Plošný spoj s tlustou měďí

Heavy Copper PCB, také známá jako tlustá měděná deska plošných spojů, je speciální typ DPS s tloušťkou měděné fólie ≥2 uncí (70 μm, což výrazně převyšuje 1 unci/35 μm u běžných DPS). Běžné specifikace se pohybují od 2 uncí až nad 10 uncí. Její základní vlastnosti jsou vyšší proudová zatížitelnost, odvod tepla a mechanická pevnost. Pro výrobu jsou vyžadovány speciální procesy elektrolytického pokovování a leptání, které zajišťují rovnoměrnost a přilnavost tlusté mědi vrstva. Ve srovnání s běžnými DPS mají těžké měděné DPS vyšší proudovou zatížitelnost (schopnost vést desítky až stovky ampér), vynikající odvod tepla a vyšší obtížnost výroby. Jsou hlavně používány ve scénářích, jako jsou napájecí zařízení, průmyslové frekvenční měniče, elektronické řídicí systémy pro vozidla nové energetiky a moduly napájení lékařských přístrojů, které vyžadují přenos velkého proudu, vysoký výkon nebo silné odvádění tepla. Běžné DPS jsou vhodné především pro spotřební elektroniku a zařízení s nízkým výkonem.

Klíčové výhody tlustých měděných DPS spočívají v jejich přizpůsobení pro aplikace s vysokým proudem a vysokým výkonem, což se konkrétně projevuje v následujících aspektech:

· Mimořádně vysoká proudová zatížitelnost:

Silná měděná vrstva (≥2 uncí) dokáže vést desítky až stovky ampér velkého proudu, což je mnohem lepší než u běžných DPS. Může splnit požadavky na přenos proudu výkonných výrobků, jako jsou napájecí zařízení a elektronické řídicí systémy nových vozidel s alternativním pohonem, a zabránit tak ohřevu a poškození vedení způsobenému přetížením proudu.

· Vynikající odvod tepla:

Měď má vynikající tepelnou vodivost. Silnější měděná vrstva je vynikajícím vodičem tepla a její účinnost odvodu tepla je mnohem vyšší než u standardních DPS. Ztlustlá měděná vrstva může rychle odvádět teplo vznikající při provozu obvodu, efektivně snižuje povrchovou teplotu desky, minimalizuje poškození součástek a obvodů způsobené tepelným stárnutím a zvyšuje stabilitu a životnost výrobku.

· Vyšší mechanická pevnost:

Další klíčovou výhodou vysokoměděných desek plošných spojů je jejich vyšší mechanická pevnost. Silná vrstva mědi zvyšuje fyzickou odolnost desky, činí ji odolnější vůči ohybu a nárazům a tím pádem lépe odolává mechanickému namáhání, jako je ohyb, vibrace a rázy. dokáže se přizpůsobit náročným pracovním podmínkám s častými vibracemi, jako jsou průmyslové řídicí zařízení nebo prostředí vozidel, a snižuje tak riziko přerušení vedení.

· Spolehlivost stabilní elektrické vodivosti

Silná měděná vrstva snižuje ztráty odporu při přenosu proudu, snižuje úbytek napětí a zajišťuje stabilitu přenosu signálu a energie v obvodu. Je zvláště vhodná pro lékařské přístroje a přesné průmyslové řídicí systémy s vysokými požadavky na přesnost napájení.

· Podpora integrovaného návrhu:

Umožňuje integrované uspořádání obvodů pro vysoké proudy a přesné signálové obvody, čímž se snižuje potřeba externích chladičů, bočníků a dalších součástek, zjednodušuje se konstrukce výrobku a zvyšuje využití prostoru.

· Prodloužená životnost

Vyšší proudová zatížitelnost, lepší řízení odvodu tepla a vyšší mechanická pevnost společně prodlužují životnost tlustých měděných desek plošných spojů. Tyto desky nejsou náchylné k tepelnému nebo mechanickému poškození, což zajišťuje jejich normální provoz po delší dobu. Tato spolehlivost je zásadní v aplikačních oblastech, kde je údržba nebo výměna obtížná a nákladná, například v leteckém a kosmickém průmyslu nebo v průmyslovém prostředí.

Vzhledem k velké tloušťce měděné vrstvy a zvláštním aplikačním scénářům desek s tlustou mědí je nutné při návrhu zohlednit elektrický výkon, výrobní proveditelnost a spolehlivost. Hlavní aspekty jsou následující:

· Výběr tloušťky mědi:

Specifikace tloušťky mědi by měla být stanovena na základě skutečné proudové zatížitelnosti a požadavků na odvod tepla zařízení, aby se předešlo nadměrnému návrhu a zvýšeným nákladům. Sladit tloušťku mědi ve spojení s šířkou vodivých drah a odkazovat se na normu IPC-2221 pro proudovou zatížitelnost, aby byly splněny požadavky na přenos špičkového proudu.

· Návrh trasy:

Obvody s vysokým proudem je třeba rozšířit a zesílit, aby nedošlo k přehřátí způsobenému nadměrnou proudovou hustotou. V místech přechodů mezi jemnoplošnými součástkami a silnoproudými měděnými obvody provádět postupné přechody, aby se snížily náhlé změny impedance. Během celého procesu se vyhýbejte ostrým úhlům obvodů, abyste předešli nerovnoměrnému leptání nebo hromadění elektrických polí, které mohou způsobit průraz.

· Návrh odvodu tepla:

U klíčových míst s výrazným vytvářením tepla naplánujte zesílené měděné plochy pro odvod tepla nebo rezervujte teplovodivé podložky pro připojení k externím chladicím zařízením. Teplo je rozváděno prostřednictvím více silných měděných vrstev, aby se zabránilo hromadění tepla na jednom místě. Průchody pro vysoký proud používají metalizované zesílené provedení nebo paralelní uspořádání více děr pro lepší odvod tepla.

· Návrh přechodů a spojů:

Hrubé měděné vývody zvětšují průměr otvoru a zesilují měděnou vrstvu na stěně otvoru. V případě potřeby je třeba použít slepé nebo zapuštěné otvory nebo dutiny naplněné pryskyřicí, aby se zabránilo praskání stěny otvoru. Pájecí plošky pro součástky určené k osazení by měly být vhodně zvětšeny, aby se zajistila dostatečná pájecí adheze ke hrubé měděné vrstvě. Oblast vysokoproudého připojení se vyplní mědí namísto tenkých vodičů, aby se zlepšila stabilita vedení proudu.

· Řízení impedance:

Pomocí simulačních programů, jako jsou Altium a Cadence, se optimalizuje šířka vodiče, vzdálenost mezi vodiči a tloušťka dielektrika, aby se kompenzoval vliv hrubých měděných vrstev na charakteristickou impedanci vodiče. Vysokofrekvenční signální vodiče a hrubé měděné napájecí vodiče se uspořádají odděleně, aby se předešlo elektromagnetickému rušení.

· Kompatibilita procesu:

Vzhledem k tomu, že je charakteristické, že hliníkové rytiny jsou náchylné k bočním rytinám, je k zajištění přesnosti obvodu vyhrazeno množství kompenzace za rytiny. Aby se zabránilo velkým plochám nepřetržitého tlustého mědi, dodatečné drážky nebo mohou být přidány duté konstrukce, aby se zabránilo deformaci PCB. Připojení mezi podložkou a měděnou vrstvou má strukturu horké podložky, která zabraňuje falešnému pájení způsobenému koncentrací tepla během svařování.

· Mechanická spolehlivost:

Výše výše pro PCBS z tlustého mědi v kombinaci se strukturou instalace zařízení, aby se zabránilo deformaci způsobené změnami teploty. Na místě se přidávají ztloustnuté vrstvy mědi nebo další posilující žebra hrany nebo nosné plochy pro zvýšení odolnosti vůči ohýbání a vibracím, což je vhodné pro náročné pracovní podmínky, jako jsou vozidla a průmyslové řídicí systémy.

• izolace a odolnost napětí:

Upravte vzdálenost silných měděných vodičů podle požadavků na odolnost proti napětí zařízení. V případech vysokého napětí dále zvyšte vzdálenost v souladu s izolační normou IPC-2221. Vícevrstvé měděné desky plošných spojů jsou vyrobeny z dielektrických materiálů odolných proti vysokému napětí, aby se zabránilo průrazu mezi vrstvami.

· Optimalizace nákladů:

Silná měď se používá pouze v klíčových oblastech s vysokým proudem a vysokým odvodem tepla, zatímco v neklíčových oblastech se zachovává standardní tloušťka mědi, čímž se dosáhne rovnováhy mezi výkonem a náklady. Dávejte přednost použití osvědčených technologických řešení, která zjednodušují komplexní struktury a snižují ztráty výrobní kvality

· Šířka vodiče a vzdálenost

Šířka a vzdálenost měděných vodičů jsou klíčové faktory. Optimalizace musí být provedena na základě požadavků na vodivost proudu a celkového uspořádání desky plošných spojů.

· Použijte teplovodivé prégy a teplovodivé plošky

Přidání tepelně vodivých vrtaných kontaktů a tepelně vodivých podložek do návrhu může zlepšit odvod tepla. Tyto prvky pomáhají odvádět teplo z horkých míst na desce plošných spojů, čímž se zlepšuje celkový odvod tepla správa.

Z důvodu silné měděné vrstvy a speciálních aplikačních scénářů musí kontrola a testování tlustých měděných tištěných spojů (tlustoměděné DPS) pokrývat tři hlavní oblasti: kvalita výrobního procesu, elektrický výkon a spolehlivost. Hlavní obsahy jsou následující:

Kontrola vzhledu a výrobních vad

· Kvalita měděné vrstvy: Zkontrolujte, zda silná měděná vrstva nemá odloupnutí, praskliny, oxidaci a zda nejsou na okraji vodičů zažehlení způsobená nerovnoměrným leptáním (musí splňovat normu IPC-A-600);

· Plošky a vrtané kontakty: Ověřte rovinnost a přilnavost plošek, zda tloušťka měděné vrstvy na stěnách vrtaných kontaktů odpovídá normám a zda neobsahují dutiny nebo nepřesné vrtání.

· Deformace povrchu desky: Změřte vlnitost desky plošných spojů (tlusté měděné DPS jsou náchylné ke vzniku vlnitosti v důsledku napětí v měděné vrstvě, která by měla být omezena na 0,75 %) a zkontrolujte, zda nedošlo k odvrstvení nebo vzniku bublin.

· Přesnost rozměrů: Zkontrolujte klíčové rozměry, jako je šířka drážek, vzdálenosti a průměr otvorů, aby odpovídaly konstrukčním výkresům (chyba po kompenzaci leptání u tlustých měděných drah by měla být ≤ ±0,05 mm).

Test elektrických vlastností

· Test vodivosti a izolace (Hi-Pot test): Izolace mezi drahami se ověřuje pomocí vysokonapěťového izolačního testeru, aby se předešlo průrazu způsobenému nedostatečnou vzdáleností mezi tlustými měděnými vrstvami. Ověřte vodivost a odstraňte poruchy přerušeného a krátkého spoje;

· Test proudové zatížitelnosti: Přiveďte jmenovitý proud za simulovaných reálných provozních podmínek, sledujte nárůst teploty obvodu (u tlustých měděných DPS by nárůst teploty při jmenovitém proudu měl být ≤ 20 °C), a potvrďte, že nehrozí riziko přehřátí nebo tavení.

· Test impedance: Použijte analyzátor impedance k detekci charakteristické impedance vysokofrekvenční signální linky, aby bylo zajištěno, že vliv silné měděné vrstvy na impedanci splňuje návrhové požadavky (chyba ≤±10%);

· Test úbytku napětí: Změřte úbytek napětí na vodiči při přenosu vysokého proudu za účelem ověření výhody nízkého odporu silné měděné vrstvy a vyhněte se ztrátám napětí, které mohou ovlivnit výkon zařízení.

Automatická optická inspekce (AOI)

Automatická optická inspekce (AOI) využívá pokročilou zobrazovací technologii k detekci vad, které nemusí být pouhým okem viditelné.

· Vysoké rozlišení snímků: Systém AOI zachycuje snímky s vysokým rozlišením desky plošných spojů a porovnává je s návrhovými specifikacemi.

· Detekce vad: Tento systém může automaticky identifikovat problémy, jako jsou zkraty, přerušené obvody, zeslabování stop, a nesouosost.

· Přesnost: AOI nabízí vysokou přesnost, díky níž lze detekovat a odstranit i ty nejmenší vady.

Test spolehlivosti

· Zkouška tepelného cyklování: Cyklický test v rozsahu teplot od -40 ℃ do 125 ℃ (≥1000 cyklů) za účelem ověření stability spojení tlusté měděné vrstvy s podložkou a ploškami, bez odloupání nebo praskání.

· Zkouška tepelného rázu: Rychlé přepínání mezi vysokými a nízkými teplotami (rozdíl teplot ≥80 ℃) za účelem ověření odolnosti desky plošných spojů vůči náhlým změnám teploty, vhodné pro náročné podmínky, jako jsou automobilový průmysl a průmyslová regulace.

· Zkouška vibrací a mechanické pevnosti: Simulace vibrací (frekvence 5–500 Hz) a nárazů během přepravy a používání za účelem zjištění, zda nedošlo k přerušení tlusté měděné cesty nebo k vypadnutí přechodových děr.

· Test odolnosti proti korozi: Ověření odolnosti tlusté měděné vrstvy vůči oxidaci a korozi pomocí zkoušky postřikem solnou mlhou (neutral salt spray, 48 až 96 hodin) nebo zkoušky vlhkého tepla (85 ℃/85 % RH, 1000 hodin).

· Test spolehlivosti pájení: Po dokončení pájení SMT/přes díry ověřte pevnost spojení mezi pájenými spoji a tlustými měděnými ploškami a ujistěte se, že nedošlo k chybnému nebo odtrženému pájení (mikrostruktura pájených spojů může být analyzována pomocí metalografických řezů).

Ověření zvláštních vlastností

· Test výkonu odvádění tepla: Rozložení teploty desky plošných spojů (PCB) při plném zatížení je měřeno termokamerou za účelem ověření účinnosti odvádění tepla tlustou měděnou vrstvou.

· Test odolnosti proti hoření: Pro aplikace s vysokým výkonem se třída odolnosti proti hoření desky plošných spojů (PCB) zkouší podle norem UL94 (minimálně úroveň V-0);

· Zkouška přilnavosti: Pro ověření přilnavosti mezi vrstvou tlusté mědi a substrátem (≥1,5 N/mm) se používá zkouška mřížky nebo tahová zkouška.

Tištěné desky s plošnými spoji s tlustou mědí, které mají vysokou vodivost, vynikající odvod tepla a vysokou mechanickou pevnost, se hlavně používají v oblastech, kde je vyžadováno přenášení velkých proudů, vysoký výkon nebo náročné provozní podmínky. Základní scénáře jsou následující:

V oblasti vozidel na nové energetické zdroje

Klíčové komponenty: Nabíječka vozidla, systém řízení baterie, řídicí jednotka motoru, měnič DC/DC, modul nabíjecí stanice.

Důvod použití: Musí přenášet velké proudy (desítky až stovky ampér), odolávat střídavým vysokým a nízkým teplotám a vibracím. Desky s tlustou mědí zajišťují stabilní přenos energie a efektivní odvod tepla a jsou vhodné pro náročné prostředí vozidel.

Průmyslová automatizace a výkonová zařízení

Základní komponenty: frekvenční měnič, servozesilovač, záložní zdroj UPS, průmyslový výkonový modul, řídicí deska rozváděče vysokého napětí, hlavní řídicí deska svařovacího přístroje.

Důvod použití: Průmyslová řídicí zařízení často vyžadují vysoký výkon. Tlusté měděné desky plošných spojů mohou snížit ztráty odporu vedení, zabránit přehřívání a zároveň odolávat mechanickému otřesu a elektromagnetickému rušení, čímž se zvyšuje spolehlivost zařízení.

Oblast lékařské techniky

Základní komponenty: Lékařské zdroje, výkonové moduly pro ventilátory, řídicí desky elektrokauterizačních přístrojů.

Důvod použití: Lékařská zařízení mají extrémně vysoké požadavky na stabilitu a bezpečnost napájení. Tlusté měděné desky plošných spojů umožňují nízký úbytek napětí, vysoké odvádění tepla a splňují přísné izolační a vysokonapěťové normy lékařského průmyslu.

Oblast leteckého, kosmického a vojenského průmyslu

Klíčové komponenty: Napájecí systém na palubě, modul spouštění radaru, řídicí deska střely, jednotka napájení satelitu.

Důvod použití: Aby bylo možné přizpůsobit extrémním teplotám, silnému otřesům a radiacím prostředím, vysoká mechanická pevnost a stabilní elektrický výkon tlustých měděných desek plošných spojů zajišťují normální provoz zařízení za nepříznivých podmínek.

Výkonné spotřební a komerční zařízení

Klíčové komponenty: Módul úložiště energie, fotovoltaický měnič, řídicí deska pro výkonné domácí spotřebiče (např. indukční vařiče, elektrické trouby), napájecí modul datového centra.

Důvod použití: Výkonné zařízení vyvíjí velké množství tepla a má vysoký proud. Tlusté měděné desky plošných spojů rychle odvádějí teplo, zabraňují přetížení a přepálení obvodu a prodlužují životnost zařízení.

Oblast železniční dopravy

Klíčové komponenty: Tlumič trakčního měniče vlaku, kolejový napájecí systém, modul řízení signálu.

Důvod použití: Zařízení pro kolejovou dopravu musí odolávat dlouhodobému vibracím, vysokým a nízkým teplotám a častým nárazům velkého proudu při startu a zastavení. Nosná schopnost proudu a mechanická spolehlivost tlustých měděných desek plošných spojů může tuto požadavek splnit.