使用重铜和极端铜 PCB 设计与制作最大的可靠性
越来越多的电力电子产品正在利用日益增长的趋势的印刷电路板行业︰ 重型铜和极端铜印刷电路板。
市面最多氯联苯，低电压/低功率应用场合，制造与铜的痕迹/飞机组成的铜重量从 1/2 盎司/ft2 到 3 盎司/ft2。沉重的铜电路是以铜重量 4 盎司/ft2 到 20 盎司/ft2 之间的任何制造的。铜重量以上 20 盎司/ft2 和 200 盎司/ft2 也是可行的和被称为极端铜。我们的讨论将主要集中于重铜。
沉重的铜电路建设赋予董事会与福利如︰
沉重的铜电路建设赋予董事会与福利如︰
- 对热应变的增加的耐力。
- 增加当前的承载能力。
- 增加机械强度连接器地盘及 PTH 孔。
- 使用外来材料潜能 （即，温度太高） 无电路故障。
- 通过合并多个电路相同的层上的铜重量减少产品尺寸 （见图 1）。
- 重铜镀通孔进行更高的电流通过理事会，并有助于将热量传递给外部的散热片。
- 板载的散热器直接镀上板表面使用增加至 120 盎司铜飞机。
- 板载高功率密度平面变压器
图 1。特色 2 盎司、 10 盎司、 20 盎司 30 盎司铜功能相同的层上的样本。
沉重的铜电路结构
沉重的铜电路结构
标准印刷电路板是否双面或多层，均采用铜蚀刻与电镀工艺的组合。电路层薄薄的铜箔 (一般 0.5 盎司/ft2 到 2 盎司/ft2)，被蚀刻来删除不需要的铜，作为启动和镀铜层厚度添加飞机，痕迹，垫和镀通孔。所有的电路层层叠成一个完整的软件包，使用环氧树脂基的基材，如 FR4 或聚酰亚胺。
尽管与专门刻蚀和镀技术，如高速/一步电镀和微分蚀刻在完全相同的方式，生产纳入重铜线路的板。从历史上看，完全由蚀刻厚铜复合层压的板材料，造成不均匀的跟踪侧壁和不能接受削弱形成了沉重的铜功能。电镀工艺的研究进展已允许重铜功能相结合的电镀和刻蚀，导致直侧壁和可以忽略不计的咬边形成。
镀厚铜电路使板加工的铜层厚度在镀孔和侧壁通过金额增加。它现在是可能重铜拌上单板，也被称为 PowerLink 的标准功能。优点包括减少的层数、 低阻抗功率分布、 小脚印和潜在成本节约。通常情况下，高电流/高功率电路和其控制电路分开单独板上被生产。重镀铜使可能整合高电流电路和控制电路，实现高度密集而简单的董事会结构。
沉重的铜功能可以无缝地连接到标准电路。沉重的铜和标准功能可以放置与最小限制提供设计师和制作者讨论制造公差和能力之前最后设计 (图 2)。
图 2。2 盎司功能连接控制电路，而 20 盎司特点携带高电流负载。
当前的承载能力和温升
当前的承载能力和温升
铜的电路，可以安全地执行的数据量取决于多少与相关项目可以承受，因为热上升的热兴起和当前流。当电流流过轨迹时，是 I2R （功率损耗），结果在局部加热。跟踪冷却 （入邻近的材料） 的传导和对流 （到环境中）。因此，想找到跟踪，可以安全地执行的最大电流，我们必须找到方法来估计热兴起与应用当前。理想的状况是要达到一个稳定的工作的温度在加热的速率等于冷却速率。IPC 公式可以用来模拟此事件。
| Track Width (inch) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cu weight (oz/ft2) | Thickness (inch) | 0.0625 | 0.1250 | 0.2500 | 0.5000 | 1.0000 | 2.0000 | 4.0000 | 8.0000 | 16.0000 |
| 1 | 0.0014 | 4.6 | 7.6 | 12.5 | 20.7 | 34.2 | 56.6 | 93.6 | 154.7 | 255.6 |
| 2 | 0.0028 | 7.6 | 12.5 | 20.7 | 34.2 | 56.6 | 93.6 | 154.7 | 255.6 | 422.5 |
| 4 | 0.0056 | 12.5 | 20.7 | 34.2 | 56.6 | 93.6 | 154.7 | 255.6 | 422.5 | 698.4 |
| 6 | 0.0084 | 16.8 | 27.8 | 46.0 | 76.0 | 125.5 | 207.5 | 343.0 | 566.9 | 937.1 |
| 8 | 0.0112 | 20.7 | 34.2 | 56.6 | 93.6 | 154.7 | 255.6 | 422.5 | 698.4 | 1154.4 |
| 10 | 0.0140 | 24.4 | 40.3 | 66.5 | 110.0 | 181.8 | 300.5 | 496.7 | 821.1 | 1357.1 |
| 12 | 0.0168 | 27.8 | 46.0 | 76.0 | 125.5 | 207.5 | 343.0 | 566.9 | 937.1 | 1548.9 |
| 14 | 0.0196 | 31.1 | 51.4 | 84.9 | 1.404 | 232.0 | 383.6 | 634.0 | 1047.9 | 1732.1 |
| 16 | 0.0224 | 34.2 | 56.6 | 93.6 | 154.7 | 255.6 | 422.5 | 698.4 | 1154.4 | 1908.1 |
| 18 | 0.0252 | 37.3 | 61.7 | 101.9 | 1.684 | 2.784 | 460.2 | 760.7 | 1257.3 | 2078.2 |
| 20 | 0.0280 | 40.3 | 66.5 | 110.0 | 181.8 | 300.5 | 496.7 | 821.1 | 1357.1 | 2243.2 |
| 24 | 0.0336 | 46.0 | 76.0 | 125.5 | 207.5 | 343.0 | 343.0 | 937.1 | 1548.9 | 2560.2 |
| 28 | 0.0392 | 51.4 | 84.9 | 1.404 | 232.0 | 383.6 | 634.0 | 1047.9 | 1732.1 | 2863.0 |
| 32 | 0.0448 | 56.6 | 93.6 | 154.7 | 255.6 | 422.5 | 698.4 | 1154.4 | 1908.1 | 3154.0 |
| 36 | 0.0504 | 61.7 | 101.9 | 1.684 | 2.784 | 460.2 | 760.7 | 1257.3 | 2078.2 | 3435.1 |
| 40 | 0.0560 | 66.5 | 110.0 | 181.8 | 300.5 | 496.7 | 821.1 | 1357.1 | 2243.2 | 3707.8 |
| 45 | 0.0630 | 72.5 | 119.8 | 198.0 | 327.3 | 541.0 | 894.3 | 1478.1 | 2443.2 | 4038.3 |
| 50 | 0.0700 | 78.2 | 129.3 | 213.7 | 35.33 | 584.0 | 965.2 | 1595.5 | 2637.1 | 4358.9 |
| 55 | 0.0770 | 83.8 | 138.6 | 229.0 | 378.6 | 625.7 | 1034.3 | 1709.6 | 2825.8 | 4670.8 |
| 60 | 0.0840 | 147.6 | 244.0 | 403.2 | 666.5 | 1101.7 | 1820.9 | 3009.8 | 4974.9 | |
| 70 | 0.0980 | 165.0 | 2.728 | 450.9 | 745.3 | 1231.9 | 2036.2 | 3365.7 | 5563.1 | |
| 80 | 0.1120 | 181.8 | 300.5 | 496.7 | 821.1 | 1357.1 | 2243.2 | 3707.8 | 6128.6 | |
| 90 | 0.1260 | 198.0 | 327.3 | 541.0 | 894.3 | 1478.1 | 2443.2 | 4038.3 | 6675.0 | |
| 100 | 0.1400 | 213.7 | 35.33 | 584.0 | 965.2 | 1595.5 | 2637.1 | 4358.9 | 7204.8 | |
| 120 | 0.1680 | 403.2 | 666.5 | 1101.7 | 1820.9 | 3009.8 | 4974.9 | 8223.0 | ||
| 140 | 0.1960 | 450.9 | 745.3 | 1231.9 | 2036.2 | 3365.7 | 5563.1 | 9195.3 | ||
| 160 | 0.2240 | 496.7 | 821.1 | 1357.1 | 2243.2 | 3707.8 | 6128.6 | 10130.0 | ||
| 180 | 0.2520 | 541.0 | 894.3 | 1478.1 | 2443.2 | 4038.3 | 6675.0 | 11033.1 | ||
| 200 | 0.2800 | 584.0 | 965.2 | 1595.5 | 2637.1 | 4358.9 | 7204.8 | 11908.9 | ||
图 3。近似电流给定轨道尺寸 （20 ° C 温度上升）。
IPC-2221A，当前能力的外部轨道 [1] 计算︰
我 =.048 * DT(.44) * (W * Th)(.725)
我哪里电流 （安培），DT 是温升 （° C），W 是跟踪 (mil) 宽度和 Th 是厚度的跟踪 (mil)。内部的痕迹应该下降 50%（估计） 为相同程度的加热。我们使用 IPC 公式，生成图 3 （见表末尾的文本），显示当前的承载能力的不同截面积随 20 ° C 温度升高几个痕迹。
什么是可接受的量热兴起会有所不同从一个项目到另一个项目。大多数电路板介电材料能承受温度 100 ° C 以上环境，尽管这一数额的温度变化会在大多数情况下不能接受。
电路板强度和生存能力
电路板强度和生存能力
线路板制造商和设计师可以选择从不同的介电材料，从标准 FR4 （操作温度 130 ° C） 对耐高温聚酰亚胺 （操作温度 250 ° C）。高温度或极端的环境状况可能会呼吁一种异国情调的材料，但如果电路痕迹和镀通孔标准 1 盎司/ft2，将他们极端条件下生存？线路板行业已开发完成的电路产品热完整性测定的试验方法。热毒株来自各种板加工、 装配和维修过程，热膨胀系数 (CTE) 的铜和印制板层压板之间的差异在哪里为裂纹形核和生长到故障的电路提供的驱动力。热循环测试 (TCT) 检查增加电阻的电路，它将遭受空对空热循环从 25 ° C 至 260 ° c。
电阻增大指示通过裂缝在铜电路电气完整性的崩溃。此测试的标准优惠券设计采用链 32 穿透镀膜孔，长时间被认为是最薄弱的环节，在电路中时受到的热应力。
TCT 结果清楚地表明了故障率，无论何种板材质，可以成为令人无法接受。到 1.2 mil 镀铜 0.8 mil 标准 FR4 板热循环研究显示 32%的电路失败后八个周期 （电阻增加了 20%被认为是一个失败）。议会与外来材料有明显的改善，到此故障率 （后八个周期为氰酸酯 3%)，但昂贵 （5 至 10 倍材料成本） 和难处理。平均表面贴装技术大会看到四个热循环在装运前，至少，可以看到额外两次热循环对每个组件修复。
使用重铜电路会减少或完全消除这些失败。2 盎司/ft2 的对孔壁铜电镀到几乎零 （TCT 结果显示 0.57%的失败率在八个周期后为最小的 2.5 mil 镀铜标准 FR4） 降低了故障率。实际上，铜电路变得无动于衷的热循环放在它的机械应力。
热管理
热管理
当设计师努力从他们的项目获得最大的价值和绩效，印制电路变得更复杂和到更高的功率密度驱动。小型化，使用电源组件、 极端环境条件下和高电流要求增加热管理的重要性。更高的热量，通常在运行中电子生成的造成的损失已经被从其源消散和辐射到的环境;否则为组件可能会过热，可能会导致失败。然而，沉重的铜线路可以帮助减少 I2R 损失并进行有价值的成分，大大减少故障率产生的热量。
为了达到良好的散热，从热源和电路板的表面，采用散热器。任何散热器旨在消散的生成来源产生的热量通过传导和对流对环境来发出这么热的天气。热源的董事会 （或内部热源） 一侧连接由铜通孔 （有时称为”热通孔”） 对裸铜大面积板的另一边。
一般来说，古典散热器粘到这裸铜表面通过导热胶粘剂或在某些情况下，是铆接或螺栓。大多数的散热器是由铜或铝。
装配过程所需的古典散热器包括三个劳动密集型和代价高昂的步骤。时间和工作要求完成这一进程是重要的和结果是仅次于机械自动化的过程。与此相反的是，内置散热器在印制电路板制造工艺过程中创建和要求没有额外的程序集。沉重的铜电路技术使这成为可能。这种技术允许添加厚铜散热器几乎任何地方上板的外表面。散热器是电镀表面上，并因而连接到导热孔无阻碍热导率的任何接口。
另一个好处是设计的添加铜电镀中的热通孔，从而降低了板，实现，他们可以预期相同程度的准确性和重复性固有的 PCB 制造的热阻。因为平面绕组实际上平导电铜箔基板上形成的踪迹，他们提高整体相比圆柱形导线的电流密度。这样做的好处在于最小化的趋肤效应和载流效率高。
车载平板显示器实现优秀小学中学和中学中学介质隔离，因为所有图层，确保完整封装的各相绕组电流之间使用相同的介质材料。此外，初级绕组可以洒了，所以，二次绕组夹在初选中，实现低漏电感。标准的 PCB 压合技术，使用选择的各种环氧树脂，可以安全地夹心达 50 层的铜线圈一样厚 10 盎司/ft2。
在制造重型铜电路时，我们通常处理的重大镀层的厚度;因此，津贴必须在定义跟踪分离和垫尺寸。为此，设计师建议在设计过程的早期有板加工船上。Epec 工程技术制定了一套给设计师所需的基本概述的重型铜线路的设计指南。
军事上的应用
军事上的应用
传统上时在军事应用中使用的印刷电路板的设计器创建的高电流电路按添加重复层中平行和交叉手指层分享它们之间均匀电流的 3 或 4 盎司铜。在实践中，分享是负载的不太理想的所以一些层倾向于进行更高比例和产生更高的损失。总体而言，审计委员会通常运行比估计在设计过程中热。
利用重或极端中创建高电流电路结合厚铜镀通孔和通孔的单面铜将消除需要添加复制图层中平行，从而消除任何关注的多个图层间的载荷分配。温升损失了议会可以用更大的确定性计算。厚镀铜孔内的大大减少了与热应力相关的故障。其结果是一个冷却器的运行和更可靠的 PCB。
重铜、 极端铜或 PowerLink 曾经在下列军事应用程序︰
重铜、 极端铜或 PowerLink 曾经在下列军事应用程序︰
- 武器控制系统
- 电源供应器雷达系统
- 初级和次级绕组的高功率平面变压器
- 配电面板
- 电池充电器和监测系统
电力电子产品使用重型铜电路已经使用多年来在军事和航空航天工业和作为一种技术在工业应用中选择的势头。它认为，市场需求将在不久的将来的这种类型的产品中的应用。
由 Dave Basista，产品经理 — — 重铜/极端铜/PowerLink
Epec 工程技术
参考文件︰
[1] IPC -2221A