صفحه اصلی > اخبار > محتوای
سنگین و شدید برای رسیدن به حداکثر قابلیت اطمینان در طراحی و ساخت PCB
Jul 05, 2018

انواع محصولات الکترونیک قدرت هر روز برای طیف وسیعی از برنامه ها طراحی می شوند. به طور فزاینده، این پروژه ها از روند رو به رشد در صنعت تخته مدار چاپی استفاده می کنند: مس سنگین و PCB های افقی مسی.

چه چیزی یک مدار مس سنگین را تعریف می کند؟ اکثر PCB های قابل فروش در دسترس برای کاربردهای کم ولتاژ / کم قدرت تولید می شوند، که دارای ردیاب های مس / وزن های مس است که از ½-oz / ft2 تا 3-oz / ft2 تشکیل شده است. یک مدار مسی سنگین با وزنهای مس در هر جایی بین 4 ایزو / فوت 2 تا 20 اونس / فوت 2 تولید می شود. وزن مس بیش از 20 اونس / ft2 و تا 200 اونس / ft2 نیز ممکن است و به عنوان مخرب مس نامیده می شود.

برای اهداف این بحث، ما در درجه اول به مس سنگین تمرکز می کنیم. افزایش وزن مس در ترکیب با یک بستر مناسب و پوشش ضخیم تر در سوراخ ها تبدیل یک بار غیر قابل اعتماد، تخته مدار ضعیف به یک پلت فرم سیم کشی قابل اعتماد و قابل اعتماد است.

ساخت یک مدار مس سنگین یک هیئت مدیره با مزایایی مانند:

افزایش استقامت به فشارهای گرما

افزایش ظرفیت باربری فعلی

افزایش قدرت مکانیکی در سایت های اتصال و در سوراخ PTH

مواد عجیب و غریب مورد استفاده برای پتانسیل کامل (به عنوان مثال، درجه حرارت بالا) بدون شکست مدار

اندازه محصول را با استفاده از وزن های مختلف مسی در یک لایه ی مدار مجتمع کاهش می دهد (شکل 1)

ویس بزرگ با ضخامت مس، جریان بیشتری را از طریق هیئت مدیره انتقال می دهد و به انتقال گرما به گرمای خارجی می انجامد

هیئت مدیره هیئت مدیره به طور مستقیم بر روی سطح هیئت مدیره با استفاده از هواپیماهای مس 120 اونس

ترانسفورماتورهای مسطح با قدرت بالا چگالی

اگرچه معایب کم است، مهم است که ساختار پایه مس مدار سنگین را درک کنید تا قابلیت ها و برنامه های بالقوه آن کاملا درک شود.

شکل 1: نمونه های دارای ویژگی های 2 عدد، 10 عدد، 20 عدد و 30 عدد مس در یک لایه.

مدار ساخت و ساز مس سنگین

PCB های استاندارد، چه دو طرفه یا چند لایه، با استفاده از ترکیبی از اکسید مس و فرآیندهای آبکاری تولید می شوند. لایه های مدار به عنوان ورقه های نازک فویل مس (به طور کلی 0.5 اونس / فوت 2 تا 2 اونس / فوت 2) شروع می شوند که برای حذف مس ناخواسته می شوند و برای افزودن ضخامت مس به هواپیما، ردیاب ها، لنت ها و سوراخ های پوشیده شده اند. تمام لایه های مدار به یک بسته کامل با استفاده از یک بستر مبتنی بر اپوکسی مانند FR-4 یا پلییمید لمینیت می شوند.

مدارهای دارای مدارهای مس سنگین به طور دقیق تولید می شوند، البته با تکنیک های مخصوص اچینگ و پوشش، از قبیل سرعت بالا / گشتاور و اچینگ دیفرانسیل. از لحاظ تاریخی، ویژگی های سنگین مسی به طور کامل توسط اچینگ کردن ضایعات مس ضخیم پوشیده شده از تخته چند لایه تشکیل شده است، باعث ایجاد ناهمواری های جانبی و غیر قابل قبول می شود. پیشرفت در تکنولوژی پوشیده شده، ویژگی های سنگین مس را با ترکیبی از پوشش و اچ انجام می دهد، که باعث می شود که طرفین و پائین های ناچیز ایجاد شود.

قرار دادن یک مدار مسی سنگین باعث می شود که سازنده هیئت مدیره مقدار ضخامت مس را در سوراخ های روکش شده و از طریق دیواره های جانبی افزایش دهد. در حال حاضر ممکن است مخلوط مس سنگین با ویژگی های استاندارد در یک تخته تک. مزایا شامل کاهش تعداد لایه، توزیع قدرت کم امپدانس، رد پایهای کوچک و صرفه جویی در هزینه بالقوه است.

به طور معمول، مدارهای با ولتاژ بالا / ولتاژ بالا و مدارهای کنترل آنها به طور جداگانه در جداول جداگانه تولید می شوند. پوشش مسی سنگین باعث می شود مدارهای جریان بالا و مدارهای کنترل را برای تحقق یک ساختار هیئت مدیره بسیار متراکم، در عین حال ساده، ادغام نمایند.

ویژگی های سنگین مسی را می توان به صورت یکپارچه به مدارهای استاندارد وصل کرد. مس و فلزات سنگین را می توان با محدودیت حداقل در نظر گرفت، در صورتی که طراح و سازنده در مورد تحرکات و توانایی های تولید قبل از طراحی نهایی صحبت می کنند (شکل 2).

شکل 2: ویژگی های 2-oz اتصال مدار کنترل را در حالی که ویژگی های 20 اونس حمل بارهای با ولتاژ بالا.

ظرفیت حمل و نقل کنونی و افزایش دما

چقدر جریان می تواند یک مدار مسی با خیال راحت حمل کند؟ این یک سوال است که اغلب توسط طراحانی که مایل به ترکیب مدارهای سنگین مس در پروژه خود هستند، ابراز شده است. این سوال معمولا با سوال دیگری پاسخ می دهد: چقدر حرارت می تواند پروژه شما را تحمل کند؟ این سوال مطرح می شود زیرا افزایش گرما و جریان جاری دست به دست می شود. بیایید سعی کنیم هر دو این سؤالات را با هم مقایسه کنیم.

هنگامی که جریان در امتداد ردیابی جریان دارد، یک I2R (از دست دادن قدرت) وجود دارد که نتیجه گرمایش موضعی می شود. ردیابی با هدایت (به مواد همسایه) و انتقال (به محيط) سرد می شود. بنابراین، برای پیدا کردن حداکثر جریان ردیابی می تواند با خیال راحت حمل شود، ما باید راهی برای ارزیابی افزایش گرمای مرتبط با جریان اعمال کنیم. یک وضعیت ایده آل برای رسیدن به دمای کار پایدار است که در آن میزان گرما برابر با نرخ خنک کننده است. خوشبختانه، ما یک فرمول IPC داریم که می توانیم برای مدل سازی این رویداد استفاده کنیم.

IPC-2221A: محاسبه ظرفیت فعلی یک مسیر خارجی [1]:

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

جایی که من جریان (آمپر) است، DT افزایش درجه حرارت (° C)، W عرض ردیاب (میلی) و Th ضخامت ردیابی (میلی) است. ردیابی داخلی باید برای 50 درجه (برآورد شده) برای همان درجه گرما باقی بماند. با استفاده از فرمول IPC ما شکل 3 را نشان دادیم، ظرفیت حمل بار در چندین ناحیه متقاطع مختلف با افزایش درجه حرارت 30 درجه سانتیگراد را نشان می دهد.

شکل 3: جریان تقریبی برای ابعاد داده شده (افزایش دمای 20 درجه سانتیگراد).

چه چیزی مقدار قابل توجهی از گرما را افزایش می دهد از پروژه به پروژه متفاوت است. اکثر مواد دی الکتریک تخته مدار می توانند در دمای 100 درجه سانتیگراد بالاتر از محیط مقاومت کنند، اگر چه این مقدار تغییر درجه حرارت در اغلب موارد غیر قابل قبول است.

قدرت مدار پیوسته و زنده ماندن

تولیدکنندگان مدار چاپی و طراحان می توانند از انواع مواد دی الکتریک، از استاندارد FR-4 (دمای عملیاتی 130 درجه سانتیگراد) تا پلی آمید با درجه حرارت بالا (دمای کاری 250 درجه سانتیگراد) را انتخاب کنند. یک وضعیت محیطی با درجه حرارت بالا یا شدید ممکن است یک ماده عجیب و غریب ایجاد کند، اما اگر مدارهای ردیابی و ورقه های پوشانده شده استاندارد 1 اونس / فوت 2 باشند، آیا آنها در شرایط شدید زندگی می کنند؟ صنعت تخته مدار یک روش آزمایشی برای تعیین یکپارچگی حرارتی یک محصول مدار به پایان رسیده است. سويه های حرارتی از فرآيند ساخت، مونتاژ و تعمیر مختلف ساخته می شوند، جایی كه تفاوت بین ضریب انبساط حرارتی (CTE) Cu و ورقه ورقه PWB نیروی محرکه ای برای نوك كشی و رشد تا شکست مدار است. آزمایش چرخه حرارتی (TCT) برای افزایش مقاومت یک مدار برای کنترل دوچرخهسواری حرارتی هوا به هوا از 25 تا 260 درجه سانتیگراد بررسی می کند.

افزایش مقاومت نشان دهنده شکست در یکپارچگی الکتریکی از طریق ترک در مدار مس است. طراحی استاندارد کوپن برای این آزمون با استفاده از یک زنجیره ای از 32 سوراخ قابل نفوذ، که به عنوان ضعف ترین نقطه در یک مدار در معرض استرس حرارتی به حساب می آید.

مطالعات چرخه حرارتی بر روی صفحات استاندارد FR-4 با پوشش مس 0.8 تا 1.2 میلی متر نشان داده است که 32 درصد از مدارها پس از هشت سیکل شکست می خورند (افزایش 20 درصد مقاومت در نظر گرفته می شود). مطالعات چرخه ی حرارتی انجام شده بر روی مواد عجیب و غریب، بهبود قابل ملاحظه ای در این میزان شکست (3٪ پس از هشت سیکل برای استرین سینات)، اما غیر قابل قبول گران هستند (5-10 بار هزینه مواد) و پردازش دشوار است. به طور متوسط مونتاژ فن آوری سطح نصب حداقل چهار دوره حرارتی را قبل از حمل و نقل می بیند و می تواند دو دوره حرارتی اضافی برای هر تعمیر کامپوننت را ببیند.

برای هیئت مدیره SMOBC که از طریق یک چرخه تعمیر و تعویض برای رسیدن به مجموع 9 یا 10 دوره حرارتی رسیده است، غیر منطقی نیست. نتایج TCT به وضوح نشان می دهد که سرعت شکست، بدون توجه به آنچه که در هیئت مدیره می تواند غیر قابل قبول باشد. تولید کنندگان مدار چاپی می دانند که آبکاری الکتریکی مس، تغییرات دقیق در تراکم جریان در یک هیئت مدیره نیست و از طریق سوراخ های متعدد / از طریق اندازه، تغییرات ضخامت مس تا 25٪ یا بیشتر را نشان می دهد. اکثر مناطق "مس نازک" بر روی دیواره های روکش دیوار قرار دارند - نتایج TCT به وضوح نشان می دهد که این مورد است.

با استفاده از مدارهای سنگین مس، این شکستها را کاهش داده یا از بین ببرند. قرار دادن 2 اونس / فوت 2 مس به یک دیوار سوراخ میزان شکست را تقریبا صفر می کند (نتایج TCT نشان می دهد نرخ شکست شکست 0.57٪ پس از 8 دوره برای استاندارد FR-4 با حداقل 2.5 میلی متر پوشش مس). در واقع، مدار مس به مقاومت مکانیکی که توسط دوچرخه سواری حرارتی بر روی آن قرار می گیرد، غیر قابل نفوذ است.

مدیریت حرارتی

همانطور که طراحان تلاش می کنند تا حداکثر ارزش و عملکرد خود را از پروژه های خود به دست آورند، مدار چاپی پیچیده تر می شود و به تراکم قدرت بالاتر هدایت می شود. کوچک سازی، استفاده از اجزای قدرت، شرایط محیطی شدید و نیازهای جاری بالا، اهمیت مدیریت حرارتی را افزایش می دهد. تلفات بالاتری در قالب گرما، که اغلب در بهره برداری از الکترونیک تولید می شود، باید از منبع آن کاسته شود و به محیط برسد؛ در غیر این صورت، اجزاء ممکن است بیش از حد گرم شوند و ممکن است ناقص باشد. با این حال، مدارهای مسی سنگین می توانند با کاهش ضایعات I2R و هدایت گرما به اجزای ارزشمند کمک کنند، کاهش سرعت شکست به طرز چشمگیری افزایش می یابد.

برای رسیدن به گرما آزاد مناسب از منابع گرما در سطح تخته مدار، از گرما استفاده می شود. هدف از هر گرماسنج این است که گرما را از منبع تولید به وسیله رسانا دور کند و این گرما را از طریق گرما به محیط برساند. منبع حرارت در یک طرف هیئت مدیره (یا منابع گرمای داخلی) با واسهای مس (گاهی اوقات "ویسا گرما" نامیده می شود) به یک مساحت مسطح بزرگ در طرف دیگر هیئت مدیره متصل می شود.

به طور کلی، کوره های کلاسیک به وسیله یک چسب رسانا ترمو یا در برخی موارد، به صورت مساوی یا پیچ و مهره به این سطح مس ناحیه ای متصل می شوند. اکثر اتمسفرهای ساخته شده از مس یا آلومینیوم ساخته شده است. فرایند مونتاژ مورد نیاز برای گرمایش کلاسیک شامل سه مرحله کار و هزینه گران است.

برای شروع، فلز که خنک کننده بخار است، باید مشت شود یا به شکل مورد نیاز برود. لایه چسب همچنین باید برش داده شود یا مهر و موم شده برای مناسب دقیق بین تخته مدار و heatsink. آخرین باری نیست که بخاری باید به درستی بر روی PCB قرار گیرد و تمام بسته باید برای مقاومت الکتریکی و / یا خوردگی با لایه یا کت پوشش مناسب پوشش داده شود.

به طور معمول، فرآیند فوق نمی تواند خودکار باشد و باید با دست انجام شود. زمان و کار مورد نیاز برای تکمیل این فرایند قابل توجه است و نتایج بدست آمده از فرایند خودکار مکانیکی پایین تر است. در مقابل، بخاری ساخته شده در فرایند تولید PCB ایجاد می شود و نیازی به مونتاژ اضافی ندارد. تکنولوژی مدار مس سنگین باعث می شود این امکان پذیر باشد. این تکنولوژی اجازه می دهد تا علاوه بر کوره های قلیایی مس ضخیم تقریبا در هر نقطه از سطوح بیرونی هیئت مدیره. هیدرولیک بر روی سطح آبکاری می شود و به این ترتیب به واسهای گرما هدایت می شود بدون هیچ گونه رابطی که مانع هدایت حرارتی می شود.

مزیت دیگری این است که افزودن مس به ویس گرمایی، که مقاومت حرارتی طراحی هیئت مدیره را کاهش می دهد، درک می کنند که می توانند از همان درجه دقت و تکرارپذیری ذاتی تولید PCB انتظار داشته باشند. از آنجاییکه سیم پیچهای مسطح در واقع لایههای رسانایی مسطح هستند که بر روی ورقه ورقه مس پوشش داده میشوند، تراکم جریان کلی نسبت به سیمهای استوانه ای سیمان بهبود مییابد. این مزیت ناشی از کم کردن اثرات پوست و راندمان بالای جریان است.

Planars های روی دیوار به خوبی از جداسازی دی الکتریک ابتدایی تا ثانویه و ثانویه به ثانویه دست می یابند، زیرا همان ماده دی الکتریک بین تمام لایه ها، تضمین کامپوزیت کامپوزیت کامل سیم پیچ ها است. علاوه بر این، سیم پیچ های اولیه را می توان از بین برد، به طوری که سیم پیچ های ثانویه بین مقادیر اولیه قرار می گیرند، به دست آوردن القاء کم نشت. تکنیک های استاندارد PCB، با استفاده از انتخاب های مختلف رزین های اپوکسی، می توانند به راحتی ساندویچ تا 50 لایه سیم پیچ های مس را به اندازه ضخامت 10 اونس / فوت 2 بشکند.

در حین ساخت مدارهای مس سنگین، ما معمولا با ضخامت های قابل پوششی مقابله می کنیم؛ بنابراین، در تعریف جدایی ردیابی و اندازه پد باید کمک هزینه شود. به همین علت، طراحان توصیه می کنند که در زمان طراحی فرایند طراحی هیئت مدیره در هیئت مدیره حضور داشته باشند.

محصولات الکترونیک قدرت با استفاده از مدارهای سنگین مس برای سال ها در صنعت نظامی و هوافضا مورد استفاده قرار گرفته و به عنوان تکنولوژی انتخاب در کاربردهای صنعتی به دست آورده اند. اعتقاد بر این است که نیازهای بازار این محصول را در آینده نزدیک گسترش خواهد داد.

منابع:

1. IPC -2221A