stort, blott kobberområde på den anden side af brættet.

Almindeligvis er klassiske heatsinks bundet til denne bare kobberoverflade ved hjælp af et termisk ledende klæbemiddel eller i nogle tilfælde nittet eller boltet. De fleste heatsinks er lavet af kobber eller aluminium. Samleprocessen, der kræves til klassiske køleribakker, består af tre arbejdskrævende og dyre trin.

Til at begynde med skal metallet, der tjener som kølebøjle, stanses eller skæres i den ønskede form. Klæbemiddellaget skal også skæres eller stemples for at få en præcis pasform mellem kredsløb og kølelegemet. Sidst men ikke mindst skal kølelegemet placeres korrekt på printkortet, og hele pakken skal være belagt for elektrisk og / eller korrosionsbestandighed med en passende lak eller overtræk.

Normalt kan ovennævnte proces ikke automatiseres og skal gøres manuelt. Den tid og det arbejde, der kræves for at fuldføre denne proces, er signifikant, og resultaterne er dårligere end en mekanisk automatiseret proces. I modsætning hertil skabes indbyggede køleskabe under PCB fremstillingsprocessen og kræver ingen yderligere samling. Kraftig kobberteknologi gør det muligt. Denne teknologi gør det muligt at tilsætte tykke kobbervarmehætter næsten overalt på de ydre overflader af et bord. Varmefladerne er galvaniseret på overfladen og dermed forbundet til de varmeledende vias uden grænseflader, der hæmmer varmeledningsevnen.

En anden fordel er den tilsatte kobberbelægning i varmevaerne, hvilket reducerer den termiske modstand af borddesignen, og indser, at de kan forvente den samme grad af nøjagtighed og repeterbarhed, som er forbundet med PCB-fremstilling. Fordi plane viklinger rent faktisk er fladt ledende spor dannet på kobberbeklædt laminat, forbedrer de den samlede strømtæthed i forhold til cylindriske trådledere. Denne fordel skyldes minimering af hudeffekt og højere strømbærende effektivitet.

Ombordplaner opnår fremragende primær-sekundær og sekundær-sekundær dielektrisk isolering, fordi det samme dielektriske materiale anvendes mellem alle lag, hvilket sikrer fuldstændig indkapsling af alle viklinger. Derudover kan primære viklinger spildes, så de sekundære viklinger fastgøres mellem primarierne og opnår lavlækage induktans. Standard PCB lamination teknikker, der bruger et udvalg af forskellige epoxyharpikser, kan sikkert sandwich op til 50 lag kobberviklinger så tyk som 10 oz / ft2.

Under fremstillingen af tunge kobber kredsløb, vi normalt beskæftiger sig med betydelige plating tykkelser; Derfor skal der ydes kvoter til at definere sporskiller og pudestørrelser. Derfor anbefales designere at have bordfabrikanten om bord tidligt i designprocessen.

Strømelektronikprodukter, der anvender tunge kobberkredsløb, har været i brug i mange år inden for militær- og rumfartsindustrien og får fart som en teknologi, der kan vælges i industrielle applikationer. Det antages, at markedskravene vil udvide anvendelsen af denne type produkt i den nærmeste fremtid.

Referencer:

1. IPC -2221A