دوائر كهربائية بطبقة نحاس سميكة

تُعرف لوحة الدوائر المطبوعة ذات النحاس السميك، والمعروفة أيضًا باسم لوحة الدوائر المطبوعة النحاسية السميكة، بنوع خاص من اللوحات تتميز بسماكة رقائق النحاس فيها ≥2 أونصة (70 ميكرومتر)، وهي سماكة تفوق بكثير السماكة القياسية البالغة 1 أونصة/35 ميكرومتر في اللوحات التقليدية. وتتراوح المواصفات الشائعة من 2 أونصة إلى أكثر من 10 أونصات. وتتمثل ميزاتها الأساسية في قدرة تحمل تيار أعلى، وأداء تبريد حراري أفضل، وقوة ميكانيكية أكبر. ويتطلب إنتاجها عمليات تذهيب ونقش خاصة لضمان تجانس النحاس السميك والالتصاق الجيد به. طبقة. مقارنةً بلوحات الدوائر المطبوعة العادية، تمتلك لوحات الدوائر المطبوعة ذات النحاس السميك قدرة تحمل تيار أعلى بكثير (قادرة على نقل تيارات تتراوح بين عشرات إلى مئات الأمبير)، وتفريق حراري ممتاز، وصعوبة تصنيع أعلى. وتُستخدم بشكل رئيسي في تطبيقات مثل معدات الطاقة، ومحولات التحكم الصناعية، وأنظمة التحكم الإلكترونية للمركبات الكهربائية الجديدة، ووحدات طاقة المعدات الطبية التي تتطلب نقل تيار كبير، أو إخراج طاقة عالي، أو تفريغ حراري قوي. أما لوحات الدوائر المطبوعة العادية فهي مناسبة في الغالب للأجهزة الاستهلاكية والأجهزة منخفضة القدرة.

تتمحور المزايا الأساسية لـ PCB النحاس السميك حول قابليتها للتكيف مع السيناريوهات عالية التيار وعالية القدرة، وتنعكس بشكل محدد في الجوانب التالية:

· قدرة تحمل تيار فائقة القوة:

يمكن للطبقة النحاسية السميكة (≥2 أونصة) أن تحمل تيارات كبيرة تتراوح بين عشرات إلى مئات الأمبير، وهي أفضل بكثير من اللوحات الإلكترونية العادية. ويمكنها تلبية متطلبات نقل التيار للأجهزة عالية القدرة مثل معدات الطاقة وأنظمة التحكم الإلكترونية في المركبات الكهربائية الجديدة والتي تعمل على تجنب تسخين الخطوط أو احتراقها الناتج عن تجاوز شدة التيار.

· أداء ممتاز في التبديد الحراري:

يتمتع النحاس بموصلية حرارية ممتازة. وتشكل الطبقة النحاسية السميكة موصلًا حراريًا ممتازًا، وتكون كفاءة تبديدها للحرارة أعلى بكثير من تلك الخاصة باللوحات الإلكترونية القياسية. يمكن للطبقة النحاسية المُكثفة أن تُوصِل بسرعة الحرارة المنتَجة أثناء تشغيل الدائرة مما يقلل بشكل فعّال من درجة حرارة سطح اللوحة، ويقلل إلى الحد الأدنى من الضرر الذي تسببه الشيخوخة الحرارية للمكونات والدوائر، ويعزز من استقرار المنتج ويطيل عمره الافتراضي.

· قوة ميكانيكية أعلى:

تتمثل ميزة أخرى رئيسية لوحات الدوائر المطبوعة عالية النحاس في قوتها الميكانيكية الأعلى. حيث يعزز الطبقة السميكة من النحاس المتانة الفيزيائية للوحة الدوائر، مما يجعلها أكثر مقاومة للانحناء والصدمات، وبالتالي تكون أكثر قدرة على تحمل الإجهادات الفيزيائية مثل الانحناء والاهتزاز والصدمات الميكانيكية. ويمكنها التكيف مع الظروف القاسية التي تتضمن اهتزازات متكررة مثل معدات التحكم الصناعية والبيئات المركبة على المركبات، مما يقلل من خطر انقطاع الخطوط.

· موثوقية التوصيل الكهربائي المستقر

تقلل الطبقة السميكة من النحاس من فقد المقاومة أثناء نقل التيار، وتقلل من هبوط الجهد، وتحافظ على استقرار إشارة الدائرة ونقل الطاقة. وهي مناسبة بشكل خاص للمعدات الطبية وأنظمة التحكم الصناعية الدقيقة ذات المتطلبات العالية بالنسبة لدقة مصدر الطاقة.

· دعم التصميم المتكامل:

يمكنه تحقيق تخطيط متكامل للدوائر عالية التيار والدوائر الإشارية الدقيقة، مما يقلل الحاجة إلى مشتتات حرارة خارجية، مقاومات شنت، ومكونات أخرى، وبالتالي يبسط هيكل المنتج ويحسن استخدام المساحة.

· إطالة العمر

إن القدرة العالية على حمل التيار، وإدارة أفضل للتبدد الحراري، وقوة ميكانيكية أكبر تعمل معًا على تمديد عمر ثنائيات النحاس السميكة. هذه اللوحات لا تتعرض بسهولة للتلف الحراري أو الميكانيكي، مما يضمن تشغيلها الطبيعي لفترة أطول. هذه الموثوقية ذات أهمية بالغة في المجالات التطبيقية التي يكون فيها الصيانة أو الاستبدال أمرًا صعبًا ومكلفًا، مثل البيئات الجوية الفضائية أو الصناعية.

نظرًا لسماكة الطبقة النحاسية الكبيرة وسيناريوهات التطبيق الخاصة لألواح الدوائر المطبوعة ذات النحاس السميك، يجب أن يراعي التصميم الأداء الكهربائي وإمكانية التنفيذ العملي والموثوقية. وتشمل الاعتبارات الأساسية ما يلي:

· اختيار سماكة النحاس:

يجب تحديد مواصفات سماكة النحاس بناءً على قدرة التحمل الفعلية للتيار ومتطلبات التبريد للمعدات، تجنبًا للتصميم المبالغ فيه وزيادة التكاليف. قم بمطابقة سماكة النحاس بالاقتران مع عرض الخط، واتبع معيار IPC-2221 لتحمل التيار لضمان تلبية متطلبات نقل التيار القصوى.

· تصميم المسارات:

تحتاج الدوائر عالية التيار إلى توسيع وسماكة لمنع ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن كثافة تيار مرتفعة بشكل مفرط. يجب إجراء انتقالات تدريجية عند وصلات المكونات ذات الخطوط الدقيقة والدوائر النحاسية السميكة لتقليل التغيرات المفاجئة في المعاوقة. تجنب الدوائر ذات الزوايا الحادة طوال العملية لمنع التآكل غير المنتظم أو تركز المجالات الكهربائية التي قد تؤدي إلى الانهيار.

· تصميم تبديد الحرارة:

للمواقع الرئيسية المنتجة للحرارة، قم بالتخطيط لمناطق تبديد حرارة من النحاس السميك أو تخصيص مناطق لنشر النحاس، أو ترك وسادات توصيل حراري لتوصيلها بأجهزة تبريد خارجية. وتتم عملية تبديد الحرارة عبر عدة طبقات نحاسية سميكة لـ تجنب تراكم الحرارة في أماكن محددة. تعتمد الثقوب العابرة عالية التيار على تصميم سميك معدن أو تصميم متعدد الثقوب المتوازية لتعزيز تبديد الحرارة.

· تصميم الثقوب العابرة والوصلات:

تزيد الفياز النحاسية السميكة من قطر الثقب وتكثف الطبقة النحاسية على جدار الثقب. عند الضرورة، يجب استخدام ثقوب عمياء مطمورة أو سدادات راتنجية لمنع تشقق جدار الثقب. يجب توسيع وسادات اللحام للمكونات المثبتة بشكل مناسب لضمان التصاق اللحام مع الطبقة النحاسية السميكة. يتم تعبئة منطقة الاتصال ذات التيار العالي بالنحاس بدلاً من الأسلاك الرفيعة لتعزيز استقرار تحمل التيار.

· التحكم في المعاوقة:

بواسطة برامج محاكاة مثل Altium وCadence، يتم تحسين عرض الخط، والمسافة، وسماكة العازل للتصدي لتأثير الطبقات النحاسية السميكة على المعاوقة المميزة للخط. يتم ترتيب خطوط الإشارة عالية التردد وخطوط الطاقة النحاسية السميكة بشكل منفصل لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي. خطوط الإشارة عالية التردد وخطوط الطاقة النحاسية السميكة يتم ترتيبها بشكل منفصل لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي.

· توافق العملية:

بالنظر إلى خاصية أن نقش النحاس السميك معرّض للنقش الجانبي، يتم حجز مقدار تعويضي للنقش لضمان دقة الدائرة. ولتجنب مناطق كبيرة متصلة من النحاس السميك، يمكن إضافة شقوق إضافية أو تصاميم مجوفة لمنع انحناء لوحة الدوائر المطبوعة. يتم اعتماد هيكل وسادة حرارية في الاتصال بين اللوحة والنحاس لمنع حدوث لحام كاذب ناتج عن تركيز الحرارة أثناء عملية اللحام.

· الموثوقية الميكانيكية:

احجز هامش تمدد للوحات الدوائر المطبوعة ذات النحاس السميك بالاقتران مع هيكل تركيب المعدات لتجنب التشوه الناتج عن التغيرات في درجة الحرارة. يتم تقوية طبقات النحاس أو إضافة أضلاع تعزيز إضافية في المناطق الحوافية أو مناطق تحمل القوى لتعزيز مقاومة الانحناء والاهتزاز، مما يجعلها مناسبة للظروف القاسية مثل أنظمة المركبات والتحكم الصناعي.

· العزل والقدرة على تحمل الجهد:

قم بتعديل تباعد خطوط النحاس السميكة وفقًا لمتطلبات جهد التحمل للمعدات. في الحالات عالية الجهد، قم بزيادة التباعد بشكل إضافي وفقًا لمعيار العزل IPC-2221. تتكون لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات ذات النحاس السميك من مواد عازلة مقاومة للجهد العالي لمنع حدوث فشل بين الطبقات.

· تحسين التكلفة:

يتم استخدام النحاس السميك فقط في المناطق الرئيسية التي تمر فيها تيارات عالية وتتطلب تبديد حرارة عالي، مع الاحتفاظ بسماكة النحاس القياسية في المناطق غير الأساسية لتحقيق توازن بين الأداء والتكلفة. يجب إعطاء الأولوية لاستخدام حلول العمليات الناضجة لتبسيط الهياكل المعقدة وتقليل خسائر العائد أثناء الإنتاج

· عرض الخط والتباعد

يمثل عرض وتباعد أسلاك النحاس عوامل رئيسية. يجب إجراء التحسين بناءً على متطلبات التيار الكهربائي وقدرة التوزيع الشامل للوحة الدوائر المطبوعة.

· استخدام ثقوب توصيل الحرارة وبads توصيل الحرارة

يمكن أن يؤدي إضافة ثقوب موصلة حراريًا ووسادات موصلة حراريًا في التصميم إلى تحسين تأثير التبريد. تساعد هذه التصاميم في تبديد الحرارة من النقاط الساخنة على اللوحة الدوائر المطبوعة، وبالتالي تحسين التبريد الكلي. الإدارة.

بسبب الطبقة النحاسية السميكة وحالات الاستخدام الخاصة، يجب أن تغطي فحوصات واختبارات لوحات الدوائر المطبوعة ذات النحاس الثقيل (لوحات الدوائر النحاسية السميكة) ثلاثة أبعاد رئيسية: جودة العملية، الأداء الكهربائي، و الموثوقية. وتشمل المحتويات الأساسية ما يلي:

فحص المظهر والعيوب العملية

· جودة طبقة النحاس: التحقق من وجود تشققات أو تقشر أو أكسدة في الطبقة النحاسية السميكة، والتأكد من عدم وجود شوائب على حواف الخطوط ناتجة عن نقش غير متساوٍ (يجب أن تتوافق مع معيار IPC-A-600)،

· الوسادات والثقوب: التحقق من استواء وتماسك الوسادات، وما إذا كانت سماكة طبقة النحاس على جدران الثقوب تفي بالمعايير، وما إذا كانت هناك فراغات أو ثقوب غير محاذاة.

· تشوه سطح اللوحة: قم بقياس تقوس لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) (حيث تكون لوحات الدوائر المطبوعة ذات الطبقة النحاسية السميكة عرضة للتقوس بسبب إجهاد طبقة النحاس، ويجب التحكم في هذا التقوس ضمن حدود 0.75%)، وتحقق من وجود تقشر أو فقاعات.

· الدقة الأبعادية: تحقق من الأبعاد الرئيسية مثل عرض الخطوط والمسافات بينها وقطر الثقوب للتأكد من مطابقتها لمخططات التصميم (يجب أن يكون الخطأ بعد تعويض النقش للخطوط النحاسية السميكة ≤±0.05 مم).

اختبار الأداء الكهربائي

· اختبار التوصيل والعزل (اختبار الجهد العالي Hi-Pot): يتم اكتشاف العزل بين الخطوط باستخدام جهاز اختبار عزل عالي الجهد، لمنع حدوث تفريغ كهربائي نتيجة المسافات غير الكافية بين طبقات النحاس السميكة. تحقق من التوصيلية و استكشاف أخطاء الدوائر المفتوحة والدوائر القصيرة وإصلاحها؛

· اختبار قدرة التحمل الكهربائي: طبّق التيار المقنن في ظروف عمل حقيقية مستمدة، وراقب ارتفاع درجة حرارة الدائرة (للوحات الدوائر المطبوعة ذات الطبقة النحاسية السميكة، يجب أن يكون ارتفاع درجة الحرارة عند التيار المقنن ≤20℃)، و تأكيد أنه لا توجد مخاطر من ارتفاع درجة الحرارة أو الانصهار.

· اختبار العكامة: استخدام محلل عكامة للكشف عن العكامة المميزة للخط الإشارة عالية التردد، للتأكد من أن تأثير الطبقة النحاسية السميكة على العكامة يفي بمتطلبات التصميم (الخطأ ≤±10%);

· اختبار هبوط الجهد: قياس هبوط جهد الخط أثناء نقل تيار عالي للتحقق من ميزة المقاومة المنخفضة للطبقة النحاسية السميكة وتجنب فقدان الجهد الذي قد يؤثر على أداء المعدات.

الفحص البصري الآلي (AOI)

يستفيد الفحص البصري الآلي (AOI) من تقنية تصوير متقدمة لكشف العيوب التي قد لا تكون مرئية بالعين المجردة.

· التصوير عالي الدقة: يقوم نظام الفحص البصري الآلي (AOI) بالتقاط صور عالية الدقة للكوادر المطبوعة (PCB) ويقارنها مع المواصفات التصميمية.

· كشف العيوب: يمكن لهذا النظام تحديد المشكلات تلقائيًا مثل الدوائر القصيرة، والدوائر المفتوحة، وترقق المسارات، وعدم المحاذاة.

· الدقة: توفر فحص الاعتراض البصري (AOI) دقة عالية، مما يضمن اكتشاف ومعالجة أصغر العيوب.

اختبار الاعتمادية

· اختبار التغير الحراري الدوري: إجراء اختبار دوري ضمن مدى حرارة يتراوح بين -40 ℃ إلى 125℃ (≥1000 مرة) للتحقق من استقرار الربط بين طبقة النحاس السميكة والركيزة والأقراص، دون حدوث تشققات أو تقشر.

· اختبار الصدمة الحرارية: التبديل السريع بين بيئات ذات درجات حرارة منخفضة وعالية (فرق درجة حرارة ≥80℃) للتحقق من مقاومة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للتغيرات المفاجئة في درجة الحرارة، وهو مناسب للمشاهد القاسية مثل تطبيقات السيارات و التحكم الصناعي.

· اختبار الاهتزاز والمتانة الميكانيكية: محاكاة الاهتزاز (بتردد يتراوح بين 5~500 هرتز) والصدمات أثناء النقل والاستخدام للتحقق من عدم انقطاع الدائرة النحاسية السميكة وعدم سقوط الثقوب الانتقالية.

· اختبار مقاومة التآكل: التحقق من مقاومة الأكسدة ومقاومة التآكل لطبقة النحاس السميكة من خلال اختبار الرش الملحى (رش ملحي متعادل، من 48 إلى 96 ساعة) أو اختبار الرطوبة والحرارة (85℃/85% RH، 1000 ساعة).

· اختبار موثوقية اللحام: بعد إتمام عملية اللحام السطحي (SMT) أو لحام الثقوب، يتم فحص قوة الالتصاق بين الوصلات اللحامية وألواح النحاس السميكة، والتأكد من عدم وجود لحام كاذب أو انفصال (يمكن تحليل البنية المجهرية للوصلات اللحامية من خلال المقاطع المعدنية).

التحقق من الأداء الخاص

· اختبار أداء التبريد: تم الكشف عن توزيع درجة الحرارة على اللوحة الدوائرية تحت ظروف الحمل الكامل باستخدام جهاز مسح حراري للتحقق من فعالية تبديد الحرارة لطبقة النحاس السميكة.

· اختبار مقاومة الاشتعال: بالنسبة لسيناريوهات التطبيق عالية القدرة، يتم اختبار درجة مقاومة الاشتعال للوحة الدوائر وفقًا لمعايير UL94 (يجب أن تصل على الأقل إلى المستوى V-0);

· اختبار الالتصاق: يتم اعتماد اختبار الشبكة المئوية أو اختبار الشد للتحقق من التصاق طبقة النحاس السميكة بالركيزة (≥1.5 نيوتن/مم).

تُستخدم لوحات الدوائر المطبوعة بالنحاس السميك، بفضل قدرتها العالية على حمل التيار، وتفريغ الحرارة بكفاءة، وقوتها الميكانيكية العالية، بشكل رئيسي في المجالات التي تتطلب نقل تيارات كبيرة، أو إخراج طاقة عالية، أو ظروف عمل قاسية. تشمل السيناريوهات الأساسية ما يلي:

في مجال مركبات الطاقة الجديدة

المكونات الأساسية: شاحن السيارة، نظام إدارة البطارية، وحدة تحكم المحرك، محول التيار المستمر/المستمر، وحدة وحدة الشحن.

سبب الاستخدام: تحتاج إلى تحمل تيارات كبيرة (عشرات إلى مئات الأمبير)، والعمل في درجات حرارة مرتفعة ومنخفضة بالتناوب، بالإضافة إلى الاهتزازات. يمكن للوحات الدوائر المطبوعة بالنحاس السميك ضمان انتقال طاقة مستقر وتفريغ حراري فعال، وما يجعلها مناسبة للبيئة القاسية للمركبات.

التحكم الصناعي والمعدات الكهربائية

المكونات الأساسية: محول التردد، مشغل الخدمة، مصدر طاقة UPS، وحدة الطاقة الصناعية، لوحة تحكم خزانة توزيع الجهد العالي، لوحة التحكم الرئيسية لجهاز اللحام الكهربائي.

سبب الاستخدام: تحتاج معدات التحكم الصناعية غالبًا إلى إخراج طاقة عالي. يمكن لوحات الدوائر المطبوعة ذات النحاس السميك أن تقلل من فقد المقاومة في الخطوط، وتمنع ارتفاع درجة الحرارة، وفي الوقت نفسه تقاوم الاهتزازات الميكانيكية والتداخل الكهرومغناطيسي، مما يعزز موثوقية المعدات. تحسين موثوقية المعدات.

مجال المعدات الطبية

المكونات الأساسية: مصادر طاقة طبية، وحدات طاقة أجهزة التنفس، لوحات تحكم لأدوات الجراحة الكهربائية.

سبب الاستخدام: للمعدات الطبية متطلبات عالية جدًا فيما يتعلق باستقرار وأمان مصدر الطاقة. يمكن لوحات الدوائر المطبوعة ذات النحاس السميك تحقيق انخفاض منخفض في الجهد وتفريغ حراري عالي، وتلبية معايير العزل الصارمة والقدرة على تحمل الجهد الخاصة بصناعة المعدات الطبية. معايير صناعة المعدات الطبية.

مجالات الطيران والفضاء والصناعات العسكرية

المكونات الأساسية: نظام إمداد الطاقة الجوي، وحدة إطلاق الرادار، لوحة تحكم الصواريخ، وحدة إمداد طاقة الأقمار الصناعية.

سبب الاستخدام: للتكيف مع درجات الحرارة القصوى والاهتزازات الشديدة وبيئات الإشعاع، فإن قوة اللوحات المطبوعة ذات الطبقة النحاسية السميكة العالية والمدى الكهربائي المستقر يمكن أن تضمن التشغيل الطبيعي للمعدات في الظروف القاسية.

المعدات الاستهلاكية عالية القدرة والتجارية

المكونات الأساسية: عاكس طاقة التخزين، عاكس الطاقة الشمسية، لوحة تحكم الأجهزة المنزلية عالية القدرة (مثل الطباخات الحثية، الأفران الكهربائية)، وحدة طاقة مركز البيانات.

سبب الاستخدام: تولد المعدات عالية القدرة حرارة كبيرة والتيار عالي، ويمكن للوحات المطبوعة ذات الطبقة النحاسية السميكة أن تُبدّد الحرارة بسرعة، وتمنع حدوث زيادة في الحمل والاحتراق، وتمدد عمر خدمة المعدات.

مجال النقل بالسكك الحديدية

المكونات الأساسية: محول الجر للقطار، نظام تزويد الطاقة على المسار، وحدة التحكم بالإشارة.

سبب الطلب: تحتاج معدات النقل بالسكك الحديدية إلى تحمل الاهتزازات طويلة الأمد، ودرجات الحرارة العالية والمنخفضة، وصدمات التيار الكبيرة الناتجة عن عمليات البدء والإيقاف المتكررة. إن قدرة لوحات الدوائر المطبوعة ذات الطبقة النحاسية السميكة على نقل التيار والموثوقية الميكانيكية يمكن أن تلبي هذا الشرط. يمكن أن تلبي هذا الشرط.