Rumah > Berita > Konten
Tembaga Berat Dan Ekstrim Untuk Keandalan Maksimum Dalam Desain Dan Fabrikasi PCB
Jul 05, 2018

Berbagai produk elektronik daya sedang dirancang setiap hari untuk berbagai aplikasi. Semakin, proyek-proyek ini mengambil keuntungan dari tren yang berkembang di industri papan sirkuit cetak: tembaga berat dan PCB tembaga ekstrim.

Apa yang mendefinisikan sirkuit tembaga berat? Kebanyakan PCB yang tersedia secara komersial diproduksi untuk aplikasi bertegangan rendah / daya rendah, dengan jejak tembaga / pesawat yang terbuat dari bobot tembaga mulai dari ½-oz / ft2 hingga 3-oz / ft2. Sirkuit tembaga berat diproduksi dengan bobot tembaga di mana saja antara 4-oz / ft2 hingga 20-oz / ft2. Bobot tembaga di atas 20-oz / ft2 dan hingga 200-oz / ft2 juga dimungkinkan dan disebut sebagai tembaga ekstrim.

Untuk keperluan diskusi ini, kami akan fokus terutama pada tembaga berat. Berat tembaga yang meningkat dikombinasikan dengan substrat yang sesuai dan pelapisan yang lebih tebal di lubang tembus akan mengubah papan sirkuit lemah yang sebelumnya tidak dapat diandalkan menjadi platform kabel yang andal dan andal.

Pembangunan sirkuit tembaga berat memberi suatu dewan dengan manfaat seperti:

Meningkatnya daya tahan terhadap tekanan termal

Meningkatnya daya dukung arus

Peningkatan kekuatan mekanik di situs konektor dan lubang PTH

Bahan eksotis yang digunakan untuk potensi penuh mereka (yaitu, suhu tinggi) tanpa kegagalan sirkuit

Mengurangi ukuran produk dengan menggabungkan beberapa bobot tembaga pada lapisan sirkuit yang sama (Gambar 1)

Vias berlapis tembaga berat membawa arus yang lebih tinggi melalui papan dan membantu mentransfer panas ke heatsink eksternal

Heatsink on-board langsung disepuh ke permukaan papan menggunakan pesawat tembaga hingga 120-oz

On-board high-power-density planar transformers

Meskipun kerugiannya sedikit, penting untuk memahami konstruksi dasar rangkaian tembaga berat untuk sepenuhnya menghargai kemampuan dan potensi aplikasinya.

Gambar 1: Contoh yang menampilkan fitur 2-oz, 10-oz, 20-oz, dan 30-oz tembaga pada lapisan yang sama.

Konstruksi Sirkuit Tembaga Berat

PCB standar, apakah dua sisi atau multilayer, diproduksi menggunakan kombinasi proses etsa tembaga dan pelapisan. Lapisan sirkuit dimulai sebagai lembaran tipis dari foil tembaga (umumnya 0,5-oz / ft2 hingga 2-oz / ft2) yang diukir untuk menghilangkan tembaga yang tidak diinginkan, dan disepuh untuk menambah ketebalan tembaga ke bidang, jejak, bantalan dan melapisi lubang. Semua lapisan sirkuit dilaminasi menjadi paket lengkap menggunakan substrat berbasis epoksi, seperti FR-4 atau polimida.

Papan yang menggabungkan sirkuit tembaga berat diproduksi dengan cara yang persis sama, meskipun dengan teknik etsa dan plating khusus, seperti plating berkecepatan tinggi / langkah dan etsa diferensial. Secara historis, fitur tembaga berat dibentuk seluruhnya dengan menorehkan bahan papan berlapis tembaga berlapis tebal, menyebabkan dinding samping yang tidak rata dan bagian bawah yang tidak dapat diterima. Kemajuan dalam teknologi plating telah memungkinkan fitur tembaga berat untuk dibentuk dengan kombinasi plating dan etsa, sehingga sidewalls lurus dan undercut diabaikan.

Pelapisan rangkaian tembaga berat memungkinkan papan fabricator untuk meningkatkan jumlah ketebalan tembaga di lubang berlapis dan melalui dinding samping. Sekarang mungkin untuk mencampur tembaga berat dengan fitur standar pada satu papan. Keuntungan termasuk pengurangan jumlah lapisan, distribusi daya impedansi rendah, jejak kaki yang lebih kecil dan penghematan biaya potensial.

Biasanya, sirkuit arus tinggi / daya tinggi dan sirkuit kontrol mereka diproduksi secara terpisah pada papan terpisah. Pelapisan tembaga berat memungkinkan untuk mengintegrasikan sirkuit arus tinggi dan sirkuit kontrol untuk mewujudkan struktur papan yang sangat padat, namun sederhana.

Fitur tembaga berat dapat terhubung dengan mulus ke sirkuit standar. Berat tembaga dan fitur standar dapat ditempatkan dengan pembatasan minimal asalkan desainer dan perakit membahas toleransi dan kemampuan manufaktur sebelum desain akhir (Gambar 2).

Gambar 2: Fitur 2-oz menghubungkan sirkuit kontrol sementara fitur 20-oz membawa beban arus tinggi.

Daya angkut saat ini dan kenaikan suhu

Berapa banyak arus yang dapat dibawa sirkuit tembaga? Ini adalah pertanyaan yang sering disuarakan oleh desainer yang ingin memasukkan sirkuit tembaga berat ke dalam proyek mereka. Pertanyaan ini biasanya dijawab dengan pertanyaan lain: Berapa banyak kenaikan panas dapat proyek Anda tahan? Pertanyaan ini diajukan karena kenaikan panas dan aliran arus berjalan beriringan. Mari coba jawab kedua pertanyaan ini bersama-sama.

Ketika arus mengalir sepanjang jejak, ada I2R (daya yang hilang) yang menghasilkan pemanasan lokal. Jejak mendingin oleh konduksi (ke dalam material yang berdekatan) dan konveksi (ke lingkungan). Oleh karena itu, untuk menemukan arus maksimum yang dapat ditelusuri dengan aman, kita harus menemukan cara untuk memperkirakan kenaikan panas yang terkait dengan arus yang diterapkan. Situasi yang ideal adalah mencapai suhu operasi yang stabil di mana laju pemanasan sama dengan laju pendinginan. Untungnya, kami memiliki rumus IPC yang dapat kami gunakan untuk memodelkan acara ini.

IPC-2221A: perhitungan untuk kapasitas saat ini dari trek eksternal [1]:

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

Di mana saya saat ini (amp), DT adalah kenaikan suhu (° C), W adalah lebar jejak (mil) dan Th adalah ketebalan jejak (mil). Jejak internal harus diturunkan sebesar 50% (perkiraan) untuk tingkat pemanasan yang sama. Menggunakan rumus IPC yang kami hasilkan Gambar 3, menunjukkan kapasitas pembawa arus dari beberapa jejak daerah penampang yang berbeda dengan kenaikan suhu 30 ° C.

Gambar 3: Perkiraan arus untuk dimensi trek yang diberikan (kenaikan suhu 20˚C).

Apa yang merupakan jumlah kenaikan panas yang dapat diterima akan berbeda dengan proyek. Sebagian besar bahan dielektrik papan sirkuit dapat menahan suhu 100 ° C di atas ambient, meskipun jumlah perubahan suhu ini akan tidak dapat diterima dalam kebanyakan situasi.

Kekuatan Papan Sirkuit dan Daya Tahan

Produsen papan sirkuit dan desainer dapat memilih dari berbagai bahan dielektrik, dari standar FR-4 (suhu operasi. 130 ° C) hingga suhu tinggi polimida (suhu operasi 250 ° C). Situasi lingkungan suhu tinggi atau ekstrem mungkin membutuhkan bahan eksotis, tetapi jika jejak sirkuit dan vias berlapis adalah standar 1-oz / ft2, apakah mereka akan bertahan pada kondisi ekstrim? Industri papan sirkuit telah mengembangkan metode uji untuk menentukan integritas termal dari produk rangkaian jadi. Strain termal berasal dari berbagai fabrikasi papan, perakitan dan proses perbaikan, di mana perbedaan antara koefisien ekspansi termal (CTE) Cu dan laminasi PWB memberikan kekuatan penggerak untuk nukleasi retak dan pertumbuhan untuk kegagalan sirkuit. Uji siklus termal (TCT) memeriksa peningkatan resistansi sirkuit karena mengalami siklus termal udara-ke-udara dari 25 ° C hingga 260 ° C.

Peningkatan resistensi menunjukkan gangguan dalam integritas listrik melalui retakan di sirkuit tembaga. Desain kupon standar untuk pengujian ini menggunakan rantai 32 lubang yang berlapis, yang telah lama dianggap sebagai titik terlemah di sirkuit ketika mengalami tekanan termal.

Studi siklus termal dilakukan pada papan FR-4 standar dengan 0,8-mil hingga 1,2-mil tembaga plating telah menunjukkan bahwa 32% dari sirkuit gagal setelah delapan siklus (peningkatan 20% dalam perlawanan dianggap gagal). Studi siklus termal yang dilakukan pada bahan eksotis menunjukkan perbaikan yang signifikan terhadap tingkat kegagalan ini (3% setelah delapan siklus untuk ester sianat), tetapi sangat mahal (lima hingga 10 kali biaya bahan) dan sulit untuk diproses. Sebuah perakitan teknologi permukaan-mount rata-rata melihat minimum empat siklus termal sebelum pengiriman, dan bisa melihat dua siklus termal tambahan untuk setiap perbaikan komponen.

Ini tidak masuk akal untuk papan SMOBC yang telah melalui perbaikan dan siklus penggantian untuk mencapai total sembilan atau 10 siklus termal. Hasil TCT dengan jelas menunjukkan bahwa tingkat kegagalan, tidak peduli apa materi papan, bisa menjadi tidak dapat diterima. Produsen papan sirkuit cetak tahu bahwa elektroplating tembaga bukanlah ilmu pasti - perubahan kepadatan saat ini di papan dan melalui berbagai lubang / ukuran melalui hasil dalam variasi ketebalan tembaga hingga 25% atau lebih. Sebagian besar area “tembaga tipis” berada di dinding berlubang-lubang - hasil TCT dengan jelas menunjukkan ini sebagai kasusnya.

Menggunakan sirkuit tembaga berat akan mengurangi atau menghilangkan kegagalan ini sama sekali. Pelapisan 2-oz / ft2 tembaga ke dinding lubang mengurangi tingkat kegagalan hingga hampir nol (hasil TCT menunjukkan tingkat kegagalan 0,57% setelah delapan siklus untuk standar FR-4 dengan pelapisan tembaga minimal 2,5-mil). Akibatnya, sirkuit tembaga menjadi tahan terhadap tekanan mekanis yang ditempatkan di atasnya oleh siklus termal.

Manajemen Termal

Ketika para perancang berusaha untuk mendapatkan nilai dan kinerja maksimum dari proyek-proyek mereka, sirkuit cetak menjadi lebih kompleks dan didorong ke kepadatan daya yang lebih tinggi. Miniaturisasi, penggunaan komponen daya, kondisi lingkungan yang ekstrim dan persyaratan arus tinggi meningkatkan pentingnya manajemen termal. Kehilangan yang lebih tinggi dalam bentuk panas, yang sering dihasilkan dalam pengoperasian elektronik, harus dihilangkan dari sumbernya dan diradiasikan ke lingkungan; jika tidak, komponen dapat menjadi terlalu panas dan dapat menyebabkan kegagalan. Namun, rangkaian tembaga berat dapat membantu dengan mengurangi kerugian I2R dan dengan melakukan panas dari komponen berharga, mengurangi tingkat kegagalan secara dramatis.

Untuk mencapai pembuangan panas yang tepat dari sumber panas di dan pada permukaan papan sirkuit, heatsink digunakan. Tujuan dari setiap heatsink adalah untuk mengusir panas dari sumber pembangkitan dengan konduksi dan memancarkan panas ini dengan konveksi ke lingkungan. Sumber panas pada satu sisi papan (atau sumber panas internal) dihubungkan oleh vias tembaga (kadang-kadang disebut "heat vias") ke area tembaga telanjang besar di sisi lain papan.

Umumnya, heatsink klasik terikat ke permukaan tembaga telanjang ini dengan menggunakan perekat konduktif termal atau dalam beberapa kasus, terpaku atau dibaut. Sebagian besar heatsink terbuat dari tembaga atau aluminium. Proses perakitan yang diperlukan untuk heatsink klasik terdiri dari tiga langkah padat karya dan biaya.

Untuk memulai, logam yang berfungsi sebagai heatsink harus dipukul atau dipotong sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Lapisan perekat juga harus dipotong atau dicap untuk ketepatan antara papan sirkuit dan heatsink. Last but not least, heatsink harus diposisikan dengan benar pada PCB dan seluruh paket harus dilapisi untuk ketahanan listrik dan / atau korosi dengan lapisan lacquer atau penutup yang sesuai.

Biasanya, proses di atas tidak dapat diotomatisasi dan harus dilakukan dengan tangan. Waktu dan pekerjaan yang diperlukan untuk menyelesaikan proses ini adalah signifikan, dan hasilnya lebih rendah daripada proses otomatis mekanis. Sebaliknya, built-in heatsink dibuat selama proses pembuatan PCB dan tidak memerlukan perakitan tambahan. Teknologi sirkuit tembaga berat memungkinkan hal ini. Teknologi ini memungkinkan penambahan heatsink tembaga tebal hampir di mana saja pada permukaan luar papan. Heatsink yang dilapisi di permukaan dan dengan demikian terhubung ke vias panas melakukan tanpa antarmuka yang menghalangi konduktivitas termal.

Manfaat lain adalah pelapisan tembaga tambahan di vias panas, yang mengurangi ketahanan termal dari desain papan, menyadari bahwa mereka dapat mengharapkan tingkat akurasi yang sama dan pengulangan yang melekat dalam pembuatan PCB. Karena gulungan planar sebenarnya adalah jejak konduktif datar yang terbentuk pada laminasi berlapis tembaga, mereka meningkatkan kerapatan arus keseluruhan dibandingkan dengan konduktor kawat silindris. Manfaat ini disebabkan oleh minimisasi efek kulit dan efisiensi pembawa arus yang lebih tinggi.

Pesawat on-board mencapai isolasi dielektrik primer-ke-sekunder dan sekunder-ke-sekunder yang baik karena bahan dielektrik yang sama digunakan di antara semua lapisan, memastikan enkapsulasi lengkap dari semua gulungan. Selain itu, gulungan primer dapat tumpah sehingga gulungan sekunder terjepit di antara pendahuluan, mencapai induktansi kebocoran rendah. Teknik laminasi PCB standar, menggunakan pilihan berbagai resin epoksi, dapat dengan aman mengapung hingga 50 lapis gulungan tembaga setebal 10-oz / ft2.

Selama pembuatan sirkuit tembaga berat, kami biasanya berurusan dengan ketebalan plating yang signifikan; Oleh karena itu, tunjangan harus dibuat dalam menentukan pemisahan jejak dan ukuran pad. Untuk alasan ini, desainer disarankan untuk memiliki pembuat papan di papan awal dalam proses desain.

Produk elektronik daya menggunakan sirkuit tembaga berat telah digunakan selama bertahun-tahun di industri militer dan kedirgantaraan dan mendapatkan momentum sebagai teknologi pilihan dalam aplikasi industri. Diyakini bahwa persyaratan pasar akan memperluas aplikasi jenis produk ini dalam waktu dekat.

Referensi:

1. IPC -2221A