Cobre para Construcción y Extreme para máxima fiabilidad en el diseño y fabricación de PCB

Varios productos de electrónica de potencia se están diseñando todos los días para una variedad de aplicaciones. Cada vez más, estos proyectos se están aprovechando de una tendencia creciente en la industria de la placa de circuito impreso: cobre pesados ​​y PCB de cobre extremas.

Lo que define a un circuito de cobre pesado? PCBs más disponibles en el mercado se fabrican para aplicaciones low-voltage/low-power, con trazas de cobre / planos formados por los pesos de cobre que van desde ½ -oz/ft² a 3-oz/ft ² . Un circuito de cobre pesada está fabricado con pesos de cobre en cualquier lugar entre 4-oz/ft ² a 20-oz/ft ² . Pesos de cobre por encima de 20-oz/ft ² y hasta 200-oz/ft ² también son posibles y se conocen como extremo de cobre . A los efectos de esta discusión, nos centraremos principalmente en el cobre pesada. El aumento de peso de cobre combinado con un sustrato adecuado y chapado más gruesa en los orificios pasantes transforma la, placa de circuito débil vez poco fiable en una plataforma cableado durable y confiable.

La construcción de un circuito de cobre pesado dota de una junta con beneficios tales como:

• El aumento de la resistencia a tensiones térmicas
• Aumento de la capacidad de transporte de corriente
• El aumento de la resistencia mecánica en los lugares de conexión y agujeros PTH
• Materiales exóticos utilizados para su pleno potencial (es decir, de alta temperatura) sin falla del circuito
• Reducción del tamaño del producto mediante la incorporación de múltiples pesos de cobre en la misma capa de circuitos (Figura 1)
• Pesados ​​de cobre chapado vías llevan corriente más alta a través de la placa y ayuda a transferir el calor a un disipador de calor externo
• A bordo disipadores directamente chapada a la superficie de la placa con un máximo de 120 aviones de cobre-oz
• A bordo de alta densidad de potencia transformadores planares

A pesar de las desventajas son pocas, es importante entender la construcción básica del circuito de cobre pesada para apreciar plenamente sus capacidades y aplicaciones potenciales.

Figura 1: Ejemplo con 2 oz, 10 oz, 20 oz y características de cobre de 30 onzas de la misma capa.

Construcción Pesada Circuito Cobre

PCB estándar, ya sea de doble cara o de múltiples capas, se fabrican usando una combinación de ataque químico de cobre y procesos de recubrimiento. Capas de circuito de arranque en forma de láminas delgadas de lámina de cobre (generalmente 0.5-oz/ft ² a 2-oz/ft ² ) que han quedado grabados para eliminar el cobre no deseado, y se sembraron para añadir grosor cobre para aviones, rastros, almohadillas y chapada agujeros pasantes . Todas las capas de circuito se laminan en un paquete completo utilizando un sustrato a base de epoxi, tales como FR-4 o poliimida.

Juntas que incorporan circuitos de cobre pesados ​​se producen exactamente de la misma manera, aunque con ataque químico especializado y técnicas de chapado, tal como chapado high-speed/step y grabado diferencial. Históricamente, las funciones pesadas de cobre fueron formados en su totalidad por el grabado material de tablero laminado revestido de cobre de espesor, haciendo que las paredes laterales traza irregular e inaceptable subvaloración. Los avances en la tecnología han permitido chapado características pesados ​​de cobre que se forman con una combinación de placas y grabar al agua fuerte, resultando en paredes laterales rectas y insignificantes corte sesgado.

Recubrimiento de un circuito de cobre pesado permite que el fabricante de tablero para aumentar la cantidad de espesor de cobre en agujeros metalizados y a través de las paredes laterales. Ahora es posible mezclar el cobre cargado de características estándar en una sola tarjeta. Las ventajas incluyen la reducción del número de capas, la distribución de energía de baja impedancia, huellas más pequeñas y los posibles ahorros de costos. Normalmente, los circuitos high-current/high-power y sus circuitos de control se produjeron por separado en placas separadas.Recubrimiento de cobre pesado hace que sea posible la integración de circuitos de alta corriente y circuitos de control para realizar una estructura de tablero de alta densidad, pero sencillo.

Las características fuertes de cobre pueden ser perfectamente conectadas a los circuitos convencionales. Cobre pesado y características estándar se pueden colocar con una restricción mínima siempre que el diseñador y fabricante de discutir las tolerancias de fabricación y habilidades anteriores a diseño final (Figura 2).

Figura 2: características 2-oz conectan circuitos de control, mientras que las características de 20 oz llevan cargas de alta corriente.

Actual capacidad de transporte y elevación de temperatura

¿Cuánta corriente puede un circuito de cobre de manera segura? Esta es una pregunta que a menudo expresada por los diseñadores que deseen incorporar circuitos de cobre pesados ​​en su proyecto. Esta pregunta se suele responder con otra pregunta: ¿Cuánto aumento de calor puede soportar su proyecto? Esta cuestión se plantea debido a aumento de calor y el flujo de corriente van de la mano. Vamos a tratar de responder a estas dos preguntas juntas.

Cuando la corriente fluye a lo largo de una traza, hay un I ² R (pérdida de potencia) que se traduce en calentamiento localizado. El rastro se enfría por conducción (en materiales de vecinos) y convección (en el medio). Por lo tanto, para encontrar el máximo de una traza actual puede llevar con seguridad, tenemos que encontrar una manera de estimar el aumento de calor asociado con la corriente aplicada. Una situación ideal sería alcanzar una temperatura de funcionamiento estable, donde la velocidad de calentamiento es igual a la velocidad de enfriamiento.Afortunadamente, tenemos una fórmula IPC que podemos utilizar para modelar este evento.

IPC-2221A: el cálculo de la capacidad actual de la pista externa ^[1] : 

I = 0.048 * DT ^(0,44) * (W * Th) ^(0.725)

Donde I es la corriente (amperios), DT es el aumento de temperatura (° C), W es el ancho de la traza (mil) y Th es el espesor de la traza (mil).Rastros internos deben estar atenuados por 50% (estimación) para el mismo grado de calentamiento. Utilizando la fórmula de IPC que generó la Figura 3, que muestra la capacidad de transporte de corriente de varias huellas de diferentes áreas de sección transversal con un aumento de 30 ° C de temperatura.

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Figura 3: Corriente aproximada de las dimensiones de la pista dada (20 ˚ C de aumento temp).

Lo que constituye una cantidad aceptable de aumento de calor diferirá fromproject al proyecto. La mayoría de los materiales dieléctricos de placa de circuito puede soportar temperaturas de 100 ° C por encima del ambiente, aunque esta cantidad de cambio de temperatura sería inaceptable en la mayoría de situaciones.

Fuerza placa de circuito y supervivencia

Fabricantes y diseñadores de la tarjeta de circuitos pueden elegir entre una variedad de materiales dieléctricos, desde estándar FR-4 (temperatura de funcionamiento. 130 ° C) a alta temperatura de poliimida (temperatura de funcionamiento. 250 ° C). La situación del medio ambiente de alta temperatura o extremas puede requerir un material exótico, pero si las pistas de circuito y vías enchapados son estándar 1-oz/ft ² , tendrá que sobrevivir a las condiciones extremas? La industria de la placa de circuito ha desarrollado un método de ensayo para determinar la integridad térmica de un producto de circuito de acabado. Cepas térmicos vienen de fabricación de placas diferentes, procesos de montaje y de reparación, donde las diferencias entre el coeficiente de expansión térmica (CTE) de Cu y el laminado PLP proporcionan la fuerza impulsora para la nucleación y el crecimiento de la grieta a un fallo del circuito. Las pruebas de ciclo térmico (TCT) comprueba un aumento de la resistencia de un circuito que se somete a ciclos térmicos de aire-a-aire de 25 ° C a 260 ° C.

Un aumento de la resistencia indica una avería en la integridad eléctrica a través de grietas en el circuito de cobre. Un diseño cupón estándar para esta prueba utiliza una cadena de 32 chapada orificios pasantes, que durante mucho tiempo se ha considerado para ser el punto más débil en un circuito cuando se somete a tensión térmica.

Estudios del ciclo térmico realizado en FR-4 tarjetas estándar de 0,8 milésimas de pulgada de recubrimiento de cobre de 1,2 millones han demostrado que el 32% de los circuitos falla después de ocho ciclos (un aumento del 20% en la resistencia se considera un fracaso). Estudios de ciclo térmico hecho en materiales exóticos muestran mejoras significativas a esta tasa de fracaso (3% después de ocho ciclos de éster de cianato), pero son prohibitivamente caros (cinco a 10 veces coste de material) y difícil de procesar. Una asamblea media tecnología de montaje superficial ve a un mínimo de cuatro ciclos térmicos antes del envío, y pudo ver un dos ciclos térmicos adicionales para cada reparación de componentes.

No es razonable que un tablero SMOBC que ha pasado por un ciclo de reparación y sustitución para llegar a un total de nueve o 10 ciclos térmicos. Los resultados TCT muestran claramente que la tasa de fracaso, no importa lo que el material de la tabla, puede llegar a ser inaceptable. Fabricantes de placas de circuitos impresos saben que cobre electrolítico no es una ciencia exacta-cambios en la densidad de corriente a través de un tablero ya través de numerosos agujeros / via tamaños resultan en variaciones de espesor de cobre de hasta 25% o más. La mayoría de las áreas de "cobre fino" están en plateado hoyos paredes-los resultados TCT muestran claramente que este es el caso.

Uso de circuitos de cobre pesados ​​sería reducir o eliminar estos fallos por completo. Revestimiento de 2-oz/ft ² de cobre a un agujero de la pared reduce la tasa de fallos a casi cero (TCT resultados muestran una tasa de fracaso 0,57% después de ocho ciclos para el estándar FR-4 con un mínimo de recubrimiento de cobre 2,5 milésimas de pulgada). En efecto, el circuito de cobre se convierte en impermeable a los esfuerzos mecánicos que se le plantean por el ciclo térmico.

Gestión térmica

Como diseñadores se esfuerzan por obtener el máximo valor y el rendimiento de sus proyectos, circuitos impresos son cada vez más complejos y se ven obligados a densidades de energía más altos. La miniaturización, el uso de componentes de potencia, las condiciones ambientales extremas y los requisitos de alta intensidad aumenta la importancia de la gestión térmica. Las mayores pérdidas en forma de calor, que a menudo se genera en la operación de la electrónica, tiene que ser disipado de su fuente y radiadas para el medio ambiente, de lo contrario, los componentes pueden sobrecalentarse y fallos pueden causar. Sin embargo, los circuitos de cobre pesados ​​pueden ayudar a reducir los I ² pérdidas de R y de conducir el calor lejos de los componentes valiosos, reducir las tasas de fracaso espectacular.

Con el fin de lograr la adecuada disipación del calor de fuentes de calor en y sobre la superficie de una placa de circuito, disipadores de calor se emplean. El propósito de cualquier disipador de calor es para disipar el calor lejos de la fuente de generación por conducción y emitir este calor por convección con el medio ambiente. La fuente de calor en un lado del tablero (o fuentes de calor internas) está conectado por vías de cobre (a veces llamados "vias de calor") a una amplia zona de cobre desnudo en el otro lado de la junta.

En general, los disipadores clásicos se unen a esta superficie de cobre desnudo por medio de un adhesivo conductor térmico o, en algunos casos, son remachadas o atornilladas. La mayoría de disipadores de calor están hechos de cobre o aluminio. El proceso de montaje se requiere para clásicos disipadores consta de tres pasos de trabajo intensivo y costoso.

Para empezar, el metal que sirve como el disipador de calor debe ser perforado o cortado a la forma requerida. La capa de adhesivo también debe ser cortado o estampado para un ajuste preciso entre la placa de circuito y el disipador de calor. Por último, pero no menos importante, el disipador de calor debe ser colocado correctamente en la PCB y el paquete completo tiene que ser revestido para la resistencia eléctrica y / o la corrosión con una laca adecuada o capa de cubierta.

Normalmente, el proceso anterior no se puede automatizar y debe hacerse a mano. El tiempo y el trabajo necesario para completar este proceso es importante, y los resultados son inferiores a un proceso mecánico automatizado. Por el contrario, una función de los disipadores de calor se crean durante el proceso de fabricación de PCB y no requieren ningún montaje adicional. Tecnología de circuito de cobre pesado hace esto posible. Esta tecnología permite la adición de cobre de espesor disipadores prácticamente en cualquier lugar en las superficies exteriores de una tabla. El disipadores de calor están electrochapado en la superficie y por lo tanto conectadas a la conducción de calor vías sin ninguna interfaz que impiden la conductividad térmica.

Otro beneficio es el recubrimiento de cobre añadido en las vías de calor, lo que reduce la resistencia térmica del diseño de la placa, al darse cuenta de que pueden esperar el mismo grado de precisión y repetibilidad inherente en la fabricación de PCB. Debido devanados planas son en realidad trazas conductoras planas formadas en laminado revestido de cobre, mejoran la densidad de corriente global en comparación con conductores de alambre cilíndricos. Este beneficio es debido a la reducción al mínimo de efecto de la piel y una mayor eficiencia de transporte de corriente.

Planares a bordo lograr un excelente aislamiento dieléctrico primaria a secundaria y de secundaria a secundaria porque el mismo material dieléctrico se utiliza entre todas las capas, lo que garantiza la encapsulación completa de todos los bobinados. Además, los devanados primarios se pueden derramado de manera que los devanados secundarios están intercalados entre las primarias, lograr una baja inductancia de fuga. Técnicas de laminación PCB estándar, utilizando una selección de una variedad de resinas epoxi, puede de manera segura sándwich de hasta 50 capas de bobinas de cobre tan gruesas como 10-oz/ft ² .

Durante la fabricación de circuitos de cobre pesados, que generalmente se trata de placas grosores importantes, por lo tanto, las asignaciones deben ser hechas en la definición de las separaciones traza y tamaños de planchas. Por esta razón, se aconseja a los diseñadores tener el fabricante bordo a bordo al principio del proceso de diseño.

Productos de alimentación electrónica con circuitos de cobre pesados ​​han estado en uso durante muchos años en la industria militar y aeroespacial y están cobrando impulso como una tecnología de elección para aplicaciones industriales. Se cree que las exigencias del mercado se extenderá la aplicación de este tipo de productos en un futuro próximo.

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Referencias:

1. IPC-2221A

http://www.pcbdesign007.com