Печатные платы с тяжелой медью

Печатная плата с толстым медным слоем, также известная как плата с толстой медью, представляет собой особый тип печатной платы с толщиной медной фольги ≥2 унции (70 мкм, что значительно превышает 1 унцию/35 мкм у обычных печатных плат). Типичные спецификации варьируются от 2 до более чем 10 унций. Основными особенностями являются повышенная способность к проводимости тока, эффективность рассеивания тепла и механическая прочность. Для производства требуются специальные процессы гальванического покрытия и травления, обеспечивающие равномерность и адгезию толстого медного слоя слой. По сравнению с обычными печатными платами, печатные платы с тяжелым медным слоем обладают более высокой способностью проводить ток (способны пропускать ток от десятков до сотен ампер), отличным теплоотводом и повышенной сложностью изготовления. Они в основном применяются в таких сценариях, как силовое оборудование, промышленные частотные преобразователи, электронные системы управления новыми типами электромобилей и силовые модули медицинского оборудования, где требуется передача большого тока, высокая мощность или эффективный теплоотвод. Обычные печатные платы в основном подходят для бытовой электроники и маломощных устройств.

Ключевые преимущества печатных плат с толстым медным слоем заключаются в их приспособленности к работе в условиях высокого тока и высокой мощности, что конкретно проявляется в следующих аспектах:

· Сверхвысокая токовая нагрузка:

Толстый медный слой (≥2 унции) может пропускать десятки и сотни ампер большого тока, что намного превосходит обычные печатные платы. Он может удовлетворять требованиям передачи тока для высокомощной продукции, такой как силовое оборудование и новые электронные системы управления транспортными средствами на новых источниках энергии, а также предотвращать нагрев и перегорание линий, вызванные перегрузкой по току.

· Отличная теплоотдача:

Медь обладает превосходной теплопроводностью. Более толстый медный слой является отличным проводником тепла, и его эффективность теплоотдачи намного выше, чем у стандартных печатных плат. Утолщённый медный слой может быстро отводить тепло, выделяемое при работе схемы, эффективно снижая температуру поверхности платы, минимизируя повреждение компонентов и схем вследствие термического старения, а также повышая стабильность и срок службы изделия.

· Повышенная механическая прочность:

Еще одно ключевое преимущество печатных плат с высоким содержанием меди заключается в их повышенной механической прочности. Толстый медный слой повышает физическую прочность печатной платы, делая ее более устойчивой к изгибу и ударам, а значит, более способной выдерживать механические нагрузки, такие как изгиб, вибрация и удары. Она может работать в жестких условиях с частыми вибрациями, например, в промышленном оборудовании и транспортных средствах, снижая риск обрыва проводников.

· Надежность стабильной электропроводности

Толстый медный слой уменьшает потери сопротивления при передаче тока, снижает падение напряжения и обеспечивает стабильность передачи сигналов и питания в цепи. Особенно подходит для медицинского оборудования и прецизионных систем промышленного управления, где предъявляются высокие требования к точности питания.

· Поддержка интегрированного дизайна:

Он позволяет интегрированно разместить цепи с высоким током и цепи точных сигналов, сокращая необходимость во внешних радиаторах, шунтах и других компонентах, упрощает конструкцию изделия и повышает эффективность использования пространства.

· Удлинение срока службы

Более высокая токовая нагрузка, улучшенное управление теплоотдачей и повышенная механическая прочность совместно продлевают срок службы печатных плат с толстым слоем меди. Эти платы менее подвержены тепловым или механическим повреждениям, обеспечивая их нормальную работу в течение более длительного времени. Эта надежность имеет жизненно важное значение в областях применения, где обслуживание или замена затруднены и дорогостоящи, например, в аэрокосмической или промышленной среде.

Из-за большой толщины медного слоя и специфических условий применения многослойных плат с толстым медным покрытием при проектировании необходимо учитывать электрические характеристики, технологическую осуществимость и надежность. Основные аспекты следующие:

· Выбор толщины меди:

Спецификацию толщины меди следует определять на основе фактической способности проводить ток и требований к теплоотводу оборудования, чтобы избежать чрезмерного запаса при проектировании и увеличения затрат. Согласуйте толщину меди в сочетании с шириной дорожки и руководствуйтесь стандартом IPC-2221 по допустимому току, чтобы обеспечить выполнение требований к передаче пикового тока.

· Конструктивное исполнение трасс:

Цепи с высоким током необходимо расширить и утолстить, чтобы предотвратить перегрев, вызванный чрезмерно высокой плотностью тока. Выполняйте плавные переходы в местах соединения мелкошаговых компонентов и толстых медных проводников для снижения резких изменений импеданса. избегайте цепей с острыми углами на всем протяжении, чтобы предотвратить неравномерное травление или концентрацию электрического поля, которая может привести к пробою.

· Конструкция отвода тепла:

Для ключевых участков, выделяющих тепло, предусмотрите зоны рассеивания тепла с использованием толстого слоя меди или установите контактные площадки для подключения внешних устройств охлаждения. Тепло рассеивается через несколько толстых медных слоев, чтобы избежать локального накопления тепла. сквозные переходы для высоких токов выполняются с металлизацией и утолщением либо посредством параллельного размещения множества отверстий для улучшения теплоотвода.

· Конструкция переходов и соединений:

Толстые медные переходные отверстия увеличивают диаметр отверстий и утолщают медный слой на стенках отверстий. При необходимости следует использовать скрытые или глухие отверстия либо заполнять их смолой, чтобы предотвратить растрескивание стенок. Паяльные площадки компонентов для установки должны быть соответствующим образом увеличены для обеспечения надежного соединения с толстым медным слоем. Зоны подключения высокого тока заполняются медью вместо тонких проводников для повышения стабильности прохождения тока.

· Контроль импеданса:

С помощью программного обеспечения для моделирования, такого как Altium и Cadence, оптимизируются ширина линий, расстояние между ними и толщина диэлектрика, чтобы компенсировать влияние толстых медных слоев на характеристический импеданс линий. Линии высокочастотных сигналов и толстые медные силовые линии размещаются раздельно для предотвращения электромагнитных помех. высокочастотные сигнальные линии и толстые медные силовые линии располагаются отдельно для избежания электромагнитных помех.

· Совместимость процессов:

С учетом особенности травления толстого медного слоя, склонного к боковому травлению, предусматривается компенсационная величина травления для обеспечения точности схемы. Во избежание больших сплошных участков толстого медного слоя можно добавить дополнительные пазы или конструкции с вырезами для предотвращения коробления печатной платы. Соединение контактной площадки со слоем меди выполняется по технологии термоперехода, чтобы предотвратить ложный припой, вызванный концентрацией тепла во время пайки.

· Механическая надежность:

Предусмотреть зазор для расширения у печатных плат с толстым медным слоем с учетом конструкции монтажа оборудования, чтобы избежать деформации, вызванной изменениями температуры. Утолщенные медные слои или дополнительные ребра жесткости добавляются на краях или в местах нагрузки для повышения устойчивости к изгибу и вибрации, что делает их пригодными для эксплуатации в жестких условиях, например, в транспортных средствах и системах промышленного управления.

· Изоляция и электрическая прочность:

Настройка расстояния между толстыми медными проводами в соответствии с требованиями к напряжению оборудования. В случае высокого напряжения расстояние между ними необходимо увеличить в соответствии с стандартом ИПК-2221 по изоляции. Толщина многослойная медная ПКБС изготовлена из высоковольтных диэлектрических материалов, устойчивых к высокому напряжению, чтобы предотвратить разрушение межслоя.

· Оптимизация затрат:

Только толстая медь используется в ключевых областях высокого тока и высокой теплоотдачи, в то время как стандартная толщина меди сохраняется в неядерных областях для сбалансирования производительности и затрат. Приоритет предоставляется использованию зрелых технологических решений для упрощения сложные структуры и снижение потерь урожая производства

· Ширина линии и расстояние между ними

Ключевые факторы - ширина и расстояние между медными проводами. Оптимизация должна быть проведена на основе требований к токоведущей мощности и общей планировки ПКБ.

· Использование теплопроводящих проводов и теплопроводящих подушек

Добавление теплопроводных переходных отверстий и теплопроводных прокладок в конструкцию может улучшить эффект рассеивания тепла. Эти решения помогают отводить тепло от зон локального нагрева на печатной плате, тем самым повышая общую эффективность теплоотвода управления.

Из-за толстого медного слоя и специфических сценариев применения контроль и тестирование тяжелых медных печатных плат (плат с толстой медью) должен охватывать три основные категории: качество технологического процесса, электрические характеристики и надежность. Основные аспекты следующие:

Проверка внешнего вида и технологических дефектов

· Качество медного слоя: Проверьте, не наблюдается ли отслоение, растрескивание или окисление толстого медного слоя, а также наличие заусенцев по краям проводников из-за неравномерного травления (должно соответствовать стандарту IPC-A-600);

· Пяточки и переходные отверстия: Проверьте плоскостность и адгезию контактных площадок, достаточна ли толщина медного слоя на стенках отверстий, отсутствуют ли пустоты или смещения отверстий.

· Деформация поверхности платы: Измерьте коробление печатной платы (печатные платы с толстым медным слоем склонны к короблению из-за напряжения в медном слое, которое должно быть ограничено в пределах 0,75%) и проверьте наличие расслоения или пузырей.

· Точность размеров: Проверьте основные размеры, такие как ширина проводников, расстояния и диаметр отверстий, чтобы убедиться в их соответствии проектной документации (погрешность после компенсации травления для толстых медных проводников должна быть ≤±0,05 мм).

Испытание электрических характеристик

· Испытание проводимости и изоляции (Hi-Pot тест): Проверка изоляции между проводниками с помощью высоковольтного измерителя изоляции для предотвращения пробоя, вызванного недостаточным расстоянием между толстыми медными слоями. Проверьте проводимость и устраните неисправности обрыва и короткого замыкания;

· Испытание токовой нагрузки: Подайте номинальный ток в условиях, имитирующих реальную работу, и контролируйте повышение температуры цепи (для печатных плат с толстым медным слоем повышение температуры при номинальном токе должно быть ≤20℃), и подтвердите, что отсутствует риск перегрева или плавления.

· Тестирование импеданса: Используйте анализатор импеданса для определения характеристического импеданса высокочастотной сигнальной линии, чтобы убедиться, что влияние толстого медного слоя на импеданс соответствует проектным требованиям (ошибка ≤±10%);

· Тест падения напряжения: Измерьте падение напряжения в линии при передаче высокого тока, чтобы подтвердить преимущество низкого сопротивления толстого медного слоя и избежать потерь напряжения, влияющих на производительность оборудования.

Автоматический оптический контроль (АОК)

Автоматический оптический контроль (АОК) использует передовые технологии визуализации для выявления дефектов, которые могут быть невидимы невооружённым глазом.

· Высокое разрешение изображения: система АОК делает изображения высокого разрешения печатной платы и сравнивает их с проектными спецификациями.

· Обнаружение дефектов: данная система может автоматически выявлять такие проблемы, как короткие замыкания, обрывы цепи, истончение проводников и несоосность.

· Точность: AOI обеспечивает высокую точность, гарантируя обнаружение и устранение даже мельчайших дефектов.

Тест на надежность

· Испытание на термоциклирование: циклическое испытание в диапазоне температур от -40 ℃ до 125 ℃ (не менее 1000 циклов) для проверки стабильности соединения толстого медного слоя с подложкой и контактными площадками без расслоения или растрескивания.

· Испытание на термоудар: быстрое переключение между средами с высокой и низкой температурой (разница температур ≥80 ℃) для проверки устойчивости печатной платы к резким изменениям температуры, подходит для суровых условий, например, в автомобильной промышленности и промышленном контроле.

· Испытание на вибрацию и механическую прочность: моделирование вибрации (частота 5–500 Гц) и ударов во время транспортировки и эксплуатации для проверки целостности толстого медного проводника и отсутствия отслоения переходных отверстий.

· Испытание на коррозионную стойкость: проверка устойчивости толстого медного слоя к окислению и коррозии с помощью испытания солевым туманом (нейтральный солевой туман, 48–96 часов) или испытания влажным теплом (85 °С/85 % влажности, 1000 часов).

· Испытание надежности пайки: после завершения пайки SMT/в отверстия проверяется прочность соединения между паяными контактами и толстыми медными площадками, а также отсутствие непропая или отслоения (микроструктура паяных соединений может быть проанализирована с помощью металлографических шлифов).

Проверка специальных характеристик

· Испытание теплоотводящих свойств: распределение температуры на печатной плате в условиях полной нагрузки измеряется с помощью тепловизора для подтверждения эффективности теплоотвода толстого медного слоя.

· Испытание на воспламеняемость: для сценариев применения с высокой мощностью степень огнестойкости печатной платы проверяется в соответствии со стандартом UL94 (минимум уровень V-0);

· Испытание на адгезию: для проверки сцепления между слоем толстого медного покрытия и подложкой применяется испытание по сетке или на растяжение (≥1,5 Н/мм).

Печатные платы с толстым медным слоем обладают высокой токовой нагрузкой, отличным отводом тепла и высокой механической прочностью, поэтому применяются в основном в областях, требующих передачи больших токов, высокой мощности или эксплуатации в тяжелых условиях. Основные сценарии применения следующие:

В области новых энергетических транспортных средств

Ключевые компоненты: бортовое зарядное устройство, система управления батареей, контроллер двигателя, преобразователь постоянного тока (DC/DC), модуль зарядной станции.

Причина применения: необходимо пропускать большие токи (десятки и сотни ампер), выдерживать переменные высокие и низкие температуры, а также вибрации. Платы с толстым медным слоем обеспечивают стабильную передачу энергии и эффективный отвод тепла, а также подходят для эксплуатации в жестких условиях транспортных средств.

Промышленная автоматика и силовое оборудование

Основные компоненты: частотный преобразователь, сервопривод, источник бесперебойного питания, промышленный силовой модуль, плата управления шкафом высоковольтного распределения, главная плата управления электросварочного аппарата.

Причина применения: Промышленное оборудование управления часто требует высокой мощности. Печатные платы с толстым медным слоем позволяют уменьшить потери на сопротивление проводников, предотвратить перегрев, а также выдерживать механические вибрации и электромагнитные помехи, повышая надежность оборудования.

Область медицинского оборудования

Основные компоненты: медицинские источники питания, силовые модули для аппаратов искусственной вентиляции легких, платы управления электрохирургических инструментов.

Причина применения: Медицинское оборудование предъявляет крайне высокие требования к стабильности и безопасности электропитания. Печатные платы с толстым медным слоем обеспечивают низкое падение напряжения, высокую теплоотдачу и соответствуют строгим стандартам медицинской отрасли по изоляции и диэлектрической прочности стандартам медицинской промышленности.

Области авиакосмической и военной промышленности

Основные компоненты: бортовая система электропитания, модуль запуска радара, плата управления ракетой, блок электропитания спутника.

Причина применения: для адаптации к экстремальным температурам, сильным вибрациям и радиационной среде высокая механическая прочность и стабильные электрические характеристики печатных плат с толстым медным слоем обеспечивают нормальную работу оборудования в жестких условиях.

Высокомощное потребительское и коммерческое оборудование

Основные компоненты: инвертор накопителя энергии, фотоэлектрический инвертор, плата управления бытовыми приборами высокой мощности (например, индукционные плиты, электродуховки), модуль питания центра обработки данных.

Причина применения: высокомощное оборудование выделяет большое количество тепла и работает при высоких токах. Платы с толстым медным слоем быстро отводят тепло, предотвращают перегрузку и выход из строя цепей, продлевая срок службы оборудования.

Сфера железнодорожного транспорта

Основные компоненты: тяговый преобразователь поезда, система электропитания пути, модуль сигнального управления.

Причина применения: оборудование для железнодорожного транспорта должно выдерживать длительную вибрацию, высокие и низкие температуры, а также частые пуски-остановки с большими токовыми нагрузками. Токопроводящая способность и механическая надежность печатных плат с толстым медным слоем могут удовлетворить этим требованиям.