Друковані плати з важким мідним шаром

Друкована плата з товстим шаром міді, відома також як плата з товстою міддю, — це спеціальний тип друкованої плати з товщиною фольги ≥2 унції (70 мкм, що значно перевищує 1 унцію/35 мкм у звичайних друкованих платах). Поширені специфікації варіюються від 2 до понад 10 унцій. Її основні характеристики — підвищена здатність проводити струм, ефективне відведення тепла та механічна міцність. Для виробництва потрібні спеціальні процеси гальванопокриття та травлення, щоб забезпечити рівномірність і адгезію товстого мідного шару шар. Порівняно зі звичайними друкованими платами, друковані плати з важким мідним шаром мають більшу здатність проводити струм (здатні пропускати струми від десятків до сотень ампер), чудове відведення тепла та вищу складність виготовлення. Вони переважно застосовуються в сценаріях, таких як енергетичне обладнання, промислові контрольні перетворювачі частоти, електронні системи керування новими електромобілями та модулі живлення медичного обладнання, де потрібна передача великого струму, висока потужність або потужне відведення тепла. Звичайні друковані плати найчастіше підходять для побутової електроніки та пристроїв з низьким енергоспоживанням.

Основні переваги друкованих плат із товстим мідним шаром полягають у їхньому призначенні для роботи в умовах високого струму та високої потужності, що конкретно виявляється в таких аспектах:

· Надзвичайно висока струмопровідна здатність:

Товстий шар міді (≥2 унції) може пропускати струми від десятків до сотень ампер, що значно перевершує звичайні друковані плати. Він може задовольняти вимоги до передачі струму потужних виробів, таких як енергетичне обладнання та нові електронні системи керування електромобілями, і запобігати нагріванню та перегоранню проводів через перевантаження струмом.

· Виняткові теплофізичні характеристики:

Мідь має виняткову теплопровідність. Товщий шар міді є чудовим теплопровідником, і його ефективність відведення тепла набагато вища, ніж у стандартних друкованих платах. Ущільнений мідний шар швидко відводить тепло яке генерується під час роботи схеми, ефективно знижуючи температуру поверхні плати, мінімізуючи пошкодження компонентів і схем через термічне старіння, а також підвищуючи стабільність і термін служби виробу.

· Вища механічна міцність:

Ще однією ключовою перевагою друкованих плат із високим вмістом міді є їхня вища механічна міцність. Товстий мідний шар підвищує фізичну стійкість друкованої плати, роблячи її більш стійкою до згинання та ударів, а отже, здатною краще витримувати фізичні навантаження, такі як згинання, вібрація та механічні поштовхи. Вона може адаптуватися до жорстких умов експлуатації з постійними вібраціями, наприклад, у промисловому керуючому обладнанні та бортових транспортних системах, зменшуючи ризик розриву ліній.

· Надійність стабільної електропровідності

Товстий мідний шар зменшує втрати опору під час передачі струму, знижує спад напруги та забезпечує стабільність передачі сигналів і живлення в схемі. Особливо підходить для медичного обладнання та прецизійних систем промислового керування з високими вимогами до точності живлення.

· Підтримка інтегрованого проектування:

Може забезпечити інтегровану компоновку кіл з великим струмом та кіл точних сигналів, що зменшує необхідність у зовнішніх радіаторах, шунтах та інших компонентах, спрощує конструкцію продукту й підвищує ефективність використання простору.

· Подовження терміну служби

Підвищена струмопровідність, краще управління розсіюванням тепла та вища механічна міцність спільно подовжують термін експлуатації друкованих плат із товстим мідним шаром. Ці плати не схильні до теплових або механічних пошкоджень, забезпечуючи тим самим нормальну роботу протягом тривалого часу. Ця надійність має вирішальне значення в галузях застосування, де обслуговування або заміна ускладнені та дорого коштують, наприклад, в авіаційно-космічній або промисловій сферах.

Через велику товщину мідного шару та спеціальні сценарії застосування друкованих плат із товстим шаром міді, проектування має враховувати електричні характеристики, технологічну можливість та надійність. Основні аспекти наступні:

· Вибір товщини міді:

Норматив товщини міді слід визначати на основі фактичної здатності проводити струм і вимог до відведення тепла обладнання, щоб уникнути надмірного проектування та підвищення вартості. Узгоджуйте товщину міді у поєднанні з шириною доріжки та керуйтесь стандартом IPC-2221 щодо провідності струму, забезпечуючи виконання вимог щодо передачі пікового струму.

· Дизайн трасування:

Кола з великим струмом мають бути розширені та ущільнені, щоб запобігти перегріву через надмірну густину струму. Забезпечте плавні переходи в місцях з'єднання компонентів з дрібним кроком та потовщених мідних трас, щоб зменшити різкі зміни імпедансу. Уникайте гострих кутів у трасуванні на всьому протязі, щоб запобігти нерівномірному травленню або концентрації електричних полів, які можуть призвести до пробою.

· Дизайн відведення тепла:

Для ключових ділянок, що виділяють тепло, плануйте зони потовщення міді для відведення тепла або залишайте теплопровідні підкладки для підключення до зовнішніх систем охолодження. Тепло розсіюється через кілька потовщених мідних шарів, щоб урегулювати локальне накопичення тепла. Сквозні отвори для великого струму виконуються із потовщеним металізованим покриттям або у вигляді паралельних багатошарових отворів для покращення відведення тепла.

· Дизайн отворів та з'єднань:

Товсті мідні виводи збільшують діаметр отвору та ущільнюють мідний шар на стінці отвору. За необхідності слід використовувати сліпі або закопані отвори або заповнювати їх смолою, щоб запобігти тріщинам стінок отвору. Паяльні площадки для вставних компонентів слід відповідно збільшити, щоб забезпечити адгезію паяння з товстим мідним шаром. Зону високострумового з'єднання заповнюють міддю замість тонких дротів, щоб підвищити стабільність проходження струму.

· Контроль імпедансу:

За допомогою програмного забезпечення для моделювання, такого як Altium та Cadence, оптимізують ширину лінії, відстань між ними та товщину діелектрика, щоб компенсувати вплив товстих мідних шарів на характеристичний імпеданс лінії. Лінії високочастотного сигналу та товсті мідні силові лінії розташовують окремо, щоб уникнути електромагнітних перешкод.

· Сумісність процесів:

З огляду на те, що етчинг товстого мідного шару схильний до бічного етчингу, передбачено компенсацію етчингу для забезпечення точності схеми. Щоб уникнути великих ділянок неперервного товстого мідного шару, можна додати додаткові пази або конструкції з вирізами, щоб запобігти деформації друкованої плати. З'єднання між контактним майданчиком і мідним шаром виконане у вигляді гарячого майданчика, щоб запобігти помилковому паянню, спричиненому концентрацією тепла під час паяння.

· Механічна надійність:

Передбачено запас на розширення для друкованих плат із товстим мідним шаром у поєднанні з конструкцією монтажу обладнання, щоб уникнути деформації через зміни температури. На краях або ділянках, що сприймають навантаження, додано ущільнені мідні шари або додаткові ребра жорсткості для підвищення стійкості до вигину та вібрації, що робить їх придатними для важких умов експлуатації, таких як транспортні засоби та промислові системи керування.

· Ізоляція та електрична міцність:

Налаштуйте відстань між товстими мідними доріжками згідно з вимогами до електричної міцності обладнання. У випадках високої напруги додатково збільште відстань відповідно до ізоляційного стандарту IPC-2221. Багатошарові мідні друковані плати виготовлені з діелектричних матеріалів, стійких до високої напруги, щоб запобігти пробою між шарами.

· Оптимізація вартості:

Товсту мідь використовують лише в ключових зонах із великим струмом і високим тепловиділенням, тоді як у некритичних зонах залишають стандартну товщину міді для балансування продуктивності та вартості. Надавайте пріоритет використанню перевірених технологічних рішень, щоб спростити складні конструкції та зменшити втрати на виході продукції

· Ширина та відстань доріжок

Ширина та відстань між мідними провідниками є ключовими факторами. Їх необхідно оптимізувати з урахуванням вимог до струмопровідності та загальної компоновки друкованої плати.

· Використовуйте теплопровідні переходи та теплопровідні площадки

Додавання теплопровідних виводів і теплопровідних прокладок у конструкцію може підвищити ефективність відведення тепла. Ці розробки допомагають відводити тепло від гарячих точок на друкованій платі, тим самим покращуючи загальне охолодження керування.

Через товстий мідний шар і спеціальні сценарії застосування перевірка та тестування друкованих плат із товстою міддю (друковані плати з товстим шаром міді) мають охоплювати три основні аспекти: якість технологічного процесу, електричні характеристики та надійність. Основні елементи такі:

Перевірка зовнішнього вигляду та технологічних дефектів

· Якість мідного шару: Перевірити, чи не відбувається відшарування, тріщини, окиснення товстого мідного шару, а також чи немає заусенців на краях провідників через нерівномірне травлення (має відповідати стандарту IPC-A-600);

· Площадки та монтажні отвори: Перевірити рівність і прилипання площадок, чи відповідає товщина мідного шару на стінках отворів стандартам, а також чи немає порожнин або зміщених отворів.

· Деформація поверхні плати: Виміряйте вигин друкованої плати (друковані плати з товстим шаром міді схильні до вигину через напруження в мідних шарах, яке має бути обмежене всередині 0,75%) та перевірте наявність розшарування або бульбашок.

· Точність розмірів: Перевірте ключові розміри, такі як ширина провідників, відстані між ними та діаметр отворів, щоб забезпечити їх відповідність конструкторським кресленням (похибка після компенсації травлення для товстих мідних провідників має бути ≤±0,05 мм).

Тест електричних характеристик

· Тест провідності та ізоляції (Hi-Pot тест): Ізоляція між провідниками перевіряється за допомогою високовольтного тестера ізоляції, щоб запобігти пробою через недостатню відстань між товстими мідними шарами. Перевірте провідність та усуньте несправності розімкнених та коротких замикань;

· Тест витривалості за струмом: Подайте номінальний струм в умовах, що імітують реальну роботу, контролюйте підвищення температури в ланцюзі (для друкованих плат із товстим шаром міді підвищення температури при номінальному струмі має бути ≤20℃), та переконайтеся, що відсутній ризик перегріву або плавлення.

· Тестування імпедансу: використовуйте аналізатор імпедансу для виявлення характеристичного імпедансу лінії високочастотного сигналу, щоб забезпечити вплив товстого мідного шару на імпеданс, який відповідає проектним вимогам (похибка ≤±10%);

· Випробування падіння напруги: виміряйте падіння напруги на лінії при передачі великого струму, щоб підтвердити перевагу низького опору товстого мідного шару та уникнути втрат напруги, що впливають на продуктивність обладнання.

Автоматичний оптичний огляд (AOI)

Автоматичний оптичний огляд (AOI) використовує сучасні технології візуалізації для виявлення дефектів, які можуть бути непомітні неозброєним оком.

· Високоякісна візуалізація: система AOI отримує зображення високої роздільної здатності друкованої плати та порівнює їх із проектними специфікаціями.

· Виявлення дефектів: ця система може автоматично визначати такі проблеми, як короткі замикання, обриви, зменшення товщини слідів провідників і зміщення.

· Точність: AOI забезпечує високу точність, що дозволяє виявляти та усувати навіть найменші дефекти.

Тест на надійність

· Випробування на термоциклування: циклічне випробування в діапазоні температур від -40 ℃ до 125 ℃ (не менше 1000 циклів) для перевірки стабільності зчеплення товстого мідного шару з основою та контактними майданчиками без розшарування чи тріщин.

· Випробування на термостійкість: швидке перемикання між середовищами з високою та низькою температурою (різниця температур ≥80 ℃) для перевірки стійкості друкованої плати до раптових змін температури, підходить для жорстких умов, таких як у автомобільній промисловості та промисловому керуванні.

· Випробування на вібрацію та механічну міцність: імітація вібрації (частота 5–500 Гц) та ударів під час транспортування та експлуатації для перевірки, чи не порвалася товста мідна траса і чи не відірвалися переходові отвори.

· Випробування на стійкість до корозії: Перевірка стійкості товстого мідного шару до окиснення та корозії за допомогою випробування сольовим туманом (нейтральний сольовий туман, 48–96 годин) або випробування вологим теплом (85 ℃/85 % відносної вологості, 1000 годин).

· Випробування надійності паяння: Після завершення паяння методом SMT/у отвори перевіряється міцність зчеплення між паяними з'єднаннями та товстими мідними майданчиками, забезпечується відсутність непропаяних або відпаяних з'єднань (мікроструктура паяних з'єднань може бути проаналізована за допомогою металографічних зрізів).

Перевірка спеціальних характеристик

· Випробування ефективності відведення тепла: Розподіл температури друкованої плати в умовах повного навантаження визначається термовізійно для підтвердження ефективності відведення тепла товстим мідним шаром.

· Випробування на стійкість до займання: Для сценаріїв застосування високопотужних пристроїв ступінь стійкості друкованої плати до займання перевіряється відповідно до стандарту UL94 (щонайменше рівень V-0);

· Тест на адгезію: використовується тест із сотнею сіток або розтягування для перевірки зчеплення між товстим мідним шаром і підкладкою (≥1,5 Н/мм).

Друковані плати з товстим шаром міді, які мають високу здатність пропускати струм, чудове тепловідведення та високу механічну міцність, використовуються переважно в галузях, де потрібна передача великого струму, висока потужність або жорсткі умови експлуатації. Основні сценарії застосування такі:

У галузі транспорту на нових енергетичних установках

Ключові компоненти: бортовий зарядний пристрій, система управління акумулятором, контролер двигуна, перетворювач постійного струму (DC/DC), модуль зарядної станції.

Причина застосування: необхідність пропускання великих струмів (десятки та сотні ампер), витримування циклів змінних високих і низьких температур та вібрацій. Друковані плати з товстим шаром міді забезпечують стабільну передачу електроживлення та ефективне тепловідведення, що робить їх придатними для експлуатації в складних умовах автотранспорту.

Промислова автоматика та енергетичне обладнання

Основні компоненти: перетворювач частоти, сервопривід, джерело безперебійного живлення, промисловий силовий модуль, плата керування розподільчого шафу високої напруги, головна плата керування електрозварювального апарату.

Причина застосування: Промислове обладнання для автоматизації часто потребує високого вихідного потужності. Друковані плати з товстим мідним шаром можуть зменшити втрати на опір проводів, запобігти перегріву, а також протистояти механічним вібраціям і електромагнітним перешкодам, підвищуючи надійність обладнання.

Галузь медичного обладнання

Основні компоненти: джерела живлення для медичних приладів, силові модулі вентиляторів, плати керування електрохірургічних інструментів.

Причина застосування: Медичне обладнання має надзвичайно високі вимоги до стабільності та безпеки живлення. Друковані плати з товстим мідним шаром забезпечують низький спад напруги, ефективне відведення тепла та відповідають суворим нормам ізоляції та витримування напруги медичної галузі.

Галузі авіації, космонавтики та оборонної промисловості

Основні компоненти: бортова система електроживлення, модуль запуску радара, плата керування ракетою, блок живлення супутника.

Причина застосування: щоб адаптуватися до екстремальних температур, сильних вібрацій і радіаційного середовища, висока механічна міцність і стабільна електрична продуктивність друкованих плат із товстим шаром міді забезпечують нормальне функціонування обладнання у важких умовах.

Високопотужне побутове та комерційне обладнання

Основні компоненти: інвертор акумулятора, фотогальванічний інвертор, плата керування високопотужною побутовою технікою (наприклад, індукційні плити, електропечі), модуль живлення центру обробки даних.

Причина застосування: високопотужне обладнання генерує багато тепла і має високий струм. Друковані плати із товстим шаром міді швидко відводять тепло, запобігають перевантаженню та перегоранню ланцюгів і продовжують термін служби обладнання.

Галузь залізничного транспорту

Основні компоненти: тяговий перетворювач потяга, система електроживлення колії, модуль керування сигналами.

Причина застосування: устаткування для залізничного транспорту має витримувати тривалі вібрації, високі та низькі температури, а також часті початково-кінцеві дії великого струму. Здатність до проводження струму та механічна надійність друкованих плат із товстим мідним шаром можуть задовольняти ці вимоги.