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Rame pesante ed estremo per la massima affidabilità nella progettazione e fabbricazione di PCB
Jul 05, 2018

Vari prodotti di elettronica di potenza vengono progettati ogni giorno per una vasta gamma di applicazioni. Sempre più spesso, questi progetti stanno sfruttando una crescente tendenza nel settore dei circuiti stampati: rame pesante e PCB in rame estremo.

Cosa definisce un circuito di rame pesante? La maggior parte dei PCB disponibili in commercio sono prodotti per applicazioni a bassa tensione / bassa potenza, con tracce / piani in rame costituiti da pesi in rame che vanno da ½-oz / ft2 a 3-oz / ft2. Un circuito di rame pesante è fabbricato con pesi di rame ovunque tra 4 once / ft2 a 20 once / ft2. Sono anche possibili pesi in rame superiori a 20 oz / ft2 e fino a 200 oz / ft2 e sono indicati come rame estremo.

Ai fini di questa discussione, ci concentreremo principalmente sul rame pesante. L'aumento del peso del rame combinato con un substrato adatto e una placcatura più spessa nei fori passanti trasforma il circuito stampato, una volta inaffidabile, in una piattaforma di cablaggio affidabile e duratura.

La costruzione di un circuito di rame pesante dota una tavola di benefici come:

Aumento della resistenza alle tensioni termiche

Aumento della capacità di carico corrente

Aumento della resistenza meccanica nei punti di connessione e nei fori PTH

Materiali esotici utilizzati per il loro pieno potenziale (ad esempio, alta temperatura) senza guasti del circuito

Dimensione del prodotto ridotta incorporando più pesi in rame sullo stesso livello di circuiti (Figura 1)

I percorsi di rame pesante trasportano più corrente attraverso la scheda e aiutano a trasferire il calore a un dissipatore esterno

Dissipatori di calore direttamente placcati sulla superficie del pannello utilizzando fino a 120 once di piani in rame

Trasformatori planari ad alta densità di potenza a bordo

Sebbene gli svantaggi siano pochi, è importante comprendere la struttura di base del circuito di rame pesante per apprezzarne appieno le capacità e le potenziali applicazioni.

Figura 1: campione con caratteristiche di rame da 2 once, 10 once, 20 once e 30 once sullo stesso livello.

Costruzione di circuiti pesanti in rame

I PCB standard, sia bilaterali che multistrato, sono realizzati utilizzando una combinazione di processi di incisione e placcatura in rame. Gli strati circuitali iniziano come fogli sottili di lamina di rame (generalmente da 0,5 once / ft2 a 2 oz / ft2) che sono incisi per rimuovere rame indesiderato e placcati per aggiungere spessore di rame a piani, tracce, tamponi e fori passanti placcati. Tutti gli strati del circuito sono laminati in un pacchetto completo utilizzando un substrato a base epossidica, come FR-4 o poliimmide.

Le schede che incorporano circuiti in rame pesante vengono prodotte esattamente nello stesso modo, sebbene con tecniche di incisione e placcatura specializzate, come la placcatura ad alta velocità / a gradino e l'attacco differenziale. Storicamente, le caratteristiche di rame pesante sono state formate interamente incidendo il materiale laminato rivestito di rame spesso, causando pareti di traccia non uniforme e sottoquotazione inaccettabile. I progressi nella tecnologia di placcatura hanno permesso di formare strutture di rame pesanti con una combinazione di placcatura e incisione, con conseguenti pareti diritte e un sottosquadro trascurabile.

La placcatura di un circuito di rame pesante consente al fabbricante della scheda di aumentare la quantità di spessore del rame nei fori placcati e attraverso le pareti laterali. È ora possibile unire rame pesante con funzioni standard su una singola scheda. I vantaggi includono riduzione del numero di strati, distribuzione di energia a bassa impedenza, impronte più piccole e potenziali risparmi sui costi.

Normalmente, circuiti ad alta corrente / alta potenza e i loro circuiti di controllo sono stati prodotti separatamente su schede separate. La placcatura in rame pesante consente di integrare circuiti ad alta corrente e circuiti di controllo per realizzare una struttura di scheda estremamente densa e semplice.

Le caratteristiche di rame pesante possono essere perfettamente collegate a circuiti standard. Il rame pesante e le caratteristiche standard possono essere posizionate con restrizioni minime a condizione che il progettista e il costruttore discutano le tolleranze e le abilità di produzione prima della progettazione finale (Figura 2).

Figura 2: le caratteristiche da 2 once collegano i circuiti di controllo mentre le funzioni da 20 once trasportano carichi ad alta corrente.

Capacità di carico attuale e aumento della temperatura

Quanta corrente può trasportare un circuito di rame in modo sicuro? Questa è una domanda spesso espressa dai designer che desiderano incorporare circuiti di rame pesante nel loro progetto. Di solito a questa domanda viene data una risposta con un'altra domanda: quanto calore può sopportare il tuo progetto? Questa domanda è posta perché l'aumento di calore e il flusso di corrente vanno di pari passo. Proviamo a rispondere a entrambe queste domande insieme.

Quando la corrente scorre lungo una traccia, c'è un I2R (perdita di potenza) che si traduce in un riscaldamento localizzato. La traccia si raffredda per conduzione (nei materiali vicini) e convezione (nell'ambiente). Pertanto, per trovare la corrente massima che una traccia può trasportare in modo sicuro, dobbiamo trovare un modo per stimare l'aumento di calore associato alla corrente applicata. Una situazione ideale sarebbe quella di raggiungere una temperatura operativa stabile in cui la velocità di riscaldamento sia uguale alla velocità di raffreddamento. Fortunatamente, abbiamo una formula IPC che possiamo usare per modellare questo evento.

IPC-2221A: calcolo per la capacità corrente di una traccia esterna [1]:

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

Dove I è corrente (ampere), DT è l'aumento di temperatura (° C), W è la larghezza della traccia (mil) e Th è lo spessore della traccia (mil). Le tracce interne dovrebbero essere ridotte del 50% (stima) per lo stesso grado di riscaldamento. Usando la formula IPC abbiamo generato la Figura 3, che mostra la capacità di trasporto corrente di diverse tracce di diverse sezioni trasversali con un aumento di temperatura di 30 ° C.

Figura 3: Corrente approssimativa per le dimensioni della traccia date (aumento della temperatura di 20 ° C).

Ciò che costituisce una quantità accettabile di aumento di calore sarà diverso da progetto a progetto. La maggior parte dei materiali dielettrici del circuito stampato può resistere a temperature di 100 ° C sopra l'ambiente, sebbene questa quantità di cambiamento di temperatura non sia accettabile nella maggior parte delle situazioni.

Resistenza e sopravvivenza del circuito stampato

I produttori e i progettisti di circuiti stampati possono scegliere tra una varietà di materiali dielettrici, dalla FR-4 standard (temperatura di esercizio 130 ° C) alla poliimmide ad alta temperatura (temperatura di esercizio 250 ° C). Una situazione ad alta temperatura o ambiente estremo può richiedere un materiale esotico, ma se le tracce del circuito e le vie placcate sono standard di 1 oz / ft2, sopravviveranno alle condizioni estreme? L'industria dei circuiti stampati ha sviluppato un metodo di prova per determinare l'integrità termica di un prodotto a circuito finito. I ceppi termici provengono da vari processi di fabbricazione, assemblaggio e riparazione delle schede, dove le differenze tra il coefficiente di espansione termica (CTE) di Cu e il laminato PWB forniscono la forza motrice per la nucleazione delle incrinature e la crescita fino al fallimento del circuito. Il test del ciclo termico (TCT) verifica un aumento della resistenza di un circuito che subisce un ciclo termico aria-aria da 25 ° C a 260 ° C.

Un aumento della resistenza indica una rottura nell'integrità elettrica dovuta a fessurazioni nel circuito di rame. Un modello di coupon standard per questo test utilizza una catena di 32 fori passanti placcati, che è stato a lungo considerato il punto più debole in un circuito quando sottoposto a stress termico.

Gli studi sul ciclo termico eseguiti su schede FR-4 standard con placcatura in rame da 0,8 mil a 1,2 mil hanno mostrato che il 32% dei circuiti fallisce dopo otto cicli (un aumento del 20% della resistenza è considerato un guasto). Gli studi sul ciclo termico condotti su materiali esotici mostrano miglioramenti significativi a questo tasso di insuccesso (3% dopo otto cicli per l'estere di cianato), ma sono proibitivamente costosi (da 5 a 10 volte il costo del materiale) e difficili da elaborare. Un gruppo tecnologico con montaggio superficiale medio vede un minimo di quattro cicli termici prima della spedizione e potrebbe vedere due cicli termici aggiuntivi per ogni riparazione di componenti.

Non è irragionevole per una scheda SMOBC che ha attraversato un ciclo di riparazione e sostituzione per raggiungere un totale di nove o 10 cicli termici. I risultati TCT mostrano chiaramente che il tasso di insuccesso, indipendentemente dal materiale della scheda, può diventare inaccettabile. I produttori di circuiti stampati sanno che la placcatura elettrolitica del rame non è una scienza esatta, cambia la densità di corrente su una tavola e attraverso numerose dimensioni foro / via provoca variazioni dello spessore del rame fino al 25% o più. La maggior parte delle aree di "rame sottile" si trovano su pareti con fori placcati: i risultati TCT mostrano chiaramente che questo è il caso.

L'uso di circuiti di rame pesanti ridurrebbe o eliminerebbe del tutto questi guasti. La placcatura di 2 oz / ft2 di rame su una parete del foro riduce quasi del tutto il tasso di guasto (i risultati TCT mostrano una percentuale di guasto dello 0,57% dopo otto cicli per FR-4 standard con una piastra di rame minima di 2,5 mil). In effetti, il circuito di rame diventa insensibile alle sollecitazioni meccaniche poste su di esso dal ciclo termico.

Gestione termica

Mentre i progettisti si sforzano di ottenere il massimo valore e le prestazioni dai loro progetti, i circuiti stampati stanno diventando più complessi e sono guidati a densità di potenza più elevate. La miniaturizzazione, l'uso di componenti di potenza, condizioni ambientali estreme e requisiti di corrente elevata aumentano l'importanza della gestione termica. Le maggiori perdite sotto forma di calore, che spesso si generano nel funzionamento dell'elettronica, devono essere dissipate dalla sua sorgente e irradiate all'ambiente; in caso contrario, i componenti potrebbero surriscaldarsi e potrebbero verificarsi guasti. Tuttavia, i circuiti di rame pesanti possono aiutare riducendo le perdite di I2R e conducendo il calore lontano da componenti di valore, riducendo drasticamente i tassi di guasto.

Al fine di ottenere una corretta dissipazione del calore da fonti di calore all'interno e sulla superficie di un circuito stampato, vengono impiegati dissipatori di calore. Lo scopo di ogni dissipatore è di dissipare il calore lontano dalla fonte di generazione per conduzione ed emettere questo calore per convezione all'ambiente. La fonte di calore su un lato della scheda (o fonti di calore interne) è collegata da una via di rame (a volte chiamata "heat vias") a una grande area di rame nuda sull'altro lato della scheda.

Generalmente, i dissipatori di calore classici sono legati a questa superficie di rame nudo mediante un adesivo termoconduttivo o, in alcuni casi, sono rivettati o imbullonati. La maggior parte dei dissipatori di calore sono realizzati in rame o alluminio. Il processo di assemblaggio richiesto per i dissipatori classici consiste in tre fasi laboriose e costose.

Per iniziare, il metallo utilizzato come dissipatore di calore deve essere perforato o tagliato secondo la forma richiesta. Lo strato adesivo deve anche essere tagliato o stampato per un accoppiamento di precisione tra il circuito stampato e il dissipatore di calore. Ultimo ma non meno importante, il dissipatore di calore deve essere posizionato correttamente sul PCB e l'intera confezione deve essere rivestita per la resistenza elettrica e / o alla corrosione con una vernice o una copertura adatta.

Normalmente, il processo di cui sopra non può essere automatizzato e deve essere fatto a mano. Il tempo e il lavoro necessari per completare questo processo sono significativi e i risultati sono inferiori a un processo meccanicamente automatizzato. Al contrario, i dissipatori di calore integrati vengono creati durante il processo di produzione dei PCB e non richiedono alcun assemblaggio aggiuntivo. La tecnologia a circuito di rame pesante rende questo possibile. Questa tecnologia consente l'aggiunta di dissipatori di calore spessi in rame praticamente ovunque sulle superfici esterne di una scheda. I dissipatori di calore sono elettrodeposti sulla superficie e quindi collegati alle vie di conduzione del calore senza alcuna interfaccia che impedisca la conduttività termica.

Un altro vantaggio è la placcatura in rame aggiunta nelle vie di riscaldamento, che riduce la resistenza termica del design della scheda, rendendosi conto che possono aspettarsi lo stesso grado di accuratezza e ripetibilità intrinseca nella produzione di PCB. Poiché gli avvolgimenti planari sono in realtà tracce conduttive piatte formate su laminato rivestito di rame, migliorano la densità di corrente complessiva rispetto ai conduttori a filo cilindrico. Questo vantaggio è dovuto alla riduzione al minimo dell'effetto pelle e all'aumento dell'efficienza di trasporto corrente.

I planari di bordo raggiungono un eccellente isolamento dielettrico da primario a secondario e secondario-secondario perché lo stesso materiale dielettrico viene utilizzato tra tutti gli strati, garantendo l'incapsulamento completo di tutti gli avvolgimenti. Inoltre, gli avvolgimenti primari possono essere rovesciati in modo che gli avvolgimenti secondari siano inseriti a sandwich tra le primarie, ottenendo una bassa induttanza di dispersione. Le tecniche standard di laminazione PCB, che utilizzano una vasta gamma di resine epossidiche, possono tranquillamente avvolgere fino a 50 strati di avvolgimenti di rame fino a 10 once / ft2.

Durante la produzione di circuiti in rame pesante, di solito ci occupiamo di spessori di placcatura significativi; pertanto, le quote devono essere prese nel definire le separazioni delle tracce e le dimensioni dei tamponi. Per questo motivo, si consiglia ai progettisti di avere a bordo il costruttore di schede all'inizio del processo di progettazione.

I prodotti di elettronica di potenza che utilizzano circuiti di rame pesanti sono stati utilizzati per molti anni nell'industria militare e aerospaziale e stanno guadagnando slancio come tecnologia di scelta nelle applicazioni industriali. Si ritiene che le esigenze del mercato estenderanno l'applicazione di questo tipo di prodotto nel prossimo futuro.

Riferimenti:

1. IPC -2221A