Haza > Hírek > Tartalom
Nehéz és extrém réz a maximális megbízhatóság érdekében a PCB tervezés és gyártás során
Jul 05, 2018

Számos teljesítményelektronikai terméket fejlesztenek naponta egy sor alkalmazásra. Ezek a projektek egyre inkább kihasználják a nyomtatott áramköri iparág növekvő tendenciáját: a nehéz réz és az extrém réz-PCB-k.

Mi határozza meg a nehéz réz-áramkört? A legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható PCB-t kisfeszültségű / kis teljesítményű alkalmazásokhoz gyártják, réz nyomokkal / síkokkal, amelyek réz tömege ½-oz / ft2 és 3-oz / ft2 közötti. A nehéz réz-áramkört réz tömeggel állítják elő, bárhová a 4-oz / ft2 és 20-oz / ft2 között. A réz tömege 20-oz / ft2 és akár 200-oz / ft2 is lehetséges, és ezeket extrém réznek nevezik.

Ennek a vitának a céljára elsősorban a nehéz rézre koncentrálunk. A megnövekedett réz tömege megfelelő hordozóval kombinálva és vastagabb bevonatolással az átmenőfuratokon átkapcsolja az egyszer megbízható, gyenge áramköri kártyát egy tartós és megbízható vezetékes platformra.

A nehézréz áramkör építése olyan tábla előnyeit nyújtja, mint például:

A termikus törzsek fokozott kitartása

Megnövelt áramterhelhetőség

Megnövelt mechanikai szilárdság a csatlakozó helyeken és a PTH lyukakban

Egzotikus anyagok, amelyek teljes potenciáljukhoz (azaz magas hőmérséklethez) kapcsolódnak áramkör hiba nélkül

Csökkentett termékméret úgy, hogy több rézsúlyt alkalmaz az azonos áramkörön (1. ábra)

A nehéz rézbevonatú viaszok nagyobb áramot hordoznak a fedélzeten keresztül, és segítik a hő átjutását egy külső hűtőbordába

A fedélzeti hűtőbordák közvetlenül a fedélzet felszínére vannak felhordva akár 120 hüvelyk rézsűrűvel

Fedélzeti nagy teljesítményű sűrűségű sík-transzformátorok

Bár a hátrányok kevéssé váltak, fontos megérteni a nehéz réz áramkör alapvető konstrukcióját, hogy teljes mértékben felmérje képességeit és potenciális alkalmazási lehetőségeit.

1. ábra: A minta 2 oz, 10 oz, 20 oz és 30 oz réz tulajdonságokkal rendelkezik ugyanazon a rétegen.

Heavy Copper Circuit Construction

A szabványos PCB-ket, akár kétoldalasak, akár többrétegűek, rézmetsző és bevonó eljárások kombinációjával állítják elő. Az áramköri rétegek vékony réteges rétegekből indulnak ki (általában 0,5-0,22 g / ft2), amelyek a nem kívánt réz eltávolítására vannak bevonva, és rézvastagsággal vannak bevonva a repülőgépekhez, nyomokhoz, párnákhoz és bevont lyukakhoz. Az összes áramköri réteget teljes csomagolásban egy epoxi alapú szubsztrátum, például FR-4 vagy poliimid alkalmazásával laminálják.

A nehéz réz-áramköröket tartalmazó táblák pontosan ugyanolyan módon készülnek, jóllehet különleges maratási és galvanizáló technikákkal, például nagysebességű / lépcsőzetes és differenciál maratással. Történelmileg a nehéz réz jellegzetességek teljesen a vastag, rézzel burkolt rétegelt tábla anyagának bevonásával jöttek létre, ami egyenetlen nyomvonalú oldalfalakat és elfogadhatatlan alákínálást okozott. A galvanizáló technológia előrehaladása lehetővé tette a nehéz réz tulajdonságainak kialakulását a bevonás és a maratás kombinációjával, ami egyenesen oldalfalat és elhanyagolható alsó burkolatot eredményezett.

A nehéz réz-áramkör bevonása lehetővé teszi a lemezgyártó számára, hogy növelje a rézvastagság mennyiségét bevont lyukakban és oldalfalakon keresztül. Most már lehetséges, hogy egy rétegben a nehéz réz és a standard funkciók keveredjenek. Az előnyök közé tartozik a csökkentett rétegszám, az alacsony impedanciájú energiaelosztás, a kisebb lábnyomok és a lehetséges költségmegtakarítás.

Rendszerint a nagy áramú / nagy teljesítményű áramköröket és vezérlőáramköreiket külön táblákon állították elő. A nehéz rézlemezek lehetővé teszik a nagy áramú áramkörök és vezérlőáramkörök integrálását egy nagyon sűrű, mégis egyszerű lemezszerkezet megvalósításához.

A nehéz réz tulajdonságai zökkenőmentesen csatlakoztathatók a szabványos áramkörökhöz. A nehéz réz és a standard jellemzők minimális korlátozással helyezhetők el, feltéve, hogy a tervező és a gyártók a gyártási tűréseket és képességeket tárgyalják a végső kialakítás előtt (2. ábra).

2. ábra: A 2-oz-os funkciók összekapcsolják a vezérlő áramköröket, míg a 20-oz-os jellemzők nagy áramterhelést hordoznak.

Az aktuális hordképesség és a hőmérséklet emelkedése

Mennyi áramot tud szállítani a rézkör? Ez a kérdés gyakran hangzik a tervezők, akik szeretnék beépíteni a nehéz réz áramkörök a projektbe. Ezt a kérdést általában egy másik kérdéssel válaszolják meg: Mennyit emelkedhet a projekted? Ez a kérdés azért merül fel, mert a hő emelkedése és az áramlás kéz a kézben jár. Próbáljunk mindkét kérdést együtt megválaszolni.

Amikor a nyomvonal mentén áramlik, van egy I2R (teljesítményveszteség), amely helyi fűtést eredményez. A nyom a vezetés (a szomszédos anyagok) és a konvekció (a környezetbe) lehűl. Ezért, hogy megtaláljuk a maximális áramot, amely nyomon követheti a biztonságot, meg kell találnunk egy módszert az alkalmazott áramhoz kapcsolódó hőnövekedés becsléséhez. Ideális helyzet lenne egy stabil üzemi hőmérséklet elérése, ahol a fűtési sebesség egyenlő a hűtési sebességgel. Szerencsére van egy IPC képletünk, amelyet használhatunk az esemény modellezésére.

IPC-2221A: külső pálya jelenlegi kapacitásának kiszámítása [1]:

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

Ahol I áram (amper), a DT hőmérsékletemelkedés (° C), W a nyomelem szélessége (mil) és Th a nyomkövetés vastagsága (mil). A belső nyomokat 50% -kal (becslés) kell csökkenteni ugyanolyan fűtési fokra. Az IPC képlet segítségével generáltuk a 3. ábrát, amely bemutatja a különböző keresztmetszeti területek többszörös nyomainak 30 ° C-os hőmérséklet-emelkedését.

3. ábra: Hozzávetőleges áram a megadott vágányméretekhez (20 ° C-os hőmérsékletemelkedés).

Ami elfogadható mennyiségű hőnövekedést jelent, az eltér a projekttől. A legtöbb áramköri lap dielektromos anyaga 100 ° C-os környezeti hőmérsékletnek ellenáll, bár ez a hőmérséklet-változás a legtöbb esetben elfogadhatatlan.

Az áramköri lap erőssége és túlélhetősége

Az áramköri lap gyártói és tervezői különböző dielektromos anyagokból választhatnak a szabványos FR-4 (130 ° C-os üzemi hőmérséklet) és a magas hőmérsékletű poliimid (250 ° C-os működési hőmérséklet) között. A magas hőmérsékletű vagy szélsőséges környezeti helyzet egy egzotikus anyagot igényelhet, de ha az áramköri nyomok és a bevont vias szabványos 1 oz / ft2, akkor túlélik a szélsőséges körülményeket? Az áramköri iparág kifejlesztett egy tesztmódszert a kész áramköri termék hőérzékenységének meghatározására. A termikus törzsek különböző fedélzeti gyártási, összeszerelési és javítási folyamatokból származnak, ahol a Cu és a PWB laminátum hőtágulási együtthatója (CTE) közötti különbségek biztosítják a repedésmagképződés és az áramkör meghibásodásának hajtóerejét. A hőciklus-tesztelés (TCT) ellenőrzi az áramkör ellenállásának növelését, mivel a levegő-levegő termikus keringése 25 ° C és 260 ° C közötti.

Az ellenállás növekedése azt jelzi, hogy az elektromos integritás romlott a réz áramkörben. Ennek a vizsgálatnak a szabványos kuponterme 32 láncú láncot használ, melyet régóta a termikus feszültségnek kitett áramkör leggyengébb pontjának tekintettek.

A szabványos FR-4 táblákon elvégzett hőciklus-vizsgálatok, amelyek 0,8-1 mil-mil rézbevonattal történtek, kimutatták, hogy az áramkörök 32% -a nem működik nyolc ciklus után (20% -os ellenállás növekedés hiba). Az egzotikus anyagokkal végzett hőciklus-vizsgálatok szignifikáns javulást mutatnak ez a meghibásodási arány (3 ciklusnyi ciklációs ciklus után 3%), de megfizethetetlenül drágák (öt-tízszeres anyagköltség) és nehezen feldolgozhatók. Az átlagos felszíni szerelésű technológiai szerelvény legalább 4 hőciklusot lát a szállítás előtt, és további két hőciklusot lát minden alkatrészjavításhoz.

Nem indokolatlan egy olyan SMOBC fórumon, amely egy javítási és csere cikluson ment keresztül, összesen kilenc vagy tíz termikus ciklus elérése érdekében. A TCT eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy a meghibásodási ráta, függetlenül attól, hogy mi a fedélzeti anyag, elfogadhatatlanná válhat. A nyomtatott áramköri lemezgyártók tudják, hogy a réz galvanizálás nem egy pontos tudományváltozás az aktuális sűrűségben a fedélzeten keresztül, és számos lyukon / átmérőn keresztül a rézvastagság-változatok legfeljebb 25% -át vagy annál nagyobbat eredményeznek. A "vékony réz" rétegek legtöbb területe plated-hole falakon van - a TCT eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy ez a helyzet.

A nehéz rézkörök használata csökkenti vagy megszünteti ezeket a hibákat. A réz 2 oz / ft2 rétegének lyukba helyezése csökkenti a meghibásodási arányt majdnem nulla értékre (a TCT eredmények 0,57% -os hibaarányt mutatnak nyolc ciklus után a standard FR-4 esetében, legalább 2,5 mm-es rézlemezzel). Valójában a réz áramkör áthatolhatatlan a termikus kerékpározás által rátapadt mechanikai feszültségekre.

Termikus kezelés

Mivel a tervezők törekednek arra, hogy projektjeikből maximális értéket és teljesítményt érjenek el, a nyomtatott áramkörök egyre bonyolultabbá válnak, és nagyobb teljesítmény sűrűségre vezetnek. A miniatürizálás, a hatalomkomponensek használata, a szélsőséges környezeti feltételek és a nagy igényű igények növelik a hőkezelés fontosságát. A nagyobb hőveszteségeket, amelyek gyakran az elektronika működésében keletkeznek, el kell távolítani a forrásból és sugározni a környezetre; ellenkező esetben az összetevők túlmelegedhetnek és kudarcok keletkezhetnek. Azonban a nehéz rézkörök segíthetnek az I2R veszteségek csökkentésében és az értékes összetevőkből származó hőmennyiség csökkentésével, ami drasztikusan csökkenti a meghibásodási arányokat.

Az áramköri lapon és a felületen lévő hőforrások megfelelő hőelvezetésének elérése érdekében hűtőbordákat alkalmaznak. A hűtőbordák célja, hogy a termelés forrásától távol tartják a hőt, és a hőt a környezettel konvekcióval bocsátják ki. A tábla egyik oldalán (vagy a belső hőforrásokon) lévő hőforrást a rézvásznak (más néven "hő vias" -nek) egy nagy, csupasz réz területre kell csatlakoztatni a tábla másik oldalán.

Általában a klasszikus hűtőbordák hőre vezető ragasztóval vannak összekötve, vagy bizonyos esetekben szegecseltek vagy csavarozottak. A legtöbb hűtőborda rézből vagy alumíniumból készül. A klasszikus hűtőbordákhoz szükséges összeszerelési folyamat három munkaigényes és költséges lépésből áll.

Kezdetként a hűtőbordáként szolgáló fémeket meg kell lyukasztani vagy vágni a kívánt alakra. A ragasztóréteget is meg kell vágni vagy bélyegezni, hogy pontosan illeszkedjen az áramköri lap és a hűtőborda között. Végül, de nem utolsósorban a hűtőbordát megfelelően helyezni kell a NYÁK-ra, és az egész csomagot elektromos és / vagy korrózióállósággal kell bevonni megfelelő lakkal vagy fedőrétegen.

Általában a fenti eljárás nem automatizálható, és kézzel kell elvégezni. A folyamat befejezéséhez szükséges idő és munka jelentős, az eredmények pedig gyengébbek, mint egy mechanikusan automatizált folyamat. Ezzel szemben beépített hűtőbordákat hoznak létre a NYÁK gyártási folyamata során, és nincs szükség további összeszerelésre. A nehézfém-áramkör-technológia lehetővé teszi ezt. Ez a technológia lehetővé teszi a vastag rézhuzalok hozzáadását gyakorlatilag bárhol a fedélzet külső felületén. A hűtőbordák a felületen galvanizálódnak, és így a hővezető nyílásokhoz kapcsolódnak olyan interfészek nélkül, amelyek megakadályozzák a hővezetőképességet.

Egy másik előny a hozzáadott rézlemezezés a hőcserélőben, ami csökkenti a lemeztervezés hőellenállását, felismerve, hogy ugyanazt a pontosságot és reprodukálhatóságot várják el a PCB-gyártásban. Mivel a sík tekercsek valójában lapos vezetőképes nyomot képeznek rézzel borított laminátumon, javítják a teljes áramsűrűséget a hengeres vezetékvezetékekhez képest. Ez az előny a bőrhatás minimalizálásának és a nagyobb áramvisszaadási hatékonyságnak köszönhető.

A fedélzeti síkok kiváló elsődleges-szekunder és másodlagos-másodlagos dielektromos szigetelést érnek el, mivel ugyanazt a dielektromos anyagot használják az összes réteg között, biztosítva az összes tekercs teljes beágyazását. Ezenkívül az elsődleges tekercsek kiömlhetnek úgy, hogy a másodlagos tekercsek a primerek között helyezkedjenek el, és alacsony szivárgási induktivitást érjenek el. A szabványos PCB-lamellázási technikák, különböző epoxi gyanták választékával, biztonságosan 50 réteg réz tekercselést képesek szendvicsbe tenni, olyan vastagon, mint 10 oz / ft2.

A nehéz réz-áramkörök gyártása során rendszerint jelentős bevonat vastagságúak; ezért a nyomelemek és a párnák méretének meghatározása során ki kell számolni. Ezért a tervezőknek tanácsosnak kell lenniük a fedélzeti gyártóknak a tervezési folyamat elején.

A nehézfém-áramköröket használó teljesítményelektronikai termékek hosszú évek óta használatosak a katonai és repülőipari iparban, és egyre inkább lendületet kapnak az ipari alkalmazásokban. Úgy vélik, hogy a piaci követelmények kiterjesztik majd az ilyen típusú termékek alkalmazását a közeljövőben.

Irodalom:

1. IPC -2221A