Namuose > Naujienos > Turinys
Sunkus ir ekstremalus varis užtikrina maksimalią patikimumą PCB projektavime ir gamyboje
Jul 05, 2018

Įvairūs galios elektronikos gaminiai kasdien rengiami įvairiems tikslams. Vis dažniau šie projektai naudojasi spausdintinės plokštės pramonės didėjančia tendencija: sunkiaisiais variniais ir labai variniais PCB.

Kas apibrėžia sunkų vario grandinę? Dauguma parduodamų PCB gaminami žemos įtampos / mažos galios įrenginiams, kurių vario pėdsakai / plokštumos pagaminti iš vario svorio nuo ½ oz / ft2 iki 3 oz / ft2. Sunkioji vario grandinė yra pagaminta iš varinių svorių bet kur nuo 4 oz / ft2 iki 20 oz / ft2. Variniai svoriai virš 20 oz / ft2 ir iki 200 oz / ft2 taip pat yra galimi ir vadinami ekstremaliomis vario.

Šios diskusijos prasme daugiausia dėmesio skirsime sunkiajam variui. Padidėjęs vario svoris, derinamas su tinkamu substratu, ir storesnė dengimas per skylių paverčia vieną kartą nepatikimą, silpną plokštę į patvarią ir patikimą laidų platformą.

Sunkios varinės grandinės konstrukcija suteikia plokštę su tokia nauda, kaip:

Padidėjęs šiluminių deformacijų ištvermė

Padidinta srovės talpa

Didesnis mechaninis stiprumas jungties vietose ir PTH skylėse

Egzotinės medžiagos, naudojamos visam potencialui (ty aukšta temperatūra) be grandinės gedimo

Sumažintas gaminio dydis, įtraukiant daugybę varinių svorių toje pačioje grandinės sluoksnyje (1 pav.)

Didelio vario padengtos violetinės plokštės turi didesnę srovę ir padeda perduoti šilumą išoriniam radiatoriui

Borto orlaiviai tiesiogiai padengti ant lentos paviršiaus, naudojant iki 120 oz varinių lėktuvų

Bortiniai didelio galingumo plokščiųjų transformatoriai

Nors trūkumų yra nedaug, svarbu suprasti sunkiosios varinės grandinės konstrukciją, kad būtų galima įvertinti jų galimybes ir potencialias programas.

1 paveikslas. Pavyzdys su 2 oz, 10 oz, 20 oz ir 30 oz vario funkcijomis toje pačioje sluoksnyje.

Sunkios varinės grandinės konstrukcija

Standartiniai PCB, tiek dvipusiai, tiek daugiasluoksni, yra pagaminti naudojant vario sietą ir dengimo procesus. Circuito sluoksniai prasideda kaip ploni vario folijos lakštai (dažniausiai 0,5 oz / ft2 iki 2 oz / ft2), kurie yra išgraviruoti, kad pašalintų nepageidaujamą varį, ir padengti, kad vario storis būtų pridedamas prie plokštumų, pėdsakų, trinkelių ir padengtų skylių. Visi grandinės sluoksniai yra laminuojami į pilną pakuotę, naudojant epoksidine pagrindu, pvz., FR-4 arba poliimidą.

Plokštės, kuriose yra sunkiųjų varinių grandinių, gaminamos lygiai taip pat, nors ir su specializuotomis garsinimo ir dengimo technologijomis, tokiomis kaip greitaeigė / pakopinė danga ir diferencinis įbrėžimas. Istoriškai sunkieji vario požymiai buvo suformuoti tiktai plakant variu padengtą laminuotą plokštę, todėl nelygios šoninės sienelės ir nepriimtinas pjovimas. Plastinės technologijos pažanga leidžia suformuoti sunkias vario savybes, padengiant apmušimą ir traškinimą, todėl tiesios šoninės sienelės ir nereikšmingas pjovimas.

Didelio vario grandinės dengimas leidžia valdytojui padidinti vario storio kiekį padengtose skylutėse ir per sieną. Dabar galima įmaišyti varį su standartinėmis funkcijomis vienoje plokštėje. Privalumai apima sumažintą sluoksnių skaičių, mažos impedanso energijos paskirstymą, mažesnę pėdsaką ir galimą sąnaudų taupymą.

Paprastai didelės srovės / didelės galios grandinės ir jų valdymo grandinės buvo sukurtos atskirai ant atskirų lentų. Sunkioji vario danga leidžia integruoti didelės srovės grandines ir valdymo grandines, kad būtų galima sukurti labai tankią, tačiau paprastą plokštės struktūrą.

Sunkios vario savybės gali būti vientisai prijungtos prie standartinių grandinių. Sunkus varis ir standartinės savybės gali būti su minimaliais apribojimais, jei dizaineris ir gamintojas prieš galutinį projektą aptaria gamybos tolerancijas ir gebėjimus (2 pav.).

2 pav. 2 oz funkcijos prijungia valdymo grandines, o 20 oz funkcijos turi didelės įtampos apkrovas.

Dabartinis našumas ir temperatūros kilimas

Kiek dabartinės gali vario grandinės saugiai atlikti? Tai yra klausimas, kurį dažnai išreiškia dizaineriai, kurie nori į savo projektą įtraukti sunkiasvorių varinių grandynų. Paprastai už šį klausimą atsakoma į kitą klausimą: kiek šilumos gali pakilti jūsų projektas? Šis klausimas kyla dėl to, kad šilumos kilimas ir srovės srautas eina kartu. Pabandykime kartu atsakyti į abu šiuos klausimus.

Kai srovės srautas išilgai pėdsakų, yra I2R (galios praradimas), dėl kurio atsiranda lokalizuotas šildymas. Pėdsakas aušina laidumą (į kaimynines medžiagas) ir konvekciją (į aplinką). Todėl norint rasti maksimalią srovę, kurią galima saugiai atlikti, turime rasti būdą, kaip įvertinti šilumos padidėjimą, susijusį su taikomu sroviu. Ideali situacija būtų pasiekti stabilią darbo temperatūrą, kai šildymo greitis lygus aušinimo greičiui. Laimei, turime IPC formulę, kurią galime naudoti modeliuodami šį įvykį.

IPC-2221A: išorinio takelio dabartinės talpos apskaičiavimas [1]:

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

Kur aš esama srovė (amperai), DT yra temperatūros kilimas (° C), W yra pėdsako plotis (mil) ir Th yra pėdsakų storis (mil). Vidiniai pėdsakai turi būti mažinami 50% (įvertintas) tuo pačiu šildymo laipsniu. Naudodami IPC formulę mes sukūrėme 3 paveikslą, kuriame parodoma, kad srovės talpa yra keletas skirtingų skerspjūvio sričių pėdsakų, kai temperatūra pakyla 30 ° C.

3 paveikslas. Apytikslė srovė tam tikriems bėgių kelio matmenims (20 laipsnių temp. Pakilimas).

Kas yra priimtinas šilumos padidėjimas, bus nuo projekto iki projekto skiriasi. Dauguma plokštės dielektrinių medžiagų gali atlaikyti 100 ° C aukštesnę temperatūrą nei aplinkos temperatūra, nors daugeliu atvejų ši temperatūros pokyčio reikšmė būtų nepriimtina.

Circuit Board stiprumas ir išgyvenamumas

Kištukinės plokščių gamintojai ir dizaineriai gali pasirinkti iš įvairių dielektrinių medžiagų iš standartinės FR-4 (eksploatavimo temperatūra 130 ° C) iki aukšto temperatūros poliimido (eksploatavimo temperatūra 250 ° C). Dėl aukštoje temperatūroje ar ekstremaliose aplinkos situacijose gali prireikti egzotiškos medžiagos, tačiau jei grandinės pėdsakai ir dengiami viasai yra standartiniai 1 oz / ft2, ar jie išliks ekstremaliomis sąlygomis? Apskriosios plokštės pramonė sukūrė bandymo metodą, skirtą galutinio grandinės produkto šiluminio integralumo nustatymui. Terminiai kamienai yra pagaminti iš įvairių plokščių gamybos, surinkimo ir taisymo procesų, kai Cu ir PWB laminato šiluminio plėtimosi koeficiento (CTE) skirtumai yra variklio sukibimo ir augimo varomoji jėga, kai grandinė sugedusi. Terminio ciklo bandymas (TCT) tikrina, ar ciklo pasipriešinimas padidėja, kai jo temperatūra cirkuliuojama nuo 25 ° C iki 260 ° C.

Atsparumo padidėjimas rodo elektrinio vientisumo plyšį vario grandinės įtrūkimų metu. Standartinis šio bandymo kuponų dizainas naudoja 32 plokščių skylių grandinę, kuri ilgą laiką buvo laikoma silpniausiu tašku grandinėje esant terminiam įtempimui.

Terminio ciklo tyrimai, atlikti standartinėse FR-4 plokštėse, kurių plotis yra nuo 0,8 iki 1,2 mil. Vario, parodė, kad 32% grandinių nesėkmių praėjus aštuoniems ciklams (20% padidėjimas atsparumas laikomas nesėkme). Egzotinėse medžiagose atliktų terminio ciklo tyrimų rezultatai rodo, kad šis gedimo rodiklis gerokai padidėjo (3% po aštuonių cianatų esterio ciklų), tačiau jie yra pernelyg brangūs (5- 10 kartų didesnis už medžiagų sąnaudas) ir yra sunkiai apdorojami. Vidutinis paviršiaus montavimo technologinis surinkimas prieš išsiuntimą mato ne mažiau kaip keturis šiluminius ciklus ir gali matyti papildomus du terminius ciklus kiekvieno komponento remontui.

SMOBC plokštė, kuri praėjo remonto ir keitimo ciklą, nepagrįsta, kad pasiektų devynis ar 10 šiluminių ciklų. TCT rezultatai aiškiai rodo, kad sugedimo greitis, nesvarbu koks lentos medžiaga, gali tapti nepriimtina. Spausdintinių plokščių gamintojai žino, kad vario galvanizavimas nėra tikslus mokslo pasikeitimas esant dabartiniam tankiui visoje plokštėje, o per daugybę skylių / per dydį vario storis svyruoja iki 25% ar daugiau. Dauguma "plono vario" zonų yra ant dengtų skylių sienų - TCT rezultatai aiškiai rodo, kad taip yra.

Naudojant sunkiasvorių varinių grandines būtų galima sumažinti arba pašalinti šiuos gedimus. 2 oz / ft2 vario padavimas į skylės sieną sumažina gedimo greitį beveik iki nulio (TCT rezultatai rodo 0,57% gedimo greitį po aštuonių standartinių FR-4 ciklų su ne mažiau kaip 2,5 milimetrų vario danga). Iš tiesų, vario grandinė tampa nepralaidi mechaniniam įtempimui, kurį jam suteikia terminis ciklas.

Terminis valdymas

Kadangi dizaineriai stengiasi gauti maksimalią vertę ir našumą iš savo projektų, spausdintuvo grandinės tampa vis sudėtingesnės ir padidina galios tankį. Miniaturizacija, galios komponentų naudojimas, ekstremali aplinkos sąlygos ir didelio galingumo reikalavimai didina šiluminio valdymo svarbą. Didesni šilumos nuostoliai, dažnai susidarantys elektronikos veikloje, turi būti išsklaidomi iš jo šaltinio ir skleidžiami į aplinką; kitaip komponentai gali perkaisti ir gali atsirasti gedimų. Tačiau sunkieji variniai grandynai gali padėti sumažinti I2R nuostolius ir šilumą išsilaisvinti iš vertingų komponentų, todėl smarkiai sumažėja gedimo koeficientas.

Siekiant užtikrinti tinkamą šilumos išsklaidymą iš šilumos šaltinių ant plokštės paviršiaus ir ant jo, naudojami radiatoriai. Bet kurio radiatoriaus paskirtis yra išsklaidyti šilumą nuo šaltinio generuojant laidumą ir išmesti šilumą konvekciniu būdu į aplinką. Šilumos šaltinį vienoje plokštės pusėje (arba vidinių šilumos šaltinių) prijungia vario vėjas (kartais vadinamas "šilumos laidų") į didelį pliką vario plotą kitoje lentos pusėje.

Paprastai klasikinės kaitinamosios medžiagos yra sujungtos su šiuo neapdoroto vario paviršiumi termiškai laidžiu kliju arba kai kuriais atvejais yra kniedytos arba varžtais. Dauguma radiatorių yra pagaminti iš vario arba aliuminio. Klasikinių kaitlentėms reikalingas surinkimo procesas susideda iš trijų darbo intensyvių ir brangių žingsnių.

Norint pradėti, metalą, naudojamą kaip kaitinimo elementas, reikia perforuoti arba supjaustyti iki reikiamos formos. Klijuotieji sluoksniai taip pat turi būti supjaustyti ar įspausti, kad būtų galima tiksliai suderinti plokštę su šildytuvu. Paskutinis, bet ne mažiau svarbu, kad radiatorius turi būti tinkamai padėtas ant PCB, o visa pakuotė turi būti padengta elektros ir / ar atsparumo korozijai tinkamu laku arba padengtu sluoksniu.

Paprastai minėtas procesas negali būti automatizuotas ir turi būti atliekamas rankiniu būdu. Laikas ir darbas, reikalingi šiam procesui užbaigti, yra reikšmingi, o rezultatai yra prastesni už mechaniškai automatizuotą procesą. Priešingai, įmontuotos kaitinamosios lempos sukurtos PCB gamybos proceso metu ir nereikalauja papildomo surinkimo. Sunkios varinės grandinės technologijos leidžia tai padaryti. Ši technologija leidžia papildyti storu vario kaitinamuosius skysčius praktiškai bet kur ant išorinės plokštės paviršių. Radiatoriai yra ant paviršiaus galvanizuotos ir tokiu būdu prijungiamos prie šilumos laidų laidų be jokių sąsajų, trukdančių šilumos laidumui.

Kitas privalumas yra papildomas vario dengimas karščio viduje, kuris sumažina plokštės konstrukcijos šiluminę varžą, suprasdamas, kad jie gali tikėtis tokio pat tikslumo ir pakartojamumo laipsnio, kuris būdingas PCB gamybai. Kadangi plokščiosios apvijos iš tiesų yra plokščios laidžios pėdsakai, suformuotos vario laminatu, jie pagerina bendrą srovės tankį, palyginti su cilindriniu laidų laidininku. Ši nauda yra dėl to, kad sumažėja odos poveikis ir didesnis srovės nešiojimo efektyvumas.

Borto plokštumos užtikrina puikų pirminės-vidurinės ir antrinės ir antrinės dielektrinės izoliacijos, nes ta pati dielektrinė medžiaga naudojama tarp visų sluoksnių, užtikrinant visišką visų apvijų įkapsuliaciją. Be to, pirminės apvijos gali būti išsilieję taip, kad antrinės apvijos būtų tarpusavyje pritvirtintos, užtikrinant mažą nuotėkio induktyvumą. Standartiniai PCB laminavimo metodai, naudojant įvairių epoksidinių dervų pasirinkimą, gali saugiai sumušti iki 50 sluoksnių vario apvijų, storus kaip 10 oz / ft2.

Per sunkių varinių grandinių gamybą mes dažniausiai susiduriame su žymiais dengimo dažais; todėl turi būti nustatytos nuolaidų atskyrimo ir pado dydžių nustatymo priemonės. Dėl šios priežasties, dizaineriai pataria, kad laivą gamintojai į laivą pradžioje projektavimo procesą.

Galios elektronikos gaminiai, naudojantys sunkiasvorių varinių grandynų, jau daugelį metų naudojami karo ir kosmoso pramonėje, ir jie tampa vis sparčiau naudojamomis technologijomis pramonėje. Manoma, kad rinkos reikalavimai artimiausiu metu išplės šio tipo produktų taikymą.

Nuorodos:

1. IPC -2221A