Trang chủ > Tin tức > Nội dung
Đồng nặng và cực đoan cho độ tin cậy tối đa trong thiết kế và chế tạo PCB
Jul 05, 2018

Các sản phẩm điện tử công suất khác nhau đang được thiết kế hàng ngày cho một loạt các ứng dụng. Càng ngày, các dự án này đang tận dụng lợi thế của một xu hướng ngày càng tăng trong ngành công nghiệp bảng mạch in: đồng nặng và PCB đồng cực.

Điều gì định nghĩa một mạch đồng nặng? Hầu hết PCB thương mại có sẵn được sản xuất cho các ứng dụng công suất thấp / điện áp thấp, với các dấu vết bằng đồng / mặt phẳng tạo thành các khối lượng đồng khác nhau, từ ½-oz / ft2 đến 3-oz / ft2. Một mạch đồng nặng được sản xuất với trọng lượng đồng bất cứ nơi nào giữa 4-oz / ft2 đến 20-oz / ft2. Trọng lượng đồng trên 20-oz / ft2 và lên đến 200-oz / ft2 cũng có thể và được gọi là đồng cực.

Với mục đích của cuộc thảo luận này, chúng tôi sẽ tập trung chủ yếu vào đồng nặng. Tăng trọng lượng đồng kết hợp với một chất nền phù hợp và mạ dày hơn trong các lỗ thông qua biến đổi bảng mạch yếu một lần không đáng tin cậy thành một nền tảng dây điện bền và đáng tin cậy.

Việc xây dựng một mạch đồng nặng mang lại một bảng với những lợi ích như:

Tăng độ bền cho các chủng nhiệt

Tăng công suất thực hiện hiện tại

Tăng cường độ bền cơ học tại các vị trí đầu nối và trong các lỗ PTH

Các vật liệu lạ được sử dụng hết tiềm năng của chúng (ví dụ nhiệt độ cao) mà không có lỗi mạch

Giảm kích thước sản phẩm bằng cách kết hợp nhiều trọng lượng đồng trên cùng một lớp mạch (Hình 1)

Vias đồng mạ nặng mang dòng điện cao hơn thông qua bảng và giúp truyền nhiệt sang tản nhiệt bên ngoài

Bộ tản nhiệt trên tàu được mạ trực tiếp lên bề mặt bảng bằng máy bay lên tới 120 oz

Máy biến áp phẳng mật độ công suất cao trên tàu

Mặc dù nhược điểm là rất ít, điều quan trọng là phải hiểu được cấu trúc cơ bản của mạch đồng nặng để đánh giá đầy đủ khả năng của nó và các ứng dụng tiềm năng.

Hình 1: Mẫu có các tính năng đồng 2 oz, 10 oz, 20 oz và 30 oz trên cùng một lớp.

Xây dựng mạch đồng nặng

PCB tiêu chuẩn, cho dù hai mặt hoặc nhiều lớp, được sản xuất bằng cách sử dụng một sự kết hợp của quá trình khắc và mạ đồng. Các lớp mạch bắt đầu như các tấm đồng mỏng (thường là 0,5-oz / ft2 đến 2-oz / ft2) được khắc để loại bỏ đồng không mong muốn, và mạ để thêm độ dày đồng cho máy bay, dấu vết, miếng đệm và lỗ xuyên qua lỗ. Tất cả các lớp mạch được ép thành một gói hoàn chỉnh sử dụng chất nền gốc epoxy, chẳng hạn như FR-4 hoặc polyimide.

Các bo mạch kết hợp các mạch đồng nặng được sản xuất theo cùng một cách, mặc dù với các kỹ thuật khắc và mạ chuyên dụng, chẳng hạn như tốc độ cao / bước mạ và khắc vi sai. Trong lịch sử, các tính năng đồng nặng được hình thành hoàn toàn bằng cách khắc vật liệu ván ép dày đồng mạ, gây ra vết xước không đồng đều và không thể chấp nhận được. Những tiến bộ trong công nghệ mạ đã cho phép các tính năng đồng nặng được hình thành với sự kết hợp của mạ và khắc, dẫn đến hông thẳng và cắt xén không đáng kể.

Mạ của một mạch đồng nặng cho phép các nhà chế tạo bảng để tăng số lượng đồng dày trong lỗ mạ và thông qua hông. Nó bây giờ có thể trộn đồng nặng với các tính năng tiêu chuẩn trên một bảng duy nhất. Ưu điểm bao gồm giảm số lượng lớp, phân phối công suất trở kháng thấp, dấu chân nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí tiềm năng.

Thông thường, các mạch công suất cao / cao và mạch điều khiển của chúng được sản xuất riêng trên các bo mạch riêng biệt. Mạ đồng dày làm cho nó có thể tích hợp mạch cao hiện tại và mạch điều khiển để nhận ra một cấu trúc bảng rất dày đặc, nhưng đơn giản.

Các tính năng đồng nặng có thể được kết nối liền mạch với các mạch tiêu chuẩn. Các tính năng đồng và tiêu chuẩn nặng có thể được đặt với giới hạn tối thiểu miễn là nhà thiết kế và nhà chế tạo thảo luận về dung sai và khả năng sản xuất trước khi thiết kế cuối cùng (Hình 2).

Hình 2: Các tính năng 2-oz kết nối mạch điều khiển trong khi các tính năng 20-oz mang tải trọng cao.

Sức chứa hiện tại và nhiệt độ tăng

Một mạch đồng có thể mang theo bao nhiêu? Đây là một câu hỏi thường được lồng tiếng bởi các nhà thiết kế, những người muốn kết hợp các mạch đồng nặng vào dự án của họ. Câu hỏi này thường được trả lời bằng một câu hỏi khác: Dự án của bạn có thể chịu được bao nhiêu nhiệt? Câu hỏi này được đặt ra bởi vì sự gia tăng nhiệt và dòng chảy hiện tại đi đôi với nhau. Hãy cùng nhau trả lời cả hai câu hỏi này.

Khi dòng điện chạy dọc theo một dấu vết, có một I2R (mất điện) dẫn đến việc làm nóng cục bộ. Các dấu vết nguội đi bằng cách dẫn (vào vật liệu lân cận) và đối lưu (vào môi trường). Do đó, để tìm dòng điện tối đa mà một dấu vết có thể mang theo một cách an toàn, chúng ta phải tìm cách ước tính sự gia tăng nhiệt liên quan đến dòng điện được áp dụng. Một tình huống lý tưởng sẽ đạt đến nhiệt độ hoạt động ổn định, nơi tốc độ sưởi ấm tương đương với tốc độ làm mát. May mắn thay, chúng ta có một công thức IPC mà chúng ta có thể sử dụng để mô hình sự kiện này.

IPC-2221A: tính toán công suất hiện tại của đường đi bên ngoài [1]:

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

Trường hợp tôi hiện tại (amps), DT là nhiệt độ tăng (° C), W là chiều rộng của dấu vết (mil) và Th là độ dày của dấu vết (mil). Các dấu vết bên trong phải được giảm 50% (ước tính) cho cùng một mức độ sưởi ấm. Sử dụng công thức IPC mà chúng tôi đã tạo Hình 3, cho thấy khả năng mang dòng hiện tại của một số dấu vết của các khu vực cắt ngang khác nhau với nhiệt độ tăng 30 ° C.

Hình 3: Dòng điện xấp xỉ cho các kích thước theo dõi nhất định (tăng nhiệt độ 20˚C).

Điều gì cấu thành một lượng nhiệt tăng lên có thể chấp nhận được sẽ khác với dự án. Hầu hết các vật liệu điện môi bảng mạch có thể chịu được nhiệt độ 100 ° C trên môi trường xung quanh, mặc dù số lượng thay đổi nhiệt độ này sẽ không thể chấp nhận được trong hầu hết các trường hợp.

Bảng mạch sức mạnh và khả năng sống sót

Các nhà sản xuất và nhà thiết kế bảng mạch có thể chọn từ nhiều loại vật liệu điện môi khác nhau, từ tiêu chuẩn FR-4 (nhiệt độ hoạt động 130 ° C) đến nhiệt độ cao polyimide (nhiệt độ hoạt động 250 ° C). Một tình huống môi trường khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao có thể kêu gọi một vật liệu kỳ lạ, nhưng nếu các dấu vết mạch và vias mạ là tiêu chuẩn 1-oz / ft2, chúng có tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt không? Ngành công nghiệp bảng mạch đã phát triển một phương pháp thử nghiệm để xác định tính toàn vẹn nhiệt của một sản phẩm mạch hoàn chỉnh. Các chủng nhiệt đến từ các quá trình chế tạo, lắp ráp và sửa chữa khác nhau, nơi mà sự khác biệt giữa hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của Cu và PWB laminate cung cấp động lực cho sự tạo mầm và tăng trưởng cho sự thất bại của mạch. Kiểm tra chu kỳ nhiệt (TCT) kiểm tra sự gia tăng sức đề kháng của một mạch khi nó trải qua đi xe đạp nhiệt từ không khí đến không khí từ 25 ° C đến 260 ° C.

Sự gia tăng sức đề kháng cho thấy một sự cố trong tính toàn vẹn điện thông qua các vết nứt trong mạch đồng. Một thiết kế phiếu giảm giá tiêu chuẩn cho thử nghiệm này sử dụng một chuỗi 32 lỗ xuyên qua, từ lâu đã được coi là điểm yếu nhất trong mạch khi chịu áp lực nhiệt.

Các nghiên cứu chu kỳ nhiệt được thực hiện trên các bảng FR-4 tiêu chuẩn với đồng mạ 0,8 triệu đến 1,2 triệu đã chỉ ra rằng 32% mạch không thành công sau tám chu kỳ (tăng 20% điện trở được coi là hỏng). Các nghiên cứu chu kỳ nhiệt được thực hiện trên các vật liệu kỳ lạ cho thấy những cải thiện đáng kể cho tỷ lệ thất bại này (3% sau 8 chu kỳ cho este cyanate), nhưng tốn kém (gấp 5 đến 10 lần chi phí vật liệu) và khó xử lý. Một cụm công nghệ bề mặt trung bình nhìn thấy tối thiểu bốn chu kỳ nhiệt trước khi giao hàng, và có thể thấy thêm hai chu trình nhiệt cho mỗi lần sửa chữa thành phần.

Nó không phải là không hợp lý cho một hội đồng quản trị SMOBC đã trải qua một chu kỳ sửa chữa và thay thế để đạt được tổng cộng chín hoặc 10 chu kỳ nhiệt. Các kết quả TCT cho thấy rõ ràng rằng tỷ lệ thất bại, bất kể vật liệu bảng, có thể trở thành không thể chấp nhận được. Các nhà sản xuất bảng mạch in biết rằng mạ điện đồng không phải là một khoa học chính xác - thay đổi mật độ hiện tại trên một bảng và thông qua nhiều lỗ / qua kích thước dẫn đến các biến thể đồng dày lên đến 25% hoặc hơn. Hầu hết các khu vực “đồng mỏng” đều nằm trên các bức tường mạ lỗ - kết quả TCT thể hiện rõ ràng trường hợp này.

Sử dụng các mạch đồng nặng sẽ làm giảm hoặc loại bỏ những lỗi này hoàn toàn. Mạ 2 oz / ft2 đồng vào tường lỗ làm giảm tỷ lệ thất bại xuống gần như bằng không (kết quả TCT cho thấy tỷ lệ thất bại 0,57% sau tám chu kỳ cho tiêu chuẩn FR-4 với tối thiểu 2,5 triệu đồng mạ). Trong thực tế, các mạch đồng trở nên không thấm vào các ứng suất cơ học đặt trên nó bằng cách đi xe đạp nhiệt.

Quản lý nhiệt

Khi các nhà thiết kế phấn đấu để có được giá trị tối đa và hiệu suất từ các dự án của họ, mạch in đang trở nên phức tạp hơn và được điều khiển tới mật độ công suất cao hơn. Thu nhỏ, sử dụng các thành phần năng lượng, điều kiện môi trường khắc nghiệt và các yêu cầu cao hiện nay làm tăng tầm quan trọng của quản lý nhiệt. Các tổn thất cao hơn ở dạng nhiệt, thường được tạo ra trong hoạt động của thiết bị điện tử, phải được tiêu tan từ nguồn của nó và bức xạ ra môi trường; nếu không, các thành phần có thể quá nóng và thất bại có thể xảy ra. Tuy nhiên, các mạch đồng nặng có thể giúp giảm tổn thất I2R và dẫn nhiệt ra khỏi các thành phần có giá trị, giảm đáng kể tỷ lệ hỏng hóc.

Để đạt được tản nhiệt thích hợp từ các nguồn nhiệt trong và trên bề mặt của một bảng mạch, tản nhiệt được sử dụng. Mục đích của bất kỳ tản nhiệt nào là tiêu tán nhiệt ra khỏi nguồn phát sinh bằng cách dẫn và phát ra nhiệt này bằng cách đối lưu với môi trường. Nguồn nhiệt ở một bên của bảng (hoặc các nguồn nhiệt bên trong) được nối với nhau bằng đồng vias (đôi khi được gọi là "vias nhiệt") vào một khu vực đồng trần lớn ở phía bên kia của bảng.

Nói chung, tản nhiệt cổ điển được liên kết với bề mặt đồng trần này bằng keo dính dẫn nhiệt hoặc trong một số trường hợp, được tán đinh hoặc bắt vít. Hầu hết các tản nhiệt được làm bằng đồng hoặc nhôm. Quá trình lắp ráp cần thiết cho tản nhiệt cổ điển bao gồm ba bước công sức và tốn kém.

Để bắt đầu, kim loại phục vụ như tản nhiệt phải được đục lỗ hoặc cắt theo hình dạng yêu cầu. Lớp kết dính cũng phải được cắt hoặc dán cho phù hợp chính xác giữa bảng mạch và tản nhiệt. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, tản nhiệt phải được đặt đúng vị trí trên PCB và toàn bộ gói phải được phủ lớp phủ điện và / hoặc chống ăn mòn bằng sơn mài hoặc lớp phủ thích hợp.

Thông thường, quy trình trên không thể tự động và phải được thực hiện bằng tay. Thời gian và công việc cần thiết để hoàn thành quá trình này là đáng kể, và kết quả là kém hơn một quá trình tự động hóa cơ học. Ngược lại, bộ tản nhiệt tích hợp được tạo ra trong quá trình sản xuất PCB và không cần lắp ráp thêm. Công nghệ mạch đồng nặng làm cho điều này có thể xảy ra. Công nghệ này cho phép bổ sung tản nhiệt đồng dày hầu như bất cứ nơi nào trên bề mặt ngoài của bảng. Các tản nhiệt được mạ điện trên bề mặt và do đó kết nối với vias dẫn nhiệt mà không có bất kỳ giao diện nào cản trở tính dẫn nhiệt.

Một lợi ích khác là mạ đồng thêm trong vias nhiệt, làm giảm sức đề kháng nhiệt của thiết kế bảng, nhận ra rằng họ có thể mong đợi cùng một mức độ chính xác và lặp lại vốn có trong sản xuất PCB. Bởi vì các cuộn dây phẳng thực sự là các dấu vết dẫn điện phẳng được hình thành trên lớp phủ đồng, chúng cải thiện mật độ dòng tổng thể so với các dây dẫn hình trụ. Lợi ích này là do giảm thiểu hiệu ứng da và hiệu quả mang dòng điện cao hơn.

Những chiếc máy bay trên tàu đạt được sự cách ly điện môi sơ cấp đến trung học và trung học cao cấp bởi vì cùng một vật liệu điện môi được sử dụng giữa tất cả các lớp, đảm bảo đóng gói hoàn toàn tất cả các cuộn dây. Ngoài ra, các cuộn dây chính có thể bị đổ ra sao cho các cuộn dây thứ cấp được kẹp giữa các bộ sơ cấp, đạt được độ tự cảm rò thấp. Kỹ thuật cán PCB tiêu chuẩn, sử dụng một loạt các loại nhựa epoxy, có thể an toàn kẹp lên tới 50 lớp cuộn dây đồng dày tới 10 oz / ft2.

Trong quá trình sản xuất các mạch đồng nặng, chúng ta thường xử lý với độ dày mạ đáng kể; do đó, phụ cấp phải được thực hiện trong việc xác định các dấu vết tách và kích thước pad. Vì lý do này, các nhà thiết kế nên có bộ phận chế tạo bảng trên tàu sớm trong quá trình thiết kế.

Các sản phẩm điện tử công suất sử dụng mạch đồng nặng đã được sử dụng trong nhiều năm trong ngành công nghiệp quân sự và hàng không vũ trụ và đang có động lực như một công nghệ được lựa chọn trong các ứng dụng công nghiệp. Người ta tin rằng yêu cầu thị trường sẽ mở rộng việc áp dụng loại sản phẩm này trong tương lai gần.

Tham khảo:

1. IPC -2221A