Kodu > Uudised > Sisu
Raske ja äärmiselt vask maksimaalse usaldusväärsuse saavutamiseks PCB projekteerimisel ja valmistamisel
Jul 05, 2018

Erinevate jõuallikate elektroonikaseadmed valmistatakse iga päev erinevate rakenduste jaoks. Nendest projektidest on üha enam kasu trükiplaatide tööstuse kasvav suundumus: rasked vask ja äärmuslikud vaskplaadid.

Mis määratleb raske vase ringi? Enamik turustatavaid PCB-sid toodetakse madalpinge / vähese energiatarbega seadmetes, mille vaskide kaalud on vahemikus ½-oz / ft2 kuni 3 oz / ft2. Raske vaskkeaparatuur on valmistatud vaskkaalaga, kus on 4-oz / ft2 kuni 20-oz / ft2. Samuti on võimalik üle 20-oz / ft2-le ja kuni 200-oz / ft2-le vasest kaalu ja neid nimetatakse äärmuslikuks vasks.

Selle arutelu eesmärgil keskendume peamiselt raskeveele. Suurendatud vaskkaal koos sobiva substraadiga ja läbilaskeava paksemaks katmiseks muudab ühekordselt ebausaldusväärse ja nõrga trükkplaadi vastupidavaks ja usaldusväärseks juhtmestiku platvormiks.

Raske vaskkonstruktsiooni ehitamine annab plaadi, millel on eelised:

Termotüvede pikenenud vastupidavus

Suurenenud praegune kandevõime

Suurenenud mehaaniline tugevus konnektorites ja PTH aukudes

Eksootilised materjalid, mida kasutatakse nende täieliku potentsiaalina (so kõrgel temperatuuril) ilma ahelrafiidefektideta

Vähendatud toote suurus, kaasates mitu vaskkaalu samasse kihti (joonis 1)

Suured vasega vineerivad vineerid hoiavad suuremaid voolu läbi plaadi ja aitavad soojust üle viia välisele heatsinkile

Rongis asuvad heitgaasid, mis on otse pinnale laotatud kuni 120-oz-tüüpi vasktasandiga

Rongisisesed suure võimsusega tihedad tasapinnalised trafod

Ehkki puudused on vähesed, on oluline mõista rasket vaskeahelat põhi konstruktsioonist, et täielikult hinnata selle võimeid ja potentsiaalseid rakendusi.

Joonis 1: Proov, millel on sama kihi 2-oz, 10-oz, 20-oz ja 30-oz-vask.

Raske vasktraatkonstruktsioon

Tavalised PCB-d, kas kahepoolsed või mitmekihilised, valmistatakse vask-söövitamise ja plaadistusprotsesside kombinatsioonist. Viiruse kihid algavad õhukestest vaskfooliumikiududest (tavaliselt 0,5 oz / ft2 kuni 2 oz / ft2), mis on söövitatud soovimatu vaske eemaldamiseks ja plaaditakse, et lisada vask paksus lennukitesse, jäljed, padjad ja läbimõõtu avad. Kõik vooluahela kihid lamineeritakse täispakendisse, kasutades epoksüpõhist substraati nagu FR-4 või polüimiid.

Raskete vaskade ahelatega plaadid on valmistatud täpselt samamoodi, ehkki spetsiaalsed söövitamise ja pealekandmismeetodid, näiteks kiirkiire / samm-plaadistus ja diferentsiaalne söövitus. Ajalooliselt moodustasid rasked vaskfunktsioonid täiesti paksu vaskkattega laminaatplaadimaterjali söövitamisel, põhjustades ebaühtlaste külgseinte ja vastuvõetamatu allutamise. Platingtehnoloogia edusammud on võimaldanud plaatide ja söövitusmeetodite abil moodustada rasked vaskfunktsioonid, mille tulemuseks on sirged külgseinad ja ebaoluline alumine lõik.

Rasked vaskkehmad võimaldavad lauasööturul suurendada vasest paksust plaaditud augudesse ja külgseinte kaudu. Nüüd on võimalik ühe voldiga segada rasket vaske standardsete funktsioonidega. Eeliste hulka kuuluvad vähendatud kihtide arv, madala impedantsi võimsuse jaotus, väiksemad jalajäljed ja võimalik kulude kokkuhoid.

Tavaliselt valmistati suure voolu / suure võimsusega ahelad ja nende juhtimisahelad eraldi eraldi plaatidel. Suure vasega plaadistamine võimaldab integreerida suure vooluahelate ja juhtskeemid väga tiheda, kuid lihtsa pardaehitusstruktuuri realiseerimiseks.

Rasked vaskfunktsioone saab sujuvalt ühendada standardsete ahelatega. Raske vaske ja standardseid funktsioone saab paigutada minimaalsete piirangutega tingimusel, et disainer ja valmistaja arutavad tootmise tolerantse ja võimeid enne lõplikku projekteerimist (joonis 2).

Joonis 2: 2-oz funktsioonid ühendavad juhtimisahelad, samas kui 20-oz-funktsioonidel on kõrge voolu koormused.

Praeguse kandevõime ja temperatuuri tõus

Kui palju voolu võib vasesahela ohutult vedada? See on küsimus, mida tihti väljendavad disainerid, kes soovivad oma projektisse lisada rasked vasesignaale. Sellele küsimusele vastatakse tavaliselt järgmine küsimus: kui palju soojust saab teie projekt vastu pidada? See küsimus tekib, sest sooja suurenemine ja praegune vool käib käsikäes. Proovime mõlemaid küsimusi koos vastata.

Kui voog voolab mööda jälge, on I2R (voolukadu), mille tulemuseks on lokaalne küte. Jälg jahtub juhtimisel (naabermaterjalidesse) ja konvektsioonini (keskkonda). Sellepärast, et leida maksimaalse voolu, mida jälg võib ohutult vedada, peame leidma viisi, kuidas hinnata rakendatud vooluga seotud kuumust. Ideaalne olukord oleks stabiilse töötemperatuuri saavutamine, kus kütte kiirus oleks võrdne jahutusmääraga. Õnneks on meil IPC-valem, mida saame seda sündmust modelleerida.

IPC-2221A: välise pala praeguse võimsuse arvutamine [1]:

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

Kui ma voolan (amprid), on DT temperatuur tõus (° C), W on jälje laius (mil) ja Th on jälje paksus (mil). Sisemised jäljed peavad olema samal tasemel soojendamiseks 50% (hinnanguliselt). Kasutades IPC valemit, oleme genereerinud joonise 3, mis näitab mitmesuguste ristlõikepindade jälgi, mille temperatuur tõuseb 30 ° C.

Joonis 3: ligikaudne voolu antud joone mõõtmete jaoks (20 ° C temp tõuseb).

Soojuskasvu aktsepteeritav summa on projekti erinevusest erinev. Enamik trükkplaadi dielektrilisi materjale võib vastu pidada temperatuurile 100 ° C üle ümbritseva keskkonna, kuigi see temperatuuride muutus oleks enamikus olukordades vastuvõetamatu.

Voolujuhtme tugevus ja elujõulisus

Vööplaadi tootjad ja disainerid saavad valida mitmesugustest dielektrilistest materjalidest, alates standardist FR-4 (töötemperatuur 130 ° C) kuni kõrgtemperatuurse polüimiidiga (töötemperatuur 250 ° C). Kõrgtemperatuuriline või äärmuslik keskkonnaseisund võib nõuda eksootilist materjali, kuid kui vooluahela jäljed ja vooderdused on tavalised 1 oz / ft2, siis kas nad jäävad ekstreemsetesse tingimustesse? Trükkplaaditööstus on välja töötanud testimismeetodi valmiskiiruse toote termilise terviklikkuse kindlaksmääramiseks. Termilised tüved pärinevad erinevatest plaatide valmistamis-, monteerimis- ja remondiprotseduuridest, kus Cu ja PWB-laminaadi soojuspaisumise koefitsiendi (CTE) erinevused annavad pragunemise ja kasvu ajendiks ahela rikkele. Termilise tsükliga testimine (TCT) kontrollib ahela takistuse suurenemist, kui see läbib õhu-õhu termilist tsüklit temperatuuril 25 ° C kuni 260 ° C.

Resistentsuse suurenemine viitab elektri terviklikkuse lagunemisele vase ahela pragude kaudu. Standardkupongi disain selle testi jaoks kasutab 32 painduva läbivoolu ahelat, mis on pikka aega peetud kõige nõrgemaks punktiks, kui see on termilise stressi all.

Termiline tsükliabi uuringud, mis on tehtud standardsetes FR-4-plaatides 0,8 kuni 1,2-millimeetrise vasega plaadistamisega, on näidanud, et 32% aheladest ebaõnnestuvad pärast kaheksa tsüklit (resistentsuse suurenemine 20% võrra loetakse ebaõnnestumiseks). Eksootiliste materjalide soojustsükli uuringud näitavad märkimisväärselt seda ebaõnnestumise määra (3% pärast tsüanaadi esteri kaheksa tsüklit), kuid on liiga kallid (viis kuni kümme korda materjali maksumusest) ja seda on keeruline töödelda. Keskmise pinnatöötlusseadme montaaž koosneb enne transportimist minimaalselt neli termilist tsüklit ja iga komponendi remondiks võib näha veel kahte termotsüklit.

SMOBC-plaadile, mis on läbinud parandamise ja asendamise tsükli, ei ole mõistlik saavutada kokku üheksa või kümmet soojustsüklit. TCT tulemused näitavad selgelt, et ebaõnnestumiste määr, olenemata sellest, milline on toe materjal, võib muutuda vastuvõetamatuks. Trükplaaditootjad teavad, et vask galvaniseerimine ei ole täpne teaduse muutmine praegustes tihedusvetes kogu paneelil ja läbi paljude aukude / suuruste tõttu on vase paksuse variatsioonid kuni 25% või rohkem. Enamik "õhuke vaske" on asetatud aukudega seintesse - TCT tulemused näitavad selgelt, et see nii on.

Raskete vaskade kasutamine vähendaks või kõrvaldaks need puudused üldse. Vase 2-oz / ft2 plaat aukude küljes vähendab rikete määra peaaegu nullini (TCT tulemused näitavad 0,57% -list ebaõnnestumist pärast kaheksa tsüklit standard-FR-4 jaoks, mille läbimõõt on vähemalt 2,5 mm). Tegelikult muutub vaskkontsentratsioon termilise tsükli abil mehaanilistele pingedele vastupidavaks.

Termiline juhtimine

Kuna disainerid püüavad oma projektidest maksimaalset väärtust ja jõudlust saavutada, muutuvad trükilülitused üha keerukamaks ja suurendavad võimsust. Miniaturustamine, energiakomponentide kasutamine, äärmuslikud keskkonnatingimused ja praegused nõuded suurendavad soojusjuhtimise tähtsust. Elektroonikatööstuses sageli tekitatud kuumuse kuumuse vähenemine tuleb hajutada selle allikast ja kiirguseni keskkonda; vastasel juhul võivad komponendid üle kuumeneda ja võivad tekkida tõrked. Kuid raskete vaskade ahelad aitavad vähendada I2R kaotust ja viia väärtuslikke komponente kuumust ära, vähendades järsult rikkeid.

Selleks, et saavutada soojusallika õiget soojusallikat plaadi pinnal ja selle pinnal, kasutatakse heitgaase. Igasuguse heitgaasi eesmärk on hajutada soojust põlvkonna juhtivuse allikast eemale ja eraldada see kuumus konvektsiooniga keskkonda. Soojusallikas juhatuse ühele küljele (või sisemistele soojusallikatele) on ühendatud vase viassidega (mõnikord nimetatakse "kuumuse viaduks") suurele paljavasele alusele laua teisel küljel.

Üldiselt on klassikalised heitegaasid seotud selle palja vasktasapinnaga termiliselt juhtivate liimidega või mõnel juhul on needud või polditud. Enamik heiteid on valmistatud kas vasest või alumiiniumist. Klassikaliste heatsinkide jaoks vajalik koosteprotsess koosneb kolmest töömahukast ja kulukast etapist.

Et alustada, tuleb metallist, mida kasutatakse heitgaasina, tuleb suruda või lõigata vajalikku kuju. Liimikiht tuleb ka trükkplaadi ja heatsinki vahel täpseks paigaldamiseks lõigata või tembeldada. Viimane, kuid mitte vähem tähtis, peab heatsink olema PCB-le nõuetekohaselt paigutatud ja kogu pakend peab olema elektriliselt ja / või korrosioonikindlalt kaetud sobivate lakkide või kattekihiga.

Tavaliselt ei saa ülaltoodud protsessi automatiseerida ja seda tuleb teha käsitsi. Selle protsessi lõpetamiseks kuluv aeg ja töö on märkimisväärsed ja tulemused on mehaaniliselt automatiseeritud protsessist madalamad. Seevastu on sisseehitatud heitegaasid tekkinud PCB tootmisprotsessis ja ei vaja täiendavat monteerimist. Raske vask-ahelatehnoloogia teeb seda võimalikuks. See tehnoloogia võimaldab paksude vaskkütuste lisamist praktiliselt kõikjal plaadi välispinnal. Soojusjuhid on pinnale galvaniseeritud ja seega ühendatud soojusjuhtivate kihtidega ilma mingeid liideseid, mis takistavad soojusjuhtivust.

Teine kasu on lisatud vaseplaatidest soojusvahetes, mis vähendab plaadi disaini soojustakistust, mõistes, et nad võivad eeldada sama täpsust ja korratavust, mis on omane PCB tootmisele. Kuna tasapinnalised mähised on tegelikult vaskkattega laminaadist moodustatud lame juhtivused, parandavad need üldist voolutihedust võrreldes silindriliste traadi juhtmetega. See kasu tuleneb naha efekti minimeerimisest ja suurema voolu kandevõimest.

Rongisisesed plaanid saavutavad suurepärase primaar-sekundaarse ja sekundaarse-sekundaarse dielektrilise isoleerimise, kuna kõigi kihtide vahel kasutatakse sama dielektrilist materjali, tagades kõigi mähiste täieliku kapseldamise. Lisaks sellele võib primaarmähised pritsida nii, et sekundaarmähised on kinnitatud primaarseadmete vahel, saavutades madala lekke induktiivsuse. Tavalised PCB-laminaatoritehnikad, mis kasutavad erinevaid epoksüvaike, võivad suruda kuni 50 kihti vaskkihti nii paks kui 10-oz / ft2.

Raskete vaskade ahelate valmistamisel tegeleme me tavaliselt märkimisväärse plaadistusega paksusega; seetõttu tuleb eraldada jälgi ja padi suurused. Sellepärast on disaineritel soovitatav, et pardal tehasetööstus asuks projekteerimisprotsessi varakult.

Suured vasesignaale kasutavad jõu elektroonikatooted on aastaid kasutatud sõjaväe- ja kosmosetööstuses ning on hoogsalt valitud tööstusrakendustes. Usutakse, et turunõuded laiendavad seda tüüpi toote kasutamist lähitulevikus.

Viited:

1. IPC -2221A