PCB cu Straturi Groase de Cupru

PCB cu cupru gros, cunoscut și sub numele de PCB cu cupru gros, este un tip special de PCB cu o grosime a foliei de cupru de ≥2oz (70μm, depășind cu mult 1oz/35μm al PCB-urilor convenționale). Specificațiile comune variază de la 2oz la peste 10oz. Caracteristicile sale principale sunt capacitatea mai mare de transport a curentului, performanța de disipare a căldurii și rezistența mecanică. Pentru producție sunt necesare procese speciale de electroplacare și gravare pentru a asigura uniformitatea și aderența cuprului gros strat. În comparație cu PCB-urile obișnuite, PCB-urile cu cupru gros au o capacitate mai mare de transport al curentului (capabile să transporte zeci până la sute de amperi), o disipare excelentă a căldurii și o dificultate tehnologică mai ridicată. Sunt în principal utilizate în scenarii precum echipamentele electrice, convertoarele de frecvență pentru control industrial, sistemele electronice de control pentru vehiculele electrice, modulele de alimentare pentru echipamente medicale care necesită transmiterea unui curent mare, o putere ridicată sau o disipare termică puternică. PCB-urile obișnuite sunt potrivite în special pentru electronica de consum și dispozitivele cu putere redusă.

Principalele avantaje ale PCB-urilor cu cupru gros se concentrează asupra adaptabilității acestora în scenariile cu curent și putere înalte, reflectate în mod specific în următoarele aspecte:

· Capacitate de transport a curentului extrem de ridicată:

Stratul gros de cupru (≥2 oz) poate transporta zeci până la sute de amperi de curent mare, ceea ce este mult superior față de PCB-urile obișnuite. Poate satisface cerințele de transmitere a curentului pentru produsele de putere mare, cum ar fi echipamentele electrice și noile sisteme electronice de control pentru vehicule energetice, evitând încălzirea și arderea liniilor cauzate de suprasarcina curentului.

· Performanță excelentă de disipare a căldurii:

Cuprul are o conductivitate termică excelentă. Un strat mai gros de cupru este un conductor termic excelent, iar eficiența sa de disipare a căldurii este mult mai ridicată decât aceea a PCB-urilor standard. Stratul îngroșat de cupru poate conduce rapid căldura generată în timpul funcționării circuitului, reducând eficient temperatura suprafeței plăcii, minimizând deteriorarea componentelor și circuitelor cauzată de învechirea termică și sporind stabilitatea și durata de viață a produsului.

· Rezistență mecanică mai mare:

Un alt avantaj important al PCB-urilor cu conținut ridicat de cupru constă în rezistența lor mecanică superioară. Stratul gros de cupru sporește rezistența fizică a PCB-ului, făcându-l mai puțin predispus la îndoire și impact, ceea ce îi conferă o capacitate sporită de a suporta stresuri fizice precum îndoirea, vibrațiile și șocurile mecanice. Poate adapta la condiții dificile de funcționare cu vibrații frecvente, cum ar fi echipamentele de control industrial și mediile vehiculare, reducând riscul de rupere a liniilor.

· Fiabilitate stabilă a conductivității electrice

Stratul gros de cupru reduce pierderile prin rezistență în timpul transmisiei curentului, scade căderea de tensiune și asigură stabilitatea semnalului și transmisiei puterii în circuit. Este deosebit de potrivit pentru echipamente medicale și sisteme de control industrial de precizie cu cerințe ridicate privind acuratețea alimentării electrice.

· Suport pentru proiectare integrată:

Poate realiza o configurare integrată a circuitelor de înaltă curentă și a circuitelor de semnal precis, reducând necesitatea utilizării radiatorilor externi, a şunturilor și a altor componente, simplificând astfel structura produsului și îmbunătățind utilizarea spațiului.

· Prelungirea duratei de viață

Capacitatea mai mare de transport al curentului, gestionarea superioară a disipării căldurii și rezistența mecanică sporită extind împreună durata de serviciu a plăcii PCB cu cupru gros. Aceste plăci nu sunt predispuse la deteriorări termice sau mecanice, asigurând astfel funcționarea lor normală pentru o perioadă mai lungă de timp. Această fiabilitate este de importanță vitală în domenii de aplicație unde întreținerea sau înlocuirea sunt dificile și costisitoare, cum ar fi în mediile aero-spațiale sau industriale.

Datorită grosimii mari a stratului de cupru și scenariilor speciale de utilizare ale PCB-urilor cu strat gros de cupru, proiectarea trebuie să ia în considerare performanța electrică, fezabilitatea procesului și fiabilitatea. Considerentele principale sunt următoarele:

· Alegerea grosimii cuprului:

Grosimea cuprului trebuie determinată în funcție de capacitatea reală de transport a curentului și de cerințele de disipare a căldurii ale echipamentului, pentru a evita o proiectare excesivă și creșterea costurilor. Se potrivește grosimea cuprului în combinare cu lățimea traseului și se face referire la standardul IPC-2221 pentru transportul curentului, asigurându-se că sunt îndeplinite cerințele de transmisie a curentului de vârf.

· Proiectarea traseului:

Circuitelor cu curent mare trebuie să li se mărească lățimea și grosimea pentru a preveni supraîncălzirea cauzată de o densitate excesivă a curentului. Se vor realiza tranziții treptate la îmbinările dintre componente cu pas fin și circuitele din cupru gros pentru a reduce brusc schimbările de impedanță. Se va evita utilizarea circuitelor cu unghiuri ascuțite pe tot parcursul procesului, pentru a preveni apariția unei corodări neuniforme sau a câmpurilor electrice concentrate care ar putea provoca defecte.

· Proiectarea disipării căldurii:

Pentru zonele principale generatoare de căldură, se vor planifica zone de răcire cu cupru gros și aplicarea acestuia, sau se vor rezerva garnituri conductoare de căldură pentru conectarea la dispozitive externe de răcire. Căldura este distribuită prin mai multe straturi groase de cupru pentru a evita acumularea locală a căldurii. Vioanele cu curent mare adoptă o concepție metalizată groasă sau cu multiple orificii în paralel pentru a spori disiparea căldurii.

· Proiectarea vioanelor și conexiunilor:

Viazle din cupru gros crește diametrul găurii și îngroașă stratul de cupru pe peretele găurii. Atunci când este necesar, se vor folosi găuri orbite sau înfundate cu rășină pentru a preveni crăparea peretelui găurii. Pads-urile de lipit ale componentelor trebuie mărite corespunzător pentru a asigura adeziunea lipirii cu stratul gros de cupru. Zona de conexiune pentru curenți mari este umplută cu cupru în loc de fire subțiri pentru a spori stabilitatea de conductibilitate a curentului.

· Controlul impedanței:

Prin utilizarea unor software-uri de simulare precum Altium și Cadence, lățimea traseelor, distanțarea și grosimea dielectrică sunt optimizate pentru a contracara influența straturilor groase de cupru asupra impedanței caracteristice a liniei. Linii de semnal de înaltă frecvență și linii de alimentare din cupru gros sunt aranjate separat pentru a evita interferențele electromagnetice.

· Compatibilitatea procesului:

Având în vedere caracteristica conform căreia gravura pentru cuprul gros este predispusă la gravură laterală, se rezervă o cantitate de compensare la gravare pentru a asigura precizia circuitului. Pentru a evita zone mari continue de cupru gros, pot fi adăugate crestături suplimentare sau designuri golite pentru a preveni curburarea PCB-ului. Conexiunea dintre pad și stratul de cupru adoptă o structură termică (hot pad) pentru a preveni falsa lipire cauzată de concentrarea căldurii în timpul sudării.

· Siguranță mecanică:

Se lasă o toleranță de dilatare pentru PCBS cu cupru gros, în combinație cu structura de montare a echipamentului, pentru a evita deformarea cauzată de schimbările de temperatură. Se adaugă straturi de cupru îngroșate sau nervuri de întărire suplimentare în zonele marginale sau cele care suportă sarcini, pentru a spori rezistența la încovoiere și vibrații, ceea ce le face potrivite pentru condiții dificile de funcționare, cum ar fi sistemele auto sau de control industrial.

· Izolație și tensiune de ținere:

Ajustați distanța dintre liniile groase de cupru în funcție de cerințele de rezistență la tensiune ale echipamentului. În cazul scenariilor cu înaltă tensiune, măriți în continuare distanța conform standardului de izolație IPC-2221. PCB-urile multistrat cu cupru gros sunt realizate din materiale dielectrice rezistente la înaltă tensiune pentru a preveni străpungerea între straturi.

· Optimizarea costurilor:

Se utilizează cupru gros doar în zonele cheie cu curent mare și disipare mare de căldură, păstrându-se în același timp grosimea standard de cupru în zonele necritice pentru a echilibra performanța și costul. Se acordă prioritate utilizării soluțiilor tehnologice maturizate pentru a simplifica structurile complexe și a reduce pierderile de randament în producție

· Lățimea și distanța dintre linii

Lățimea și distanța dintre firele de cupru sunt factori cheie. Optimizarea trebuie efectuată în funcție de cerințele de conductibilitate a curentului și de amplasarea generală a PCB-ului.

· Utilizați plăci conductoare de căldură și paduri conductoare de căldură

Adăugarea unor treceri conductoare termic și a unor garnituri conductoare termic în proiectare poate îmbunătăți efectul de disipare a căldurii. Aceste soluții ajută la evacuarea căldurii din punctele fierbinți de pe placa de circuit imprimat, îmbunătățind astfel disiparea generală a căldurii managementului.

Datorită stratului gros de cupru și scenariilor speciale de utilizare, inspecția și testarea circuitelor imprimate cu straturi groase de cupru (PCB-uri cu cupru gros) trebuie să acopere trei dimensiuni majore: calitatea procesului, performanța electrică și fiabilitatea. Conținuturile principale sunt următoarele:

Inspecția aspectului și a defectelor de proces

· Calitatea stratului de cupru: Verificați dacă stratul gros de cupru prezintă desprindere, crăpare, oxidare și dacă există reburi la marginea traseelor datorită unei etanșări neuniforme (trebuie să fie conform standardului IPC-A-600);

· Padele și trecerile: Verificați planitatea și aderența padelelor, dacă grosimea stratului de cupru pe pereții trecerilor respectă standardele și dacă există goluri sau găuri decalate.

· Deformarea suprafeței plăcii: Măsurați răsucirea PCB-ului (plăcile cu cupru gros sunt predispuși la răsucire datorită tensiunii stratului de cupru, care trebuie controlată în limite de 0,75%) și verificați dacă există desprindere sau bule.

· Precizia dimensională: Verificați dimensiunile principale, cum ar fi lățimea traseelor, distanța dintre acestea și diametrul găurilor, pentru a vă asigura că sunt conforme cu desenele de proiectare (eroarea după compensarea etanșării pentru traseele cu cupru gros trebuie să fie ≤±0,05 mm).

Testul performanței electrice

· Test de conductivitate și izolație (test Hi-Pot): Izolația dintre trasee este verificată cu un tester de izolație la înaltă tensiune pentru a preveni defectele cauzate de distanțare insuficientă între straturile de cupru gros. Verificați conductivitatea și identificați defecțiunile de circuit deschis și de scurtcircuit;

· Testul capacității de conductie a curentului: Aplicați curentul nominal în condiții de lucru simulate, monitorizați creșterea de temperatură a circuitului (pentru PCB-urile cu cupru gros, creșterea de temperatură la curentul nominal trebuie să fie ≤20℃), și confirmați că nu există riscul de suprîncălzire sau topire.

· Testarea impedanței: Utilizați un analizor de impedanță pentru a detecta impedanța caracteristică a liniei de semnal înaltă frecvență, pentru a vă asigura că influența stratului gros de cupru asupra impedanței satisface cerințele de proiectare (eroare ≤±10%);

· Testul căderii de tensiune: Măsurați căderea de tensiune pe linie în timpul transmisiei la curent înalt pentru a verifica avantajul de rezistență redusă al stratului gros de cupru și pentru a evita pierderea de tensiune care ar putea afecta performanța echipamentului.

Inspecție optică automată (AOI)

Inspecia optică automată (AOI) utilizează tehnologia avansată de imagistică pentru a detecta defectele care ar putea fi invizibile cu ochiul liber.

· Imagistică cu rezoluție înaltă: Sistemul AOI captează imagini cu rezoluție înaltă ale PCB-ului și le compară cu specificațiile de proiectare.

· Detectarea defectelor: Acest sistem poate identifica automat probleme precum scurtcircuite, circuite deschise, subțierea urmelor și dezalinierea.

· Precizie: AOI oferă o precizie ridicată, asigurându-se că chiar și cele mai mici defecte pot fi detectate și rezolvate.

Test de fiabilitate

· Test de ciclare termică: Test de ciclare în intervalul de temperatură de la -40 ℃ la 125 ℃ (≥1000 de ori) pentru a verifica stabilitatea aderării stratului de cupru gros cu suportul și pad-urile, fără delaminare sau crăpare.

· Test de șoc termic: Comutare rapidă între medii cu temperaturi înalte și joase (diferență de temperatură ≥80 ℃) pentru a verifica rezistența PCB-ului la schimbările brusc de temperatură, potrivit pentru scenarii severe precum cele din industria auto și control industrial.

· Testare vibrații și rezistență mecanică: Simularea vibrațiilor (frecvență 5~500 Hz) și a impacturilor în timpul transportului și utilizării pentru a verifica dacă circuitul din cupru gros este rupt și dacă plăcile de trecere (vias) s-au desprins.

· Test de rezistență la coroziune: Verificați rezistența la oxidare și la coroziune a stratului gros de cupru prin testul de pulverizare cu sare (sare neutră, 48–96 de ore) sau testul de umiditate și căldură (85℃/85% RH, 1000 de ore).

· Test de fiabilitate a lipirii: După finalizarea lipirii SMT/prin găuri, verificați rezistența aderentă între sudurile și padurile groase de cupru și asigurați-vă că nu există lipituri false sau desprinderi (structura microscopica a sudurilor poate fi analizată prin secțiuni metalografice).

Verificarea performanțelor speciale

· Test de performanță termică: Distribuția temperaturii pe placa PCB în condiții de sarcină maximă a fost detectată cu un termograful pentru a verifica eficiența de disipare a căldurii a stratului gros de cupru.

· Test de ignifugare: Pentru scenariile de aplicații de putere mare, se verifică clasa de ignifugare a plăcii PCB conform standardului UL94 (cel puțin nivelul V-0);

· Test de aderență: Se aplică un test pe grilă cu o sută de pătrate sau un test de tracțiune pentru a verifica aderența dintre stratul de cupru gros și suport (≥1,5 N/mm).

Plăcile de circuit imprimat cu cupru gros, datorită capacității mari de transport al curentului, disipării excelente a căldurii și rezistenței mecanice ridicate, sunt utilizate în principal în domenii care necesită transmiterea unor curenți mari, putere mare de ieșire sau condiții de funcționare severe condiții de funcționare. Scenariile principale sunt următoarele:

În domeniul vehiculelor electrice

Componente principale: Încărcător de bord, sistem de management al bateriei, controler al motorului, convertor DC/DC, modul de stâlp de încărcare.

Motivul utilizării: Trebuie să transporte curenți mari (zeci până la sute de amperi), să reziste la temperaturi înalte și joase alternante și la vibrații. PCB-urile cu cupru gros pot asigura o transmisie stabilă a energiei și o disipare eficientă a căldurii, fiind potrivite pentru mediul sever din vehicule.

Echipamente industriale de control și echipamente electrice

Componente principale: convertizor de frecvență, driver servo, sursă de alimentare UPS, modul de putere industrial, placă de control pentru dulap de distribuție înaltă tensiune, placă principală de control pentru mașina de sudură electrică.

Motivul aplicației: Echipamentele de automatizare industrială necesită adesea o putere mare de ieșire. PCB-urile cu cupru gros pot reduce pierderile prin rezistență electrică, prevenind supraîncălzirea, și în același timp pot rezista vibrațiilor mecanice și interferențelor electromagnetice, sporind fiabilitatea echipamentului.

Domeniul echipamentelor medicale

Componente principale: surse medicale, module de putere pentru ventilatoare, plăci de control pentru instrumente electrochirurgicale.

Motivul aplicației: Echipamentele medicale au cerințe extrem de ridicate privind stabilitatea și siguranța alimentării electrice. PCB-urile cu cupru gros pot realiza o cădere redusă de tensiune, o disipare eficientă a căldurii și pot satisface standardele stricte de izolație și rezistență la tensiune ale industriei medicale.

Domeniile aerospace și militar

Componente principale: Sistem de alimentare aeriană, modul de lansare radar, placă de control a rachetei, unitate de alimentare satelit.

Motivul aplicației: Pentru a se adapta la temperaturi extreme, vibrații puternice și medii radioactive, rezistența mecanică ridicată și performanța electrică stabilă a PCB-urilor cu cupru gros pot asigura funcționarea normală a echipamentului în condiții dificile.

Echipamente consumer și comerciale de înaltă putere

Componente principale: Invertor de stocare a energiei, invertor fotovoltaic, placă de control pentru electrocasnice de putere mare (de exemplu, plite inducție, cuptoare electrice), modul de alimentare pentru centre de date.

Motivul aplicației: Echipamentele de înaltă putere generează mult căldură și au un curent ridicat. PCB-urile cu cupru gros pot disipa rapid căldura, prevenind suprasolicitarea și arderea circuitelor, extinzând astfel durata de viață a echipamentului.

Domeniul transporturilor feroviare

Componente principale: Convertizor de tracțiune pentru tren, sistem de alimentare pe cale ferată, modul de control al semnalizării.

Motivul aplicației: Echipamentele pentru transporturi feroviare trebuie să reziste la vibrații pe termen lung, temperaturi înalte și joase, precum și la impacte frecvente de pornire-oprire cu curenți mari. Capacitatea de conductibilitate a curentului și fiabilitatea mecanică a PCB-urilor cu cupru gros pot satisface această cerință.