PCB Copper nặng

Bảng mạch PCB đồng nặng, còn được gọi là bảng mạch PCB đồng dày, là một loại PCB đặc biệt có độ dày lớp lá đồng ≥2oz (70μm, vượt xa so với 1oz/35μm của các loại PCB thông thường). Các thông số phổ biến dao động từ 2oz đến hơn 10oz. Các tính năng chính của nó là khả năng dẫn dòng điện mạnh hơn, hiệu suất tản nhiệt và độ bền cơ học cao hơn. Quá trình sản xuất yêu cầu kỹ thuật mạ điện và ăn mòn đặc biệt để đảm bảo độ đồng đều và độ bám dính của lớp đồng dày lớp. So với các PCB thông thường, các PCB đồng dày có khả năng dẫn dòng điện mạnh hơn (có thể dẫn dòng điện từ vài chục đến vài trăm ampe), tản nhiệt xuất sắc và độ khó quy trình cao hơn. Chúng chủ yếu được áp dụng trong các tình huống như thiết bị điện lực, bộ biến tần điều khiển công nghiệp, hệ thống điều khiển điện tử cho xe năng lượng mới và các mô-đun nguồn thiết bị y tế—những nơi yêu cầu truyền dòng lớn, đầu ra công suất cao hoặc khả năng tản nhiệt mạnh. Các PCB thông thường chủ yếu phù hợp với thiết bị điện tử tiêu dùng và thiết bị công suất thấp.

Những ưu điểm cốt lõi của PCB đồng dày tập trung vào khả năng thích ứng với các tình huống dòng cao và công suất cao, được thể hiện cụ thể ở các khía cạnh sau:

· Khả năng chịu dòng điện siêu mạnh:

Lớp đồng dày (≥2oz) có thể dẫn dòng điện lớn từ hàng chục đến hàng trăm ampe, vượt trội hơn nhiều so với các PCB thông thường. Nó có thể đáp ứng yêu cầu truyền tải dòng điện của các sản phẩm công suất cao như thiết bị điện và hệ thống điều khiển điện tử phương tiện sử dụng năng lượng mới và tránh hiện tượng dây dẫn bị nóng và cháy do quá tải dòng điện.

· Hiệu suất tản nhiệt xuất sắc:

Đồng có khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời. Một lớp đồng dày hơn chính là chất dẫn nhiệt tốt, hiệu quả tản nhiệt của nó cao hơn nhiều so với các PCB tiêu chuẩn. Lớp đồng tăng cường có thể nhanh chóng dẫn nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của mạch giảm hiệu quả nhiệt độ bề mặt của bảng mạch, giảm thiểu tổn hại cho các linh kiện và mạch điện do lão hóa nhiệt gây ra, từ đó nâng cao độ ổn định và tuổi thọ sản phẩm.

· Độ bền cơ học cao hơn:

Một lợi thế quan trọng khác của PCB lớp đồng cao nằm ở độ bền cơ học cao hơn. Lớp đồng dày làm tăng độ cứng cáp về mặt vật lý của PCB, giúp nó chống lại sự uốn cong và va đập tốt hơn, do đó có khả năng chịu đựng tốt hơn các ứng suất cơ học như uốn cong, rung động và va chạm cơ học. nó có thể thích nghi với các điều kiện làm việc khắc nghiệt có rung động thường xuyên như thiết bị điều khiển công nghiệp và môi trường trên phương tiện, giảm nguy cơ đứt gãy đường dẫn. rủi ro đứt đường mạch.

· Độ tin cậy dẫn điện ổn định

Lớp đồng dày làm giảm tổn thất điện trở trong quá trình truyền dòng điện, hạ thấp sụt áp và đảm bảo sự ổn định trong truyền tín hiệu và truyền công suất của mạch. Nó đặc biệt phù hợp với các thiết bị y tế và hệ thống điều khiển công nghiệp chính xác có yêu cầu cao về độ chính xác của nguồn điện. rủi ro đứt đường mạch.

· Hỗ trợ thiết kế tích hợp:

Có thể đạt được bố trí tích hợp các mạch dòng điện cao và mạch tín hiệu chính xác, giảm nhu cầu sử dụng các bộ tản nhiệt ngoài, điện trở shunt và các linh kiện khác, đơn giản hóa cấu trúc sản phẩm và cải thiện hiệu quả sử dụng không gian.

· Kéo dài tuổi thọ

Khả năng chịu dòng cao hơn, quản lý tản nhiệt tốt hơn và độ bền cơ học mạnh hơn cùng nhau kéo dài tuổi thọ của mạch in đồng dày. Các mạch in này ít bị hư hỏng do nhiệt hoặc cơ học, do đó đảm bảo hoạt động bình thường trong thời gian dài hơn. Độ tin cậy này cực kỳ quan trọng trong các lĩnh vực ứng dụng mà việc bảo trì hoặc thay thế gặp khó khăn và tốn kém, chẳng hạn như trong môi trường hàng không vũ trụ hoặc công nghiệp. hoạt động bình thường trong thời gian dài hơn. Độ tin cậy này cực kỳ quan trọng trong các lĩnh vực ứng dụng mà việc bảo trì hoặc thay thế gặp khó khăn và tốn kém, chẳng hạn như trong môi trường hàng không vũ trụ hoặc công nghiệp.

Do độ dày lớp đồng lớn và các tình huống ứng dụng đặc biệt của PCB lớp đồng dày, thiết kế cần tính đến hiệu suất điện, khả năng thực hiện quy trình và độ tin cậy. Các yếu tố chính cần xem xét như sau:

· Lựa chọn độ dày đồng:

Thông số độ dày đồng nên được xác định dựa trên khả năng dẫn dòng thực tế và yêu cầu tản nhiệt của thiết bị để tránh thiết kế quá mức gây tăng chi phí. Cần phối hợp độ dày đồng với chiều rộng dây dẫn và tham khảo tiêu chuẩn dẫn dòng IPC-2221 để đảm bảo đáp ứng yêu cầu truyền dòng đỉnh.

· Thiết kế đường đi dây:

Các mạch dòng điện cao cần được mở rộng và làm dày thêm để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt do mật độ dòng điện quá cao. Thực hiện chuyển tiếp dần tại các điểm nối giữa các linh kiện bước nhỏ và các mạch đồng dày để giảm đột ngột sự thay đổi trở kháng. Tránh các mạch có góc nhọn trong suốt quá trình thiết kế để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn không đều hoặc tập trung điện trường gây ra đánh thủng.

· Thiết kế tản nhiệt:

Đối với các khu vực chính sinh nhiệt, cần lên kế hoạch vùng tản nhiệt bằng đồng dày và các vùng phủ đồng, hoặc dự trữ các miếng dẫn nhiệt để kết nối với các thiết bị tản nhiệt bên ngoài. Nhiệt được phân tán qua nhiều lớp đồng dày để tránh tích tụ nhiệt cục bộ. Các lỗ via dòng cao sử dụng thiết kế kim loại hóa dày hơn hoặc nhiều lỗ song song để tăng cường khả năng tản nhiệt.

· Thiết kế lỗ via và kết nối:

Các lỗ dẫn đồng dày làm tăng đường kính lỗ và làm dày lớp đồng trên thành lỗ. Khi cần thiết, nên sử dụng các lỗ chìm - lỗ kín hoặc bịt lỗ bằng nhựa để ngăn ngừa nứt thành lỗ. Các bàn hàn của linh kiện cắm cần được mở rộng phù hợp để đảm bảo độ bám dính hàn với lớp đồng dày. Khu vực kết nối dòng cao được đổ đầy đồng thay vì dùng dây mảnh để tăng cường độ ổn định chịu dòng điện.

· Điều khiển trở kháng:

Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng như Altium và Cadence, chiều rộng đường mạch, khoảng cách và độ dày lớp điện môi được tối ưu hóa để khắc phục ảnh hưởng của lớp đồng dày lên trở kháng đặc trưng của đường mạch. Các đường tín hiệu cao tần và các đường nguồn đồng dày được bố trí riêng biệt để tránh nhiễu điện từ.

· Tương thích quy trình:

Xét đến đặc điểm ăn mòn đồng dày dễ bị ăn mòn lệch cạnh, cần dự trữ một lượng bù ăn mòn để đảm bảo độ chính xác của mạch. Để tránh các vùng đồng dày liên tục lớn, có thể thêm các rãnh hoặc thiết kế khoét rỗng nhằm ngăn ngừa cong vênh PCB. Kết nối giữa pad và lớp đồng sử dụng cấu trúc pad nóng để tránh hiện tượng hàn giả do tập trung nhiệt trong quá trình hàn.

· Độ tin cậy cơ học:

Dự trữ khoảng giãn nở cho PCB đồng dày kết hợp với cấu trúc lắp đặt thiết bị để tránh biến dạng do thay đổi nhiệt độ. Tăng độ dày lớp đồng hoặc thêm các gân gia cường tại các vùng cạnh hoặc vùng chịu lực để tăng khả năng chống uốn và rung động, phù hợp với các điều kiện làm việc khắc nghiệt như trong phương tiện và hệ thống điều khiển công nghiệp.

· Cách điện và chịu điện áp:

Điều chỉnh khoảng cách giữa các đường đồng dày theo yêu cầu chịu điện áp của thiết bị. Trong các trường hợp điện áp cao, cần tăng thêm khoảng cách theo tiêu chuẩn cách điện IPC-2221. Các mạch in nhiều lớp đồng dày được làm từ vật liệu điện môi chịu điện áp cao để ngăn ngừa đánh thủng giữa các lớp.

· Tối ưu hóa chi phí:

Chỉ sử dụng đồng dày ở những khu vực chính có dòng điện lớn và tỏa nhiệt cao, trong khi giữ độ dày đồng tiêu chuẩn ở các khu vực không trọng tâm để cân bằng hiệu suất và chi phí. Ưu tiên sử dụng các giải pháp công nghệ đã trưởng thành để đơn giản hóa các cấu trúc phức tạp và giảm thiểu tổn thất tỷ lệ sản xuất

· Chiều rộng và khoảng cách đường mạch

Chiều rộng và khoảng cách các dây dẫn đồng là các yếu tố then chốt. Việc tối ưu hóa cần được thực hiện dựa trên yêu cầu dẫn dòng và bố trí tổng thể của mạch in.

· Sử dụng lỗ dẫn nhiệt và miếng đệm dẫn nhiệt

Việc thêm các thông mạch dẫn nhiệt và các miếng đệm dẫn nhiệt trong thiết kế có thể tăng cường hiệu quả tản nhiệt. Những thiết kế này giúp giải tỏa nhiệt từ các điểm nóng trên bảng mạch in (PCB), từ đó cải thiện khả năng tản nhiệt tổng thể quản lý.

Do lớp đồng dày và các tình huống ứng dụng đặc biệt, việc kiểm tra và thử nghiệm các bảng mạch in đồng nặng (thick copper PCBs) cần bao gồm ba khía cạnh chính: chất lượng quy trình, hiệu suất điện và độ tin cậy. Các nội dung cốt lõi như sau:

Kiểm tra ngoại hình và các lỗi quy trình

· Chất lượng lớp đồng: Kiểm tra xem lớp đồng dày có bị bong tróc, nứt, oxi hóa hay không, và có xuất hiện ba via ở mép đường dẫn do ăn mòn không đều hay không (cần tuân thủ tiêu chuẩn IPC-A-600);

· Các bàn đấu và thông mạch: Xác minh độ phẳng và độ bám dính của các bàn đấu, độ dày lớp đồng trên thành thông mạch có đạt tiêu chuẩn hay không, và có tồn tại khoảng rỗng hay lỗ lệch tâm hay không.

· Biến dạng bề mặt tấm: Đo độ cong vênh của PCB (các PCB đồng dày dễ bị cong vênh do ứng suất lớp đồng, cần kiểm soát trong phạm vi 0,75%) và kiểm tra hiện tượng bong lớp hoặc bọt khí.

· Độ chính xác về kích thước: Kiểm tra các kích thước chính như bề rộng đường mạch, khoảng cách và đường kính lỗ để đảm bảo phù hợp với bản vẽ thiết kế (sai số sau bù trừ ăn mòn đối với đường đồng dày phải ≤±0,05mm).

Kiểm tra hiệu năng điện

· Kiểm tra dẫn điện và cách điện (kiểm tra Hi-Pot): Phát hiện độ cách điện giữa các đường mạch bằng thiết bị kiểm tra cách điện áp cao để ngăn ngừa hiện tượng đánh thủng do khoảng cách giữa các lớp đồng dày không đủ. Xác minh tính dẫn điện và xử lý sự cố đứt mạch và ngắn mạch;

· Kiểm tra khả năng chịu dòng: Đưa dòng định mức vào trong điều kiện làm việc thực tế mô phỏng, theo dõi mức tăng nhiệt độ của mạch (đối với PCB đồng dày, mức tăng nhiệt độ ở dòng định mức phải ≤20℃), và xác nhận rằng không có nguy cơ quá nhiệt hoặc nóng chảy.

· Kiểm tra trở kháng: Sử dụng máy phân tích trở kháng để phát hiện trở kháng đặc trưng của đường tín hiệu tần số cao nhằm đảm bảo ảnh hưởng của lớp đồng dày đến trở kháng đáp ứng các yêu cầu thiết kế (sai số ≤±10%);

· Kiểm tra sụt áp: Đo mức sụt áp trên đường dây khi truyền dòng điện lớn để xác minh ưu điểm điện trở thấp của lớp đồng dày và tránh tổn thất điện áp ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị.

Kiểm tra Quang học Tự động (AOI)

Kiểm tra Quang học Tự động (AOI) sử dụng công nghệ hình ảnh tiên tiến để phát hiện các lỗi có thể không nhìn thấy bằng mắt thường.

· Hình ảnh độ phân giải cao: Hệ thống AOI chụp các hình ảnh độ phân giải cao của mạch in và so sánh với các thông số thiết kế.

· Phát hiện lỗi: Hệ thống này có thể tự động nhận diện các vấn đề như chập mạch, hở mạch, mỏng vết nối và lệch vị trí.

· Độ chính xác: AOI cung cấp độ chính xác cao, đảm bảo ngay cả những lỗi nhỏ nhất cũng có thể được phát hiện và xử lý.

Thử nghiệm độ tin cậy

· Kiểm tra chu kỳ nhiệt: Kiểm tra chu kỳ trong dải nhiệt độ từ -40 ℃ đến 125℃ (≥1000 lần) để kiểm tra độ ổn định liên kết giữa lớp đồng dày với đế và các pad, không bị bong lớp hay nứt.

· Kiểm tra sốc nhiệt: Chuyển nhanh giữa các môi trường nhiệt độ cao và thấp (chênh lệch nhiệt độ ≥80℃) để xác minh khả năng chịu đựng sự thay đổi nhiệt độ đột ngột của PCB, phù hợp với các tình huống khắc nghiệt như ô tô và điều khiển công nghiệp.

· Kiểm tra độ rung và độ bền cơ học: Mô phỏng độ rung (tần số 5~500Hz) và va chạm trong quá trình vận chuyển và sử dụng để kiểm tra xem mạch đồng dày có bị đứt hay không và các lỗ thông (vias) có bị rơi ra không.

· Kiểm tra khả năng chống ăn mòn: Xác minh khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn của lớp đồng dày thông qua thử nghiệm phun muối (phun muối trung tính, 48 đến 96 giờ) hoặc thử nghiệm ẩm nóng (85℃/85% RH, 1000 giờ).

· Kiểm tra độ tin cậy hàn: Sau khi hoàn thành hàn SMT/hàn lỗ xuyên, kiểm tra độ bền liên kết giữa các mối hàn và các pad đồng dày, đảm bảo không có hiện tượng hàn giả hoặc bong mối hàn (cấu trúc vi mô của các mối hàn có thể được phân tích thông qua mặt cắt kim tương).

Xác minh hiệu suất đặc biệt

· Kiểm tra hiệu suất tản nhiệt: Phát hiện phân bố nhiệt độ của mạch in trong điều kiện tải đầy đủ bằng thiết bị chụp ảnh nhiệt để xác minh hiệu quả tản nhiệt của lớp đồng dày.

· Kiểm tra khả năng chống cháy: Đối với các ứng dụng công suất cao, cấp độ chống cháy của mạch in được kiểm tra theo tiêu chuẩn UL94 (ít nhất đạt cấp V-0);

· Kiểm tra độ bám dính: Thực hiện kiểm tra theo phương pháp lưới trăm ô hoặc kiểm tra kéo để xác nhận độ bám dính giữa lớp đồng dày và chất nền (≥1,5 N/mm).

Các mạch in đồng dày, với khả năng chịu dòng điện lớn, tản nhiệt tốt và độ bền cơ học cao, chủ yếu được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu truyền dòng lớn, đầu ra công suất cao hoặc điều kiện làm việc khắc nghiệt các kịch bản cốt lõi như sau:

Trong lĩnh vực xe năng lượng mới

Các thành phần cốt lõi: Bộ sạc trên xe, hệ thống quản lý pin, bộ điều khiển động cơ, bộ chuyển đổi DC/DC, mô-đun trạm sạc.

Lý do ứng dụng: Cần phải truyền dòng điện lớn (từ vài chục đến vài trăm ampe), chịu được nhiệt độ cao thấp thay đổi liên tục và rung động. Mạch in đồng dày có thể đảm bảo truyền tải điện ổn định và tản nhiệt hiệu quả, phù hợp với môi trường làm việc khắc nghiệt của xe cộ.

Điều khiển công nghiệp và thiết bị điện

Các thành phần cốt lõi: biến tần, bộ điều khiển servo, nguồn điện UPS, mô-đun nguồn công nghiệp, bo mạch điều khiển tủ phân phối điện áp cao, bo mạch chủ của máy hàn điện.

Lý do ứng dụng: Thiết bị điều khiển công nghiệp thường yêu cầu đầu ra công suất lớn. PCB đồng dày có thể giảm tổn thất điện trở đường dây, ngăn ngừa quá nhiệt, đồng thời chống lại rung động cơ học và nhiễu điện từ tăng cường độ tin cậy của thiết bị.

Lĩnh vực thiết bị y tế

Các thành phần cốt lõi: Nguồn điện y tế, mô-đun nguồn máy thở, bo mạch điều khiển dụng cụ phẫu thuật điện.

Lý do ứng dụng: Thiết bị y tế có yêu cầu cực kỳ cao về độ ổn định và an toàn nguồn điện. PCB đồng dày có thể đạt được sụt áp thấp, tản nhiệt tốt, đáp ứng các tiêu chuẩn cách điện nghiêm ngặt và chịu điện áp cao của ngành y tế.

Lĩnh vực hàng không vũ trụ và công nghiệp quân sự

Các thành phần chính: Hệ thống nguồn điện trên không, mô-đun phóng ra-đa, bảng điều khiển tên lửa, đơn vị nguồn cung cấp vệ tinh.

Lý do ứng dụng: Để thích nghi với nhiệt độ cực đoan, rung động mạnh và môi trường bức xạ, tấm mạch in dày đồng có độ bền cơ học cao và hiệu suất điện ổn định có thể đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường trong điều kiện khắc nghiệt.

Thiết bị tiêu dùng và thương mại công suất cao

Các thành phần chính: Bộ biến tần lưu trữ năng lượng, bộ biến tần quang điện, bảng điều khiển thiết bị gia dụng công suất lớn (như bếp từ, lò nướng điện), mô-đun nguồn trung tâm dữ liệu.

Lý do ứng dụng: Thiết bị công suất cao sinh ra nhiều nhiệt và dòng điện lớn. Tấm mạch in dày đồng có thể tản nhiệt nhanh chóng, ngăn ngừa quá tải và cháy mạch, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Lĩnh vực giao thông đường sắt

Các thành phần chính: Bộ chuyển đổi kéo tàu, hệ thống cấp điện đường ray, mô-đun điều khiển tín hiệu.

Lý do ứng dụng: Thiết bị giao thông đường sắt cần phải chịu được rung động lâu dài, nhiệt độ cao và thấp, cũng như các tác động dòng điện lớn do khởi động và dừng liên tục. Khả năng dẫn dòng và độ tin cậy cơ học của PCB đồng dày có thể đáp ứng yêu cầu này.