PCB ploča s debelim bakrom

PCB s teškim bakrom, poznat i kao PCB s debelim bakrom, posebna je vrsta PCB-a s debljinom bakrenog folija ≥2oz (70 μm, znatno više od 1oz/35μm konvencionalnih PCB-ova). Uobičajene specifikacije kreću se od 2oz do preko 10oz. Njegove osnovne značajke su jača sposobnost vođenja struje, performanse rasipanja topline i mehanička čvrstoća. Za proizvodnju su potrebni posebni postupci električnog taloženja i tračenja kako bi se osigurala jednolikost i adhezija debelog bakra sloj. U usporedbi s običnim tiskanim pločama, tiskane ploče s debelim bakrenim slojevima imaju jaču sposobnost vođenja struje (u stanju su prenijeti desetke do stotinu ampera struje), izvrsno rasipanje topline i veću težinu izrade. Uglavnom se primjenjuju u scenarijima poput električne opreme, industrijskih pretvarača frekvencije, elektroničkih upravljačkih sustava za vozila na obnovljivu energiju i modula napajanja medicinske opreme koji zahtijevaju prijenos velike struje, visoki izlaz snage ili jako rasipanje topline. Obične tiskane ploče najčešće su prikladne za potrošačku elektroniku i uređaje s niskom snagom.

Ključne prednosti tiskanih ploča s debelim bakrenim slojevima leže u njihovoj prilagodljivosti visokonaponskim i visokofrekventnim scenarijima, što se posebno ogleda u sljedećim aspektima:

· Izuzetno jaka sposobnost vođenja struje:

Debela bakrena sloj (≥2oz) može prenositi desetke do stotine ampera velike struje, što je daleko bolje od uobičajenih ploča za tiskane ploče. Može zadovoljiti zahtjeve prijenosa struje za visokosnažne proizvode poput energetske opreme i novih elektroničkih upravljačkih sustava za vozila na obnovljivu energiju te izbjeći zagrijavanje i oštećenje linija uzrokovano preopterećenjem struje.

· Izvrsna sposobnost rasipanja topline:

Bakar ima izvrsnu toplinsku vodljivost. Deblji bakreni sloj je izvrsan vodič topline, a njegova učinkovitost hlađenja znatno je veća od one standardnih ploča za tiskane ploče. Zadebljani bakreni sloj može brzo odvesti toplinu koja nastaje tijekom rada sklopa, učinkovito smanjujući površinsku temperaturu ploče, minimalizirajući oštećenja komponenti i sklopova uzrokovana termičkim starenjem te poboljšavajući stabilnost i vijek trajanja proizvoda.

· Veća mehanička čvrstoća:

Još jedna ključna prednost visokobakrenih ploča je veća mehanička čvrstoća. Debeli bakreni sloj povećava fizičku izdržljivost ploče, čineći je otpornijom na savijanje i udarce, te time sposobnijom za izdržavanje fizičkih naprezanja poput savijanja, vibracija i mehaničkih potresa. Može se prilagoditi teškim radnim uvjetima s učestalim vibracijama, kao što su industrijska upravljačka oprema i vozilski okviri, smanjujući rizik od prekida trasa.

· Pouzdana stabilna električna vodljivost

Debeli bakreni sloj smanjuje gubitke zbog otpora tijekom prijenosa struje, snižava pad napona i osigurava stabilnost prijenosa signala i energije u krugu. Posebno je pogodan za medicinsku opremu i precizne industrijske upravljačke sustave koji imaju visoke zahtjeve za točnošću napajanja.

· Podrška integriranom dizajnu:

Može postići integrirani raspored krugova s visokom strujom i preciznih signalnih krugova, smanjujući potrebu za vanjskim hladnjacima, šuntovima i drugim komponentama, pojednostavljujući strukturu proizvoda i poboljšavajući iskorištaj prostora.

· Produljenje vijeka trajanja

Veća nosivost struje, bolje upravljanje rasipanjem topline i veća mehanička čvrstoća zajedno produžuju vijek trajanja PCB-a s debelom bakrenom folijom. Ovi se PCB-ovi ne podliježu lako toplinskim ili mehaničkim oštećenjima, time osiguravajući njihovo normalno funkcioniranje tijekom duljeg vremenskog razdoblja. Ova pouzdanost od vitalnog je značaja u područjima primjene gdje su održavanje ili zamjena teški i skupi, poput svemirske ili industrijske okoline.

Zbog velike debljine bakrenog sloja i posebnih primjena debelih bakrenih pločica, dizajn mora uzeti u obzir električne performanse, izvodivost procesa i pouzdanost. Ključna razmatranja su sljedeća:

· Odabir debljine bakra:

Specifikacija debljine bakra treba se utvrditi na temelju stvarne sposobnosti vođenja struje i zahtjeva za hlađenje opreme kako bi se izbjeglo prekomjerno projektiranje i povećanje troškova. Uskladite debljinu bakra u kombinaciji s širinom trake i oslanjajte se na IPC-2221 standard za vođenje struje kako biste osigurali zadovoljavanje zahtjeva za prijenos vršne struje.

· Dizajn usmjeravanja:

Krugovi visokog napona trebaju biti prošireni i zadebljani kako bi se spriječilo pregrijavanje uzrokovano previsokom gustoćom struje. Na spojevima komponenti s finim korakom i krugovima od debelog bakra izvedite postepene prijelaze kako biste smanjili nagle promjene impedancije. Tijekom cijelog procesa izbjegavajte oštre kutove u krugovima kako biste spriječili neujednačeno trajanje ili koncentrirana električna polja koja mogu uzrokovati proboj.

· Dizajn rasipanja topline:

Za ključne toplinski opterećene zone planirajte rasipanje topline pomoću debelog bakra i područja za nanošenje bakra, ili predvidite termičke podloge za povezivanje s vanjskim hladnjacima. Toplina se rasipa kroz više slojeva debelog bakra kako bi se spriječilo lokalno nakupljanje topline. Vodovi za velike struje imaju metalizirane zadebljane spojeve ili dizajn s paralelnim višestrukim rupama radi poboljšanja rasipanja topline.

· Dizajn vodova i spojeva:

Debela bakrena vija povećavaju promjer otvora i debljinu bakrene sloja na zidu otvora. Ako je potrebno, treba koristiti slijepo zakopane otvore ili otvore s punjenjem smolom kako bi se spriječilo pucanje zida otvora. Pločice za lemljenje utikačkih komponenti treba odgovarajuće uvećati kako bi se osigurala dobra adhezija lemljenja s debelim bakrenim slojem. Područje za priključak velikih struja ispunjeno je bakrom umjesto tankim vodičima radi povećanja stabilnosti prijenosa struje.

· Kontrola impedancije:

Pomoću simulacijskog softvera poput Altiuma i Cadence optimiziraju se širina trake, razmak i debljina dielektrika kako bi se neutralizirao utjecaj debelih bakrenih slojeva na karakterističnu impedanciju trake. Vodovi visokofrekventnih signala i debeli bakreni vodovi za napajanje postavljeni su odvojeno kako bi se izbjeglo elektromagnetsko smetanje.

· Kompatibilnost procesa:

S obzirom na karakteristiku da je kod graviranja debele bakrene folije sklonost bočnom graviranju, predviđena je kompenzacijska količina za osiguravanje točnosti električne veze. Kako bi se izbjegle velike površine kontinuirano debele bakrene folije, mogu se dodati dodatne žljebove ili konstrukcije s izdubljenim dijelovima kako bi se spriječilo izobličenje PCB-a. Veza između metalizirane ploče i bakrenog sloja koristi vruću ploču kako bi se spriječilo loše lemljenje uzrokovano koncentracijom topline tijekom lemljenja.

· Mehanička pouzdanost:

Rezervirati dopuštenje za proširenje za PCB-ove s debelom bakrenom folijom u kombinaciji s konstrukcijom postavljanja opreme kako bi se izbjeglo izobličenje uzrokovano promjenama temperature. Podebljani bakreni slojevi ili dodatne ojačane rebra dodaju se na rubove ili područja koja preuzimaju opterećenje kako bi se poboljšala otpornost na savijanje i vibracije, što ih čini prikladnim za teške radne uvjete poput vozila i industrijskih upravljačkih sustava.

· Izolacija i izdrživi napon:

Prilagodite razmak debljih bakrenih traka prema zahtjevima za izdrživi napon opreme. U slučajevima visokog napona, dodatno povećajte razmak u skladu sa standardom za izolaciju IPC-2221. Višeslojne pločice s debljim bakrom izrađene su od dielektričnih materijala otpornih na visoki napon kako bi se spriječio proboj između slojeva.

· Optimizacija troškova:

Deblji bakar se koristi samo u ključnim područjima s visokom strujom i velikim odvođenjem topline, dok se u ne-ključnim područjima zadržava standardna debljina bakra kako bi se izbalansirala učinkovitost i cijena. Dajte prednost korištenju zrelih procesnih rješenja kako biste pojednostavili složene strukture i smanjili gubitke u proizvodnji

· Širina i razmak traka

Širina i razmak bakrenih vodova su ključni faktori. Optimizacija se mora provesti na temelju zahtjeva za vođenje struje i ukupne raspodjele na pločici.

· Koristite termičke vodove i termičke podloge

Dodavanjem termički vodljivih vijaka i termički vodljivih podloga u dizajn može se poboljšati učinak rasipanja topline. Ovi dizajni pomažu u odvođenju topline s vrućih točaka na ploči za tiskane sklopove (PCB), čime se poboljšava ukupno hlađenje upravljanje.

Zbog debele bakrene sloja i posebnih slučajeva uporabe, provjera i testiranje tiskanih ploča s debelim bakrenim slojem (ploče s debelim bakrom) mora obuhvatiti tri glavna aspekta: kvalitetu procesa, električne performanse i pouzdanost. Glavni sadržaji su sljedeći:

Provjera izgleda i pogrešaka u procesu

· Kvaliteta bakrenog sloja: Provjerite ima li odljepljivanja, pukotina ili oksidacije na debelom bakrenom sloju te postoje li žuljevi na rubu trasa zbog neujednačenog traženja (mora zadovoljiti standard IPC-A-600);

· Pločice i vijci: Provjerite ravnotežu i prianjanje pločica, ispunjava li debljina bakrenog sloja na zidovima vijaka propisane standarde te postoje li praznine ili pomaknuti otvori.

· Deformacija površine ploče: Izmjerite izobličenje tiskane ploče (PCB s debelom bakrenom folijom skloni su izobličenju zbog napetosti bakrenih slojeva, što treba kontrolirati unutar 0,75%) i provjerite ima li odvajanja slojeva ili mjehurića.

· Točnost dimenzija: Provjerite ključne dimenzije poput širine trake, razmaka i promjera rupa kako biste osigurali sukladnost s tehničkim crtežima (pogreška nakon kompenzacije za debelu bakrenu foliju treba biti ≤±0,05 mm).

Test električnih svojstava

· Test vodljivosti i izolacije (Hi-Pot test): Izolacija između traka otkriva se pomoću visokonaponskog izolacijskog testera kako bi se spriječio proboj uzrokovani nedovoljnim razmakom između debelih bakrenih slojeva. Provjerite vodljivost i otklonite otvorene strujne krugove i kratke spojeve;

· Test nosivosti struje: Dovod navedene struje pod uvjetima simuliranog stvarnog rada, nadzor porasta temperature u strujnom krugu (za PCB s debelom bakrenom folijom, porast temperature pri nazivnoj struji treba biti ≤20℃), i potvrdite da ne postoji opasnost od pregrijavanja ili topljenja.

· Testiranje impedancije: Upotrijebite analizator impedancije za otkrivanje karakteristične impedancije visokofrekventne signalne linije kako bi se osiguralo da utjecaj sloja debele bakrene folije na impedanciju zadovoljava projektne zahtjeve (pogreška ≤±10%);

· Test padova napona: Izmerite pad napona na vodi pri prijenosu velikih struja kako biste potvrdili prednost niske otpornosti sloja debele bakrene folije i izbjegli gubitak napona koji može utjecati na rad opreme.

Automatska optička inspekcija (AOI)

Automatska optička inspekcija (AOI) koristi napredne tehnologije snimanja za otkrivanje grešaka koje mogu biti nevidljive golim okom.

· Snimanje visoke rezolucije: AOI sustav stvara slike visoke rezolucije tiskane ploče i uspoređuje ih s projektanskim specifikacijama.

· Otkrivanje grešaka: Ovaj sustav može automatski prepoznati probleme poput kratkih spojeva, prekida u vodovima, užanjivanja trasa i neispravnog poravnanja.

· Točnost: AOI nudi visoku točnost, osiguravajući da se čak i najmanji nedostaci mogu otkriti i otkloniti.

Test pouzdanosti

· Test termičkog cikliranja: Ciklični test u rasponu temperatura od -40 ℃ do 125℃ (≥1000 puta) kako bi se provjerila stabilnost prianjanja debelog bakrenog sloja na podlogu i kontaktne površine, bez odvajanja ili pucanja.

· Test termičkog šoka: Brzo prebacivanje između visokih i niskih temperatura (razlika temperature ≥80℃) kako bi se potvrdila otpornost PCB-a na nagle promjene temperature, prikladno za ekstremne uvjete poput automobilske i industrijske kontrole.

· Test vibracija i mehaničke čvrstoće: Simulacija vibracija (frekvencija 5~500Hz) i udara tijekom transporta i uporabe kako bi se provjerilo je li debeli bakreni krug prekinut te jesu li prolazi otpali.

· Test otpornosti na koroziju: Provjerite otpornost na oksidaciju i koroziju sloja debele bakrene prevlake putem testa prskanja slanom vodom (neutralni test prskanjem slane vode, 48 do 96 sati) ili testa vlažnog toplinskog opterećenja (85℃/85% RH, 1000 sati).

· Test pouzdanosti lemljenja: Nakon završetka SMT/lemilnog postupka kroz otvore, provjerite čvrstoću veze između lemljenih spojeva i debelih bakrenih pločica te osigurajte da ne postoji nepotpuno ili loše lemljenje (mikrostruktura lemljenih spojeva može se analizirati pomoću metalografskih presjeka).

Provjera posebnih performansi

· Test performansi hlađenja: Termalnim uređajem za snimanje registrirana je raspodjela temperature na pločici PCB pod punim opterećenjem kako bi se potvrdio učinak hlađenja debelog bakrenog sloja.

· Test otpornosti na zapaljenje: Za scenarije primjene s visokom snagom, otpornost na zapaljenje pločice PCB testira se u skladu sa standardima UL94 (najmanje na razini V-0);

· Test prianjanja: Stotinski test ili vlakni test koristi se za provjeru prianjanja između sloja debele bakrene folije i podloge (≥1,5 N/mm).

Ploče s tiskanim krugovima s debelom bakrenom folijom, zbog svoje velike nosivosti struje, izvrsnog odvođenja topline i visoke mehaničke čvrstoće, primjenjuju se uglavnom u područjima koja zahtijevaju prijenos velikih struja, visok izlaz snage ili teške radne uvjete. Ključne primjene su sljedeće:

U području vozila na obnovljivu energiju

Ključni komponenti: punjač u vozilu, sustav za upravljanje baterijom, upravljač motora, DC/DC pretvarač, modul za punjenje.

Razlog primjene: Potrebno je prenositi velike struje (desetke do stotine ampera), izdržavati izmjenične visoke i niske temperature te vibracije. Ploče s debelom bakrenom folijom osiguravaju stabilan prijenos energije i učinkovito odvođenje topline, te su prilagođene teškim uvjetima u vozilima.

Industrijska regulacija i energetska oprema

Osnovni sastojci: pretvarač frekvencije, servo pogon, UPS napajanje, industrijski energetski modul, ploča upravljačke kutije za visoki napon, glavna upravljačka ploča za električno zavarivanje.

Razlog primjene: Industrijska upravljačka oprema često zahtijeva visok izlaz snage. PCB-ovi s debelim bakrom mogu smanjiti gubitke zbog otpora vodova, spriječiti pregrijavanje, te istovremeno otporiti mehaničkim vibracijama i elektromagnetskim smetnjama, čime se povećava pouzdanost opreme.

Područje medicinske opreme

Osnovni sastojci: Medicinska napajanja, moduli napajanja za ventilatore, upravljačke ploče za elektrokirurške instrumente.

Razlog primjene: Medicinska oprema postavlja izuzetno visoke zahtjeve za stabilnošću i sigurnošću napajanja. PCB-ovi s debelim bakrom mogu postići nizak pad napona, visoku rasipanje topline i zadovoljiti stroge standarde izolacije i izdržljivosti na napon medicinske industrije.

Područja zrakoplovne i vojne industrije

Ključni sastojci: Zračni sustav napajanja, radar modul lansiranja, ploča za upravljanje raketama, jedinica za napajanje satelita.

Razlog primjene: Kako bi se prilagodili ekstremnim temperaturama, jakim vibracijama i zračenju, velika mehanička čvrstoća i stabilne električne performanse PCB ploča s debelim bakrom osiguravaju normalno funkcioniranje opreme u teškim uvjetima.

Visokosnaga potrošačka i komercijalna oprema

Ključni sastojci: Invertor za pohranu energije, fotonaponski invertor, ploča za upravljanje visokosnapnim kućanskim aparatima (kao što su indukcijski kuhalnici, električne pećnice), modul napajanja za podatkovni centar.

Razlog primjene: Visokosnapna oprema proizvodi puno topline i ima visoku struju. PCB ploče s debelim bakrom mogu brzo odvesti toplinu, spriječiti preopterećenje i pregrijavanje kruga te produžiti vijek trajanja opreme.

Područje željezničkog prijevoza

Ključni sastojci: Pretvarač vučnog motora vlaka, sustav napajanja tračnica, modul za upravljanje signalima.

Razlog za primjenu: Oprema za željeznički prijevoz mora izdržati dugotrajne vibracije, visoke i niske temperature te česte udare velikih struja prilikom pokretanja i zaustavljanja. Nosivost struje i mehanička pouzdanost PCB ploča s debelim bakrom može zadovoljiti ovaj zahtjev.