Etusivu > Uutiset > Sisältö
Raskas ja äärimmäinen kupari luotettavuuden parantamiseksi PCB-suunnittelussa ja valmistuksessa
Jul 05, 2018

Eri tehoelektroniikkatuotteita suunnitellaan joka päivä useille sovelluksille. Yhä useammat näistä hankkeista hyödyntävät painetun piirilevyteollisuuden kasvavaa kehitystä: raskas kupari ja äärimmäiset kupariset PCB: t.

Mikä määrittää raskas kuparipiirin? Useimmat kaupallisesti saatavilla olevat PCB: t valmistetaan pienjännite- / pienitehoisille sovelluksille, kuparipituuksilla, jotka koostuvat kuparipainoista ½-oz / ft2 - 3 oz / ft2. Raskas kuparipiiri valmistetaan kuparipainoilla missä tahansa välillä 4-0 oz / ft2 - 20 oz / ft2. Kuparipainot ovat yli 20 oz / ft2 ja jopa 200 oz / ft2, ja niitä kutsutaan äärimmäiseksi kupariksi.

Tässä keskustelussa keskitymme ensisijaisesti raskas kupariin. Kasvanut kuparipaino yhdistettynä sopivaan substraattiin ja paksumpi pinnoitus läpimeneviin reikiin muuttavat kerran epäluotettavaa, heikkoa piirilevyä kestävään ja luotettavaan johdotusalustaan.

Raskas kuparipiirin rakentaminen antaa hallitukselle etuja, kuten:

Lisääntynyt kestävyys lämpökannoille

Lisääntynyt kantavuus

Lisääntynyt mekaaninen lujuus liitinpaikoilla ja PTH reikiin

Eksoottiset materiaalit, joita käytetään niiden täyden potentiaalin (eli korkeassa lämpötilassa) ilman piiriä

Pienennetty tuotekoko sisällyttämällä useita kuparipainoja samaan kerrokseen (kuva 1)

Raskas kuparipinnoitettu vias kuljettaa korkeamman virran levyn läpi ja auttaa siirtämään lämpöä ulkoiselle jäähdytyslevylle

Jäähdyttimet, jotka on suoraan päällystetty levyn pinnalle jopa 120-oz kuparikoneilla

Aluksella olevat suuritehoiset tiheyspintaiset muuntajat

Vaikka haitat ovat vähäiset, on tärkeää ymmärtää raskas kuparipiirin perusrakenne täysin ymmärtämään sen kykyjä ja mahdollisia sovelluksia.

Kuva 1: Näyte, jossa on samassa kerroksessa 2 oz: n, 10 oz: n, 20 oz: n ja 30 oz: n kupariominaisuuksia.

Heavy Copper Circuit Construction

Vakiomuotoisia PCB: itä, joko kaksipuolisia tai monikerroksisia, valmistetaan käyttäen kuparin etsaus- ja pinnoitusprosesseja. Piirikerrokset alkavat ohuina kuparifolioina (tavallisesti 0,5-0,72-2,25 g / m2), jotka on syövytetty ei-toivotun kuparin poistamiseksi ja pinnoitettu kuparin paksuuden lisäämiseksi tasoihin, jälkiä, tyynyjä ja päällystettyjä läpireikiä. Kaikki piirikerrokset on laminoitu täydelliseen pakkaukseen epoksipohjaisella substraatilla, kuten FR-4: llä tai polyimidillä.

Rypäleiden kuparipiirejä sisältävät levyt valmistetaan täsmälleen samalla tavalla, vaikkakin erikoisleikkaus- ja pinnoitustekniikoilla, kuten nopeilla / askelpinnoilla ja erilaisilla syövytyksillä. Historiallisesti raskas kupariominaisuudet muodostettiin kokonaan etsaamalla paksua kuparipäällystettyä laminaattilevyainetta aiheuttaen epätasaiset jäljellä olevat sivuseinät ja kohtuuton alittavuus. Pinnoitusteknologian eteneminen on mahdollistanut raskas kuparipitoisuuden muodostamisen pinnoituksen ja etsauksen yhdistelmällä, mikä johtaa suoraan sivuseinämiin ja vähäpätöiseltä aluskudokselta.

Raskas kuparipiirilevy mahdollistaa levyjen valmistajan lisätä kuparipaksuuden määrää pinnoitetuissa rei'issä ja sivuseinämien kautta. Nyt on mahdollista yhdistää raskas kupari vakiotoimintoihin yhdelle levylle. Etuja ovat alentunut kerrosten määrä, alhaisen impedanssin virranjakelu, pienemmät jalanjäljet ja mahdolliset kustannussäästöt.

Normaalisti korkeavirtaiset / suuritehoiset piirit ja niiden ohjauspiirit tuotettiin erikseen erillisillä levyillä. Raskas kuparipinnoitus mahdollistaa korkeavirtapiirien ja ohjauspiirien integroinnin erittäin tiheän, mutta yksinkertaisen hallintorakenteen toteuttamiseksi.

Raskas kupariominaisuudet voidaan yhdistää saumattomasti vakiopiireihin. Raskas kupari ja standardiominaisuudet voidaan sijoittaa minimaaliselle rajoitukselle edellyttäen, että suunnittelija ja valmistaja käsittelevät valmistustoleransseja ja kykyjä ennen lopullista suunnittelua (kuva 2).

Kuva 2: 2 oz: n liitännät kytkeytyvät ohjauspiireihin, kun taas 20-oz: n ominaisuudet sisältävät suurtaajuisia kuormia.

Nykyinen kapasiteetti ja lämpötilan nousu

Kuinka paljon nykyinen kuparipiiri voi turvallisesti kuljettaa? Tämä on usein kysymys suunnittelijoista, jotka haluavat sisällyttää raskas kuparipiirejä projektiinsa. Tätä kysymystä vastataan yleensä toisella kysymyksellä: Kuinka paljon lämpöä voi kestää projektisi? Tämä kysymys johtuu siitä, että lämmön nousu ja virtavirta kulkevat käsi kädessä. Yritetään vastata molempiin näihin kysymyksiin yhdessä.

Kun virta kulkee pitkin jälkiä, on I2R (tehohäviö), joka johtaa paikalliseen lämmitykseen. Jälki jäähtyy johtumalla (naapurimateriaaleihin) ja konvektiolla (ympäristöön). Sen vuoksi löytääksesi maksimivirran, jonka jäljitys voi turvallisesti kuljettaa, on löydettävä tapa arvioida soveltuvan virran lämmön nousu. Ihanteellinen tilanne olisi saavuttaa vakaa käyttölämpötila, jossa lämmitysnopeus on sama kuin jäähdytysnopeus. Onneksi meillä on IPC-kaava, jota voimme käyttää mallintamiseen.

IPC-2221A: ulkoisen radan nykyisen kapasiteetin laskenta [1]:

I = 0,048 * DT (.44) * (W * Th) (.725)

Jos virta on nykyinen (ampeeria), DT on lämpötilan nousu (° C), W on jäljityksen leveys (mil) ja Th on jäljen (mil) paksuus. Sisäiset jäljet on laskettava 50 prosentilla (arvio) samasta lämmitysasteesta. Käyttämällä IPC-kaavaa käytimme kuviota 3, joka osoittaa useiden peräkkäisten eri poikkileikkausalueiden nykyisen kantokyvyn 30 ° C: n lämpötilan nousulla.

Kuva 3: Tiettyyn radan mitat (20 ° C: n lämpötilan nousu).

Mikä on hyväksyttävä lämpenemisen määrä, eroaa projektista projektiin. Suurin osa piirilevyn dielektrisistä materiaaleista kestää 100 ° C: n lämpötiloja ympäristön yläpuolella, vaikka tämä lämpötilan muutos ei olisi useimmissa tilanteissa hyväksyttävissä.

Piirilevyn vahvuus ja jäljitettävyys

Piirilevyvalmistajat ja suunnittelijat voivat valita erilaisista dielektrisistä materiaaleista standardin FR-4 (käyttölämpötila 130 ° C) korkean lämpötilan polyimidiin (käyttölämpötila 250 ° C). Korkean lämpötilan tai äärimmäisen ympäristön tilanne voi vaatia eksoottista materiaalia, mutta jos piirin jäljet ja päällystetyt vias ovat vakioina 1 oz / ft2, selviävätkö ne äärimmäisissä olosuhteissa? Piirilevyteollisuus on kehittänyt testausmenetelmän lopullisen piirituotteen lämpötehokkuuden määrittämiseksi. Termiset kannat ovat peräisin erilaisista levyjen valmistus-, kokoonpano- ja korjausprosesseista, joissa Cu: n ja PWB-laminaatin lämpölaajenemiskerroksen (CTE) väliset erot luovat vetovoiman halkeaman muodostumiselle ja kasvulle piirin epäonnistumiseen. Lämpösyklin testaus (TCT) tarkistaa piirin resistanssin lisääntymisen, kun se lähtee ilmasta ilmasta lämpökiertoon 25 ° C: sta 260 ° C: seen.

Vastuksen lisääntyminen osoittaa sähköisen eheyden hajoamisen kuparipiirin halkeamien kautta. Tämän testin vakiokuponkirakenne hyödyntää 32-päällystettyjen läpivientireikiä, jota on pitkään pidetty piirin heikoimpana pisteenä lämpöjännityksen aikana.

Lämpösykliset tutkimukset, jotka suoritettiin standardin FR-4-levyillä, 0,8-1,2 mil: n kuparipinnoitteella, ovat osoittaneet, että 32% piireistä epäonnistuu kahdeksan syklin jälkeen (20%: n resistenssin nousu pidetään epäonnistuneena). Eksoottisilla materiaaleilla tehdyt lämpösyklitutkimukset osoittavat huomattavaa parannusta tähän epäonnistumisasteeseen (3% kahdeksan syanaatti syaaniesteriä sykliä kohden), mutta ne ovat kohtuuttoman kalliita (5-10 kertaa materiaalikustannuksia) ja vaikeita käsitellä. Keskimääräinen pinta-asennustekniikan kokoonpano näkee vähintään neljä lämpökiertoa ennen lähetystä ja nähtiin lisäksi kaksi lämpökiertoa kutakin komponenttikorjausta varten.

Se ei ole kohtuuton SMOBC-kortille, joka on käynyt läpi korjaus- ja vaihtosyklin, jolloin saavutetaan yhteensä yhdeksän tai 10 lämpösykliä. TCT: n tulokset osoittavat selvästi, että epäonnistumisnopeus riippumatta siitä, mitä korttimateriaalia voi tulla hyväksymättä. Painetut piirilevyvalmistajat tietävät, että kuparin galvanointi ei ole täsmällinen tiede-muutos nykyisissä tiheyksissä laudan yli ja lukuisten reikien / koon kautta aiheuttaa kuparin paksuuden vaihtelut jopa 25%: iin tai enemmän. Suurin osa "ohut kuparista" on pinnoitetuilla pinnoilla - TCT: n tulokset osoittavat selvästi, että näin on.

Raskaan kuparipiirin käyttäminen vähentäisi tai poistaisi nämä virheet kokonaan. Kuparin kuparin kiinnittäminen reiän seinämään pienentää vikaantumisnopeutta lähes nollaan (TCT-tulokset osoittavat 0,57%: n vikaantumisnopeuden kahdeksan syklin jälkeen standardin FR-4 osalta vähintään 2,5 mil: n kuparipinnoitteella). Itse asiassa kuparipiiristä tulee läpäisemättömiä mekaanisiin rasituksiin, jotka se asettaa lämpöpyöräilyyn.

Lämmönhallinta

Koska suunnittelijat pyrkivät saamaan mahdollisimman suuren arvon ja suorituskyvyn projekteiltaan, painetut piirit ovat yhä monimutkaisempia ja ajavat korkeampiin tehontarpeisiin. Miniatyrisointi, voimakomponenttien käyttö, äärimmäiset ympäristöolosuhteet ja suuren virtausvaatimukset lisäävät lämpöhuollon merkitystä. Elektroniikan toiminnassa usein syntyvät suuremmat häviöt, jotka aiheutuvat lämmön muodossa, on hävitettävä sen lähteestä ja säteilytettävä ympäristöön. muuten komponentit voivat ylikuumentua ja saattaa aiheuttaa vikoja. Kuitenkin raskas kuparipiirit voivat auttaa vähentämään I2R-häviöitä ja johtamaan lämpöä pois arvokkaista komponenteista, mikä vähentää epäonnistumisnopeuksia dramaattisesti.

Jotta lämmönlähteeksi saadaan oikea lämmönlähde piirilevyn pinnalla ja pinnalla, käytetään jäähdytyslevyjä. Jokaisen jäähdytysnesteen tarkoitus on jakaa lämmön pois tuotantolähteestä johtamalla ja päästää lämpöä konvektiolla ympäristöön. Lautan (tai sisäisten lämmönlähteiden) toisella puolella oleva lämmönlähde on yhdistetty kuparivideoilla (joskus kutsutaan "lämpöviasiksi") laajalle paljaalle kupariselle alueelle kortin toisella puolella.

Yleensä klassiset jäähdytyslevyt kiinnittyvät tähän paljaaseen kuparipintaan lämpöä johtavalla liimalla tai joissakin tapauksissa niitattuina tai pultteina. Useimmat jäähdytyslevyt on valmistettu joko kuparista tai alumiinista. Klassisten jäähdytyslevyjen edellyttämä kokoonpanoprosessi koostuu kolmesta työvoimavaltaisesta ja kalliista vaiheesta.

Hehkutulppa, joka toimii jäähdytyslevynä, on lävistettävä tai leikattava haluttuun muotoon. Liimakerros on myös leikattava tai leimattava, jotta se sopii tarkasti piirilevyn ja jäähdytyslevyn väliin. Viimeisenä mutta ei vähäisimpänäkin, jäähdytyslevy on sijoitettava asianmukaisesti PCB: hen ja koko pakkaus on päällystettävä sähkö- ja / tai korroosionkestävyydelle sopivalla lakka- tai peitekerroksella.

Normaalisti edellä mainittua prosessia ei voida automatisoida ja se on tehtävä käsin. Tämän prosessin suorittamiseen tarvittava aika ja työ ovat merkittäviä, ja tulokset ovat huonompia kuin mekaanisesti automatisoitu prosessi. Sitä vastoin sisäänrakennetut jäähdytyslevyt luodaan PCB-valmistusprosessin aikana ja eivät vaadi lisärakennusta. Raskas kuparipiirustekniikka mahdollistaa tämän. Tämä tekniikka mahdollistaa paksujen kuparisten jäähdytyslevyjen lisäämisen käytännössä mihin tahansa kortin ulkopintaan. Jäähdyttimet on pinnoitettu sähköllä ja liitetty siten lämpöä johtaviin viaseihin ilman minkäänlaisia rajapintoja, jotka haittaavat lämmönjohtavuutta.

Toinen etu on lisätty kuparipinnoitus lämpöviasilla, mikä vähentää levyn suunnittelun lämpöresistanssia, ja tajuaa, että ne voivat odottaa samanlaista tarkkuutta ja toistettavuutta, joka liittyy PCB: n valmistukseen. Koska tasomaiset käämit ovat itse asiassa litteitä johtavia jälkiä, jotka on muodostettu kuparipinnoitettuun laminaattiin, ne parantavat kokonaisvirta-arvoa verrattuna sylinterimäisiin johtimien johtimiin. Tämä hyöty johtuu ihon vaikutuksen minimoinnista ja korkeammasta virrankulutuksen tehokkuudesta.

Jalkakäytävällä saavutetaan erinomainen sekundaarisen ja toissijaisen eristeen eristäminen, koska samaa dielektristä materiaalia käytetään kaikkien kerrosten välillä varmistaen kaikkien käämien täydellisen kapseloinnin. Lisäksi ensiökäämitykset voidaan kaataa siten, että toisiokäämitykset on sijoitettu esivalaisimien väliin ja saavuttavat matalaa vuotoinduktanssia. Vakiomuotoiset PCB-laminointitekniikat, joissa käytetään erilaisia epoksihartseja, voivat turvallisesti kerätä enintään 50 kerrosta kuparikäämistä, joiden paksuus on 10 oz / ft2.

Raskaiden kuparipiirien valmistuksen aikana meillä on tavallisesti merkittäviä pinnoituspaksuuksia; Siksi jakeiden erotteluja ja tyynyjä on määriteltävä erikseen. Tästä syystä suunnittelijoille on suositeltavaa, että aluksella valmistaja on alusta suunnitteluprosessissa.

Tehoelektroniikkatuotteita, joissa käytetään raskas kuparipiirejä, on ollut käytössä jo usean vuoden ajan sotilas- ja ilmailuteollisuudessa ja vauhdittivat teollisuussovelluksissa. Uskotaan, että markkinoiden vaatimukset laajentavat tämäntyyppisen tuotteen käyttöä lähitulevaisuudessa.

Viitteet:

1. IPC-2221A