برد مدار چاپی با مس ضخیم

برد مدار چاپی مس سنگین، که به عنوان برد مدار چاپی مس ضخیم نیز شناخته می‌شود، نوع خاصی از برد مدار چاپی با ضخامت فویل مسی ≥2 اونس (70 میکرومتر، که بسیار بیشتر از 1 اونس/35 میکرومتر برد مدار چاپی متداول است) است. مشخصات رایج از 2 اونس تا بیش از 10 اونس متغیر است. ویژگی‌های اصلی آن عبارتند از توانایی هدایت جریان قوی‌تر، عملکرد پراکندگی حرارتی و استحکام مکانیکی بالاتر. برای تولید آن نیاز به فرآیندهای الکتروپلاستی و اچینگ خاصی است تا یکنواختی و چسبندگی مس ضخیم تضمین شود. لایه. در مقایسه با برد مدار چاپی معمولی، برد مدار چاپی مس ضخیم دارای توانایی بالاتری در عبور جریان (قابلیت عبور دادن جریان از ده‌ها تا صدها آمپر)، پراکندگی حرارت عالی و دشواری فرآیندی بیشتر است. این محصول عمدتاً در سناریوهایی مانند تجهیزات برقی، درایوهای کنترل صنعتی، سیستم‌های کنترل الکترونیکی خودروهای انرژی نو و ماژول‌های تغذیه تجهیزات پزشکی که به انتقال جریان بالا، خروجی توان بالا یا توانایی تبادل حرارت قوی نیاز دارند، به کار می‌رود. برد مدار چاپی معمولی عمدتاً برای الکترونیک مصرفی و دستگاه‌های کم‌توان مناسب است. برد مدار چاپی معمولی عمدتاً برای الکترونیک مصرفی و دستگاه‌های کم‌توان مناسب است.

مزایای اصلی برد مدار چاپی مس ضخیم در تطابق آن با سناریوهای جریان بالا و توان بالا خلاصه می‌شود که به طور خاص در جنبه‌های زیر نمایان است:

· توانایی حمل جریان فوق‌العاده قوی:

لایه ضخیم مس (≥2 اونس) می‌تواند جریان بزرگ ده‌ها تا صدها آمپر را تحمل کند که عملکردی بسیار بهتر از برد مدارهای معمولی (PCB) است. این ویژگی می‌تواند نیازهای انتقال جریان محصولات پرمصرف مانند تجهیزات برقی و سیستم‌های کنترل الکترونیکی خودروهای انرژی جدید را برآورده کند و از گرم شدن و سوختن خطوط ناشی از بار اضافی جریان جلوگیری نماید.

· عملکرد عالی در دفع گرما:

مس دارای هدایت حرارتی بسیار خوبی است. لایه ضخیم‌تر مس، رسانای عالی گرما بوده و بازدهی دفع گرمای آن بسیار بالاتر از برد مدارهای استاندارد است. لایه مس ضخیم‌تر می‌تواند گرمای تولیدشده در حین کارکرد مدار را به سرعت منتقل کند و به‌طور مؤثر دمای سطحی برد را کاهش دهد، آسیب‌های ناشی از پیری حرارتی به قطعات و مدارها را به حداقل برساند و پایداری و عمر مفید محصول را افزایش دهد. · استحکام مکانیکی بالاتر:

· استحکام مکانیکی بالاتر:

مزیت دیگر برد‌های مسی با محتوای بالا در استحکام مکانیکی بالاتر آن‌ها نهفته است. لایه ضخیم مس، استحکام فیزیکی برد مدار چاپی را افزایش داده و مقاومت بیشتری در برابر خم شدن و ضربه فراهم می‌کند و در نتیجه توانایی بیشتری در تحمل تنش‌های فیزیکی مانند خمش، ارتعاش و ضربه‌های مکانیکی دارد. این برد‌ها می‌توانند در شرایط سخت کاری با ارتعاشات مکرر مانند تجهیزات کنترل صنعتی و محیط‌های نصب روی وسایل نقلیه عملکرد مناسبی داشته باشند و خطر قطع شدن مسیر مدار را کاهش دهند.

· قابلیت اطمینان هدایت الکتریکی پایدار

لایه ضخیم مس، اتلاف مقاومتی در هنگام انتقال جریان را کاهش داده، افت ولتاژ را پایین می‌آورد و ثبات انتقال سیگنال و توان در مدار را تضمین می‌کند. این ویژگی به‌ویژه برای تجهیزات پزشکی و سیستم‌های کنترل صنعتی با نیاز دقیق به تغذیه الکتریکی مناسب است.

· پشتیبانی از طراحی یکپارچه:

این قابلیت امکان چیدمان یکپارچه مدارهای باجریان بالا و مدارهای سیگنال دقیق را فراهم می‌کند و نیاز به شاترهای خارجی، مقاومت‌های موازی و سایر قطعات جانبی را کاهش می‌دهد و بدین ترتیب ساختار محصول ساده‌تر شده و استفاده از فضا بهبود می‌یابد.

· افزایش عمر

ظرفیت بالاتر در حمل جریان، مدیریت بهتر دفع حرارت و استحکام مکانیکی قوی‌تر، به‌صورت مشترک عمر مفید برد مسی ضخیم (thick copper PCB) را افزایش می‌دهند. این بردها تمایل کمتری به آسیب‌های حرارتی یا مکانیکی دارند و بنابراین عملکرد عادی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند. این قابلیت اطمینان در زمینه‌های کاربردی که تعمیر یا تعویض دشوار و پرهزینه است، مانند محیط‌های هوافضا یا صنعتی، اهمیت حیاتی دارد. این قابلیت اطمینان در زمینه‌های کاربردی که تعمیر یا تعویض دشوار و پرهزینه است، مانند محیط‌های هوافضا یا صنعتی، اهمیت حیاتی دارد.

به دلیل ضخامت زیاد لایه مس و سناریوهای کاربردی خاص در برد‌های مس ضخیم، طراحی باید عملکرد الکتریکی، امکان‌پذیری فرآیند و قابلیت اطمینان را در نظر بگیرد. ملاحظات اصلی به شرح زیر است:

· انتخاب ضخامت مس:

مشخصات ضخامت مس باید بر اساس ظرفیت واقعی تحمل جریان و نیازهای دفع حرارت تجهیز تعیین شود تا از طراحی بیش از حد و افزایش هزینه‌ها جلوگیری شود. ضخامت مس را همراه با عرض خطوط تطبیق دهید و از استاندارد تحمل جریان IPC-2221 پیروی کنید تا اطمینان حاصل شود که نیازهای انتقال جریان پیک برآورده شده است.

· طراحی مسیرها:

مدارهای با جریان بالا باید برای جلوگیری از گرمایش بیش از حد ناشی از چگالی جریان بسیار زیاد، گسترده‌تر و ضخیم‌تر شوند. در محل اتصال مؤلفه‌های با گام ریز و مدارهای مسی ضخیم، انتقال تدریجی داشته باشید تا تغییرات ناگهانی امپدانس کاهش یابد. در تمام مراحل از مدارهای با زاویه‌های تیز پرهیز کنید تا از آب‌نشت نامنظم یا متمرکز شدن میدان الکتریکی که می‌تواند منجر به شکست عایق شود، جلوگیری شود.

· طراحی پراکندگی حرارت:

برای مناطق کلیدی که حرارت زیادی تولید می‌کنند، مناطق پراکندگی حرارت با مس ضخیم و یا صفحه‌های مسی را برنامه‌ریزی کنید، یا پدهای هدایت‌کننده حرارت را رزرو نمایید تا به دستگاه‌های خنک‌کننده خارجی متصل شوند. حرارت از طریق چندین لایه مسی ضخیم پراکنده می‌شود تا از تجمع محلی حرارت جلوگیری شود. در ویاهای با جریان بالا از طراحی فلزشده ضخیم یا چند سوراخ موازی استفاده شود تا پراکندگی حرارت بهبود یابد.

· طراحی ویا و اتصال:

ویاهای مسی ضخیم، قطر سوراخ را افزایش داده و لایه مسی روی دیواره سوراخ را ضخیم‌تر می‌کنند. در صورت لزوم، باید از سوراخ‌های کور یا مدفون یا پلاگرهای رزینی برای جلوگیری از ترک خوردن دیواره سوراخ استفاده شود. صفحات لحیم‌کاری قطعات فروبرنده باید به‌طور مناسب گسترش یابند تا چسبندگی لحیم‌کاری با لایه مسی ضخیم تضمین شود. منطقه اتصال جریان بالا با مس پر شده است نه با سیم‌های نازک، تا پایداری تحمل جریان افزایش یابد. منطقه اتصال جریان بالا با مس پر شده است نه با سیم‌های نازک، تا پایداری تحمل جریان افزایش یابد.

· کنترل امپدانس:

با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مانند Altium و Cadence، عرض خط، فاصله و ضخامت دی‌الکتریک بهینه‌سازی می‌شوند تا اثر لایه‌های مسی ضخیم بر امپدانس مشخصه خط خنثی شود. خطوط سیگنال با فرکانس بالا و خطوط برق مسی ضخیم به‌صورت جداگانه قرار می‌گیرند تا از تداخل الکترومغناطیسی جلوگیری شود. خطوط سیگنال با فرکانس بالا و خطوط برق مسی ضخیم به‌صورت جداگانه قرار می‌گیرند تا از تداخل الکترومغناطیسی جلوگیری شود.

· سازگاری فرآیند:

با توجه به این ویژگی که خراش روی مس ضخیم مستعد خراش جانبی است، مقدار جبران خراش را رعایت کنید تا دقت مدار تضمین شود. برای جلوگیری از وجود سطوح بزرگ مداوم از مس ضخیم، می‌توان شیارهای اضافی یا طراحی‌های توخالی اضافه کرد تا از تاب برداشتن برد مدار چاپی (PCB) جلوگیری شود. اتصال بین پد و لایه مس از ساختار پد گرم استفاده می‌کند تا از جوشکاری نادرست ناشی از تمرکز حرارت در حین لحیم‌کاری جلوگیری شود.

· قابلیت اطمینان مکانیکی:

برای برد‌های مدار چاپی با مس ضخیم، با در نظر گرفتن ساختار نصب تجهیزات، فضای انبساط را رعایت کنید تا از تغییر شکل ناشی از تغییرات دما جلوگیری شود. در لبه‌ها یا مناطق تحت فشار، لایه‌های مس ضخیم‌تر یا تقویت‌کننده‌های اضافی اضافه می‌شوند تا مقاومت در برابر خمش و ارتعاش افزایش یابد و این برد مناسب شرایط سخت کاری مانند خودروها و سیستم‌های کنترل صنعتی باشد. لایه‌های مس ضخیم‌تر یا تقویت‌کننده‌های اضافی در لبه‌ها یا مناطق تحت فشار اضافه می‌شوند تا مقاومت در برابر خمش و ارتعاش افزایش یابد و این برد مناسب شرایط سخت کاری مانند خودروها و سیستم‌های کنترل صنعتی باشد.

· عایق‌بندی و ولتاژ تحمل:

فاصله خطوط مس ضخیم را با توجه به الزامات ولتاژ مقاومت تجهیزات تنظیم کنید. در سناریوهای ولتاژ بالا، فاصله را مطابق با استاندارد عایق بندی IPC-2221 افزایش دهید. ضخامت چند لایه ای pCBS های مس از مواد ضد برق مقاوم به ولتاژ بالا ساخته شده اند تا از شکستن بین لایه ها جلوگیری شود.

· بهینه سازی هزینه:

تنها مس ضخیم در مناطق اصلی ازبخش جریان بالا و گرمای بالا استفاده می شود، در حالی که ضخامت مس استاندارد در مناطق غیر هسته ای برای تعادل عملکرد و هزینه حفظ می شود. اولویت دادن به استفاده از راه حل های فرآیند بالغ برای ساده سازی ساختارهای پیچیده و کاهش تولید از دست دادن بهره

· عرض خط و فاصله

عرض و فاصله سیم های مس عوامل کلیدی هستند. بهینه سازی باید بر اساس الزامات جریان حمل و ترتیب کلی PCB انجام شود.

· استفاده از لوله های رسانای گرما و پد های رسانای گرما

افزودن ویاهای رسانای حرارتی و پدهای رسانای حرارتی در طراحی می‌تواند اثر پراکندگی گرما را بهبود بخشد. این طراحی‌ها به دفع گرما از نقاط داغ روی برد مدار چاپی کمک می‌کنند و بدین ترتیب پراکندگی گرمای کلی را بهبود می‌بخشند مدیریت.

به دلیل لایه مس ضخیم و سناریوهای کاربردی خاص، بازرسی و آزمون برد مدار چاپی مس سنگین (بردهای مدار چاپی مس ضخیم) باید سه بعد اصلی را پوشش دهد: کیفیت فرآیند، عملکرد الکتریکی و قابلیت اطمینان. محتوای اصلی موارد زیر است:

بازرسی ظاهری و نقص‌های فرآیند

· کیفیت لایه مس: بررسی کنید که آیا لایه مس ضخیم دچار جدایش، ترک خوردگی، اکسیداسیون شده است و آیا بر اثر خوردگی نامنظم، دندانه یا برآمدگی در لبه خطوط وجود دارد (لازم است با استاندارد IPC-A-600 سازگار باشد);

· پدها و ویاها: صحت ندادن صافی و چسبندگی پدها، اینکه آیا ضخامت لایه مس روی دیواره ویاها با استانداردها مطابقت دارد و آیا حفره یا سوراخ‌های ناهمتراز وجود دارند.

· تغییر شکل سطح برد: میزان پیچش برد مدار چاپی (PCB) را اندازه‌گیری کنید (بردهای با لایه مس ضخیم به دلیل تنش لایه مس در معرض پیچش هستند که باید در حد 0.75% کنترل شود) و از لایه‌لایه شدن یا حباب‌های داخلی بررسی کنید.

· دقت ابعادی: ابعاد کلیدی مانند عرض خط، فاصله بین خطوط و قطر سوراخ‌ها را بررسی کنید تا اطمینان حاصل شود با نقشه‌های طراحی مطابقت دارند (خطای پس از جبران آبشاری برای خطوط مس ضخیم باید ≤±0.05 میلی‌متر باشد).

آزمون عملکرد الکتریکی

· آزمون هدایت و عایق‌بندی (آزمون Hi-Pot): عایق‌بندی بین خطوط با دستگاه آزمون عایق‌بندی با ولتاژ بالا بررسی می‌شود تا از شکست ناشی از فاصله ناکافی بین لایه‌های مس ضخیم جلوگیری شود. هدایت الکتریکی را بررسی کرده و عیب‌یابی قطعی مدار و اتصال کوتاه را انجام دهید؛

· آزمون ظرفیت تحمل جریان: جریان نامی را در شرایط کاری شبیه‌سازی‌شده اعمال کنید، افزایش دمای مدار را نظارت کنید (برای برد مدار چاپی با مس ضخیم، افزایش دما در جریان نامی باید ≤20℃ باشد)، و تأیید کنید که خطری از داغ شدن یا ذوب شدن وجود ندارد.

· آزمون امپدانس: از تحلیل‌گر امپدانس برای تشخیص امپدانس مشخصه خط سیگنال فرکانس بالا استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود که تأثیر لایه مس ضخیم بر امپدانس، الزامات طراحی (خطا) را برآورده می‌کند ≤±10%);

· آزمون افت ولتاژ: افت ولتاژ در خط در هنگام انتقال جریان بالا را اندازه‌گیری کنید تا مزیت مقاومت پایین لایه مس ضخیم تأیید شود و از افت ولتاژ که عملکرد تجهیزات را تحت تأثیر قرار می‌دهد، جلوگیری شود.

بازرسی نوری خودکار (AOI)

بازرسی نوری خودکار (AOI) از فناوری تصویربرداری پیشرفته برای تشخیص نقص‌هایی که ممکن است با چشم غیرمسلح دیده نشوند، استفاده می‌کند.

· تصویربرداری با وضوح بالا: سیستم AOI تصاویری با وضوح بالا از برد مدار چاپی (PCB) ثبت کرده و آنها را با مشخصات طراحی مقایسه می‌کند.

· تشخیص نقص: این سیستم به‌صورت خودکار می‌تواند مشکلاتی مانند اتصال کوتاه، مدار باز، نازک‌شدن ردیف‌ها (traces) و عدم تراز دقیق را شناسایی کند.

· دقت: AOI دقت بالایی ارائه می‌دهد و اطمینان حاکم است که حتی کوچک‌ترین نقص‌ها نیز قابل شناسایی و رفع هستند.

آزمون قابلیت اعتماد

· آزمون چرخه‌ای حرارتی: آزمون چرخه‌ای در محدوده دمایی 40- تا 125+ درجه سانتی‌گراد (≥1000 بار) جهت بررسی پایداری اتصال لایه مس ضخیم به بستر و پدها، بدون وقوع جدایش یا ترک.

· آزمون ضربه حرارتی: انتقال سریع بین محیط‌های دمایی بالا و پایین (اختلاف دمای ≥80 درجه سانتی‌گراد) جهت ارزیابی مقاومت برد مدار چاپی در برابر تغییرات ناگهانی دما، مناسب برای کاربردهای سخت‌گیرانه مانند خودرویی و کنترل صنعتی.

· آزمون ارتعاش و استحکام مکانیکی: شبیه‌سازی ارتعاش (فرکانس 5 تا 500 هرتز) و ضربه در حین حمل‌ونقل و استفاده، جهت بررسی اینکه آیا مدار مس ضخیم قطع شده یا اتصالات عبوری (vias) جدا شده‌اند یا خیر.

· آزمون مقاومت در برابر خوردگی: مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی لایه مس ضخیم را از طریق آزمون افشان نمک (نمک‌پاش خنثی، 48 تا 96 ساعت) یا آزمون رطوبت گرم (85℃/85% RH، 1000 ساعت) بررسی کنید.

· آزمون قابلیت اطمینان لحیم‌کاری: پس از تکمیل لحیم‌کاری SMT/سوراخ عبوری، استحکام چسبندگی بین اتصالات لحیمی و صفحه‌های مسی ضخیم را بررسی کرده و از عدم وجود لحیم‌کاری ناقص یا جدایش اطمینان حاصل کنید (ریزساختار اتصالات لحیمی را می‌توان از طریق مقاطع متالوگرافی تحلیل کرد).

تأیید عملکرد ویژه

· آزمون عملکرد دفع حرارت: توزیع دما در برد مدار چاپی (PCB) در شرایط بار کامل با استفاده از دوربین گرمایی اندازه‌گیری شده تا اثر دفع حرارت توسط لایه مس ضخیم تأیید گردد.

· آزمون مقاومت در برابر شعله: برای کاربردهای با توان بالا، رده مقاومت در برابر شعله برد مدار چاپی (PCB) بر اساس استاندارد UL94 آزمون می‌شود (حداقل به سطح V-0 برسد);

· آزمون چسبندگی: از آزمون شبکه صدگانه یا آزمون کششی برای تأیید چسبندگی بین لایه مس ضخیم و بستر (≥1.5N/mm) استفاده می‌شود.

بردهای مدار چاپی مس ضخیم، با قابلیت حمل جریان قوی، هدایت حرارتی عالی و استحکام مکانیکی بالا، عمدتاً در زمینه‌هایی که نیازمند انتقال جریان بالا، خروجی توان زیاد یا شرایط کاری سخت‌گیرانه هستند، به کار می‌روند. سناریوهای اصلی به شرح زیر است:

در حوزه وسایل نقلیه انرژی جدید

اجزای اصلی: شارژر داخل خودرو، سیستم مدیریت باتری، کنترل‌کننده موتور، مبدل DC/DC، ماژول دستگاه شارژ.

دلیل کاربرد: نیاز به تحمل جریان‌های بالا (ده‌ها تا صدها آمپر)، مقاومت در برابر دماهای متغیر بالا و پایین و لرزش‌ها دارد. برد مدار چاپی مس ضخیم می‌تواند انتقال توان پایدار و هدایت حرارتی کارآمد را تضمین کند، و برای محیط سخت خودرو مناسب است.

کنترل صنعتی و تجهیزات برقی

اجزای اصلی: مبدل فرکانس، درایو سروو، منبع تغذیه UPS، ماژول توان صنعتی، برد کنترل کابینت توزیع فشار قوی، برد کنترل اصلی دستگاه جوش الکتریکی.

دلیل کاربرد: تجهیزات کنترل صنعتی اغلب به خروجی توان بالا نیاز دارند. برد مسی ضخیم می‌تواند اتلاف مقاومت خط را کاهش دهد، از گرمایش بیش از حد جلوگیری کند و همزمان در برابر ارتعاشات مکانیکی و تداخل الکترومغناطیسی مقاومت کند و قابلیت اطمینان تجهیزات را افزایش دهد. تداخل الکترومغناطیسی، افزایش قابلیت اطمینان تجهیزات.

حوزه تجهیزات پزشکی

اجزای اصلی: منابع تغذیه پزشکی، ماژول‌های توان ونتیلاتور، برد کنترل ابزارهای جراحی الکتریکی.

دلیل کاربرد: تجهیزات پزشکی نیازهای بسیار بالایی در زمینه پایداری و ایمنی تغذیه دارند. برد مسی ضخیم می‌تواند افت ولتاژ پایین، توانایی دفع حرارت بالا را فراهم کند و استانداردهای سختگیرانه عایق‌بندی و تحمل ولتاژ صنعت پزشکی را برآورده کند.

حوزه‌های هوافضا و صنایع نظامی

اجزای اصلی: سیستم تغذیه برق هوایی، ماژول پرتاب رادار، برد کنترل موشک، واحد تغذیه برق ماهواره.

دلیل کاربرد: برای سازگاری با دماهای شدید، لرزش‌های قوی و محیط‌های تشعشعی، استحکام مکانیکی بالا و عملکرد الکتریکی پایدار برد‌های مسی ضخیم می‌تواند عملکرد عادی تجهیزات را در شرایط سخت تضمین کند در شرایط سخت.

تجهیزات مصرفی و تجاری با توان بالا

اجزای اصلی: اینورتر ذخیره‌سازی انرژی، اینورتر فتوولتائیک، برد کنترل وسایل برقی با توان بالا (مانند اجاق‌های القایی، اجاق‌های برقی)، ماژول تغذیه مرکز داده.

دلیل کاربرد: تجهیزات با توان بالا مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند و جریان بالایی دارند. برد‌های مسی ضخیم می‌توانند به سرعت گرما را پراکنده کنند، از اضافه‌بار شدن و سوختن مدار جلوگیری نمایند و عمر مفید تجهیزات را افزایش دهند.

حوزه حمل و نقل ریلی

اجزای اصلی: مبدل کشش قطار، سیستم تغذیه برق ریل، ماژول کنترل سیگنال.

دلیل کاربرد: تجهیزات حمل و نقل ریلی باید بتوانند در برابر ارتعاشات طولانی‌مدت، دماهای بالا و پایین و ضربه‌های جریان زیاد ناشی از راه‌اندازی و توقف مکرر مقاومت کنند. ظرفیت حمل جریان و قابلیت اطمینان مکانیکی برد‌های مسی ضخیم می‌تواند این نیاز را برآورده کند.