Mājas > Jaunumi > Saturs
Smagais un ārkārtējs varš, lai nodrošinātu maksimālu ticamību PCB projektēšanā un izgatavošanā
Jul 05, 2018

Dažādu lietojumu laikā katru dienu tiek izstrādāti dažādi spēka elektronikas izstrādājumi. Šajos projektos arvien vairāk tiek izmantotas tendences drukas shēmu plaša patēriņa nozarē: smagie vara un ārkārtas vara PCB.

Kas definē smago vara ķēdi? Lielākā daļa komerciāli pieejamo PCB tiek ražoti zemsprieguma / mazjaudas lietojumprogrammās ar vara plankumiem / plaknēm, kas sastāv no vara svara, sākot no ½ oz / ft2 līdz 3 oz / ft2. Smagā vara ķēde tiek ražota ar vara svaru jebkur starp 4 oz / ft2 līdz 20 oz / ft2. Arī vara svars pārsniedz 20 oz / ft2 un līdz 200 oz / ft2, un tiek saukts par ekstrēmu varu.

Šīs diskusijas mērķiem mēs galvenokārt koncentrēsimies uz smago varu. Palielināts vara svars apvienojumā ar piemērotu substrātu un biezāka pārklājuma caur caurumiem pārveido vienu reizi neuzticamu vāju shēmu plates par izturīgu un uzticamu elektroinstalācijas platformu.

Smagā kapteiņa konstrukcija padara dēli ar tādām priekšrocībām kā:

Palielināta izturība pret termisko spriedzi

Palielināta strāvas kapacitāte

Paaugstināta mehāniskā izturība savienotāju vietās un PTH caurumos

Eksotiski materiāli, kas tiek izmantoti, lai pilnībā izmantotu to potenciālu (ti, augstā temperatūrā) bez ķēdes atteices

Samazināts produkta izmērs, iekļaujot vairākus vara svarus tajā pašā shēmas slānī (1. attēls)

Viegla ar vara pārklājumu viļņa viļņa garums pārsniedz siltumu, un padod siltumu ārējā radiatorā

Borta siltumnesēji tiek tieši pārklāti uz kuģa virsmas, izmantojot līdz pat 120 oz vara plaknēm

Borta lieljaudas blīvi plāni transformatori

Lai gan trūkumi ir maz, ir svarīgi saprast smago vara ķēdes pamata konstrukciju, lai pilnībā novērtētu tās iespējas un iespējamās pielietošanas iespējas.

1. attēls: paraugs ar 2-oz, 10-oz, 20-oz un 30-oz vara elementiem tajā pašā slānī.

Smago vara ķēžu konstrukcija

Standarta PCB, gan divpusēji, gan daudzslāņi, tiek izgatavoti, izmantojot vara kodināšanas un pārklāšanas procesus. Ķēdes slāņi sākas ar vieglās folijas plānām loksnēm (parasti 0,5 oz / ft2 līdz 2 oz / ft2), kas ir iegravēti, lai noņemtu nevēlamu varu, un pārklāj, lai vara biezumu piepildītu ar plaknēm, pēdām, spilventiņiem un pārklājumiem caur caurumiem. Visi ķēžu slāņi ir laminēti pilnā iepakojumā, izmantojot epoksīda pamatni, piemēram, FR-4 vai poliimīdu.

Dēļi ar smagām vara shēmām tiek izgatavotas tieši tādā pašā veidā, lai gan ar specializētām sintēžu un plīšanas metodēm, piemēram, ātrgaitas / pakāpju pārklājumiem un diferenciālas sintēzes. Vēsturiski, smagie vara elementi tika pilnīgi izveidoti ar biezu ar vara pārklājumu pārklātu laminētu plātņu materiālu, radot nevienmērīgas sānu sienas un nepieņemamu griezumu. Plākšņu tehnoloģijas attīstība ir ļāvusi veidot smagas vara īpašības ar pārklāšanas un kodināšanas kombināciju, kā rezultātā rodas taisnas sānu sienas un nenozīmīgs samazinājums.

Smagā vara ķēdes pārklājums ļauj kuģa izgatavotājam palielināt vara biezuma daudzumu pārklātajos caurumos un sānu sienās. Tagad ir iespējams maisīt smago varu ar standarta funkcijām vienā kartē. Priekšrocības ir samazināts slāņu skaits, zems pretestības jaudas sadalījums, mazāks pēdas nospiedums un iespējamais izmaksu ietaupījums.

Parasti lieljaudas / lieljaudas ķēdes un to vadības ķēdes tika ražotas atsevišķi atsevišķās plātnēs. Spēcīgs vara pārklājums ļauj integrēt augsta strāvas ķēdes un vadības ķēdes, lai izveidotu ļoti blīvu, bet vienkāršu kuģa konstrukciju.

Smagie vara elementi ir vienmérīgi savienoti ar standarta shēmām. Smagie vara un standarta elementi var tikt novietoti ar minimālu ierobežojumu, ja projektētājs un ražotājs pārrunā ražošanas tolerances un spējas pirms galīgā projekta (2. attēls).

2. attēls: 2-oz raksturlielumi savieno vadības ķēdes, kamēr 20-oz raksturlielumi ir liela slodze.

Pašreizējā pārvadāšanas jauda un temperatūras paaugstināšanās

Cik daudz strāvas var droši pārvadāt ar varu? Tas ir jautājums, ko bieži pauž dizaineri, kuri savā projektā vēlas iekļaut smagās vara shēmas. Parasti uz šo jautājumu atbild vēl viens jautājums: cik daudz siltuma pieauguma jūsu projekts spēj izturēt? Šis jautājums rodas, jo siltuma pieaugums un strāvas plūsma iet roku rokā. Mēģināsim atbildēt uz abiem šiem jautājumiem kopā.

Ja strāvas plūsma tiek novietota gar trajektoriju, ir I2R (jaudas zudums), kas izraisa lokalizētu apkuri. Trace atdzesē caur vadību (uz blakus esošajiem materiāliem) un konvekciju (apkārtējā vidē). Tāpēc, lai atrastu maksimālo strāvu, kuru var droši pārvadāt, mums jāatrod veids, kā novērtēt siltuma pieaugumu, kas saistīts ar piemēroto strāvu. Ideāla situācija būtu sasniegt stabilu darba temperatūru, kur sildīšanas ātrums ir vienāds ar dzesēšanas ātrumu. Par laimi, mums ir IPC formula, ko mēs varam izmantot, lai modelētu šo notikumu.

IPC-2221A: ārējā sliežu pašreizējās jaudas aprēķins [1]:

I = .048 * DT (.44) * (W * Th) (. 725)

Kur es esmu strāva (ampēri), DT ir temperatūras paaugstināšanās (° C), W ir zīmes (mil) platums un Th ir zīmes biezums (mil). Iekšējās pēdas jāsamazina par 50% (aplēse) tādā pašā siltuma pakāpē. Izmantojot IPC formulu, mēs izveidojām 3. att., Parādot vairāku dažādu šķērsgriezumu laukumu plūsmas ar 30 ° C temperatūras pieaugumu.

3. attēls. Aptuvenā strāva noteiktiem sliežu izmēriem (20 ° C temp. Pieaugums).

Tas, kas veido pieņemamu siltuma pieaugumu, atšķiras no projekta līdz projektam. Lielākā daļa shēmas plates dielektrisko materiālu var izturēt temperatūru 100 ° C virs apkārtējās vides, lai gan šī temperatūras izmaiņu summa vairumā gadījumu būtu nepieņemama.

Circuit Board stiprība un dzīvotspēju

Sakaru shēmas ražotāji un dizaineri var izvēlēties no dažādiem dielektriskiem materiāliem, sākot no standarta FR-4 (darba temperatūra 130 ° C) līdz augsttemperatūras poliimīdam (darbības temperatūra ir 250 ° C). Augstas temperatūras vai ārkārtējas vides apstākļos var būt nepieciešams eksotisks materiāls, bet, ja ķēdes pēdas un pārklāti vias ir standarta 1 oz / ft2, vai tie izdzīvos ekstremālos apstākļos? Ķēžu plātņu nozare ir izstrādājusi testa metodi, lai noteiktu gala ķēdes produkta siltumizturību. Termiski celmi nāk no dažādiem paneļu izgatavošanas, montāžas un remonta procesiem, kur atšķirības starp Cu un PWB lamināta siltuma izplešanās koeficientu (CTE) nodrošina krekinga radīšanas un izaugsmes virzītājspēku ķēdes neveiksmei. Siltuma cikla pārbaude (TCT) pārbauda ķēdes pretestības palielināšanos, kad tiek veikta termoapstrāde no gaisa temperatūras no 25 ° C līdz 260 ° C.

Paaugstināta pretestība norāda uz elektriskās integritātes bojājumu caur plaisām vara ķēdē. Standarta kuponu konstrukcija šim testam izmanto 32 plākšņu caursūkšanas ķēdi, kas jau sen tiek uzskatīta par visvājāko vietu ķēdē, pakļaujoties termiskajam spriegumam.

Siltuma cikla pētījumi, kas veikti uz standarta FR-4 plātnēm ar 0,8 līdz milimetriem metru vara pārklājumiem, parādīja, ka 32% no ķēdēm neizdodas pēc astoņiem cikliem (pretestības pieaugums par 20% tiek uzskatīts par kļūmi). Eksoktiskajos materiālos veiktā termiskā cikla pētījumi liecina par būtiskiem uzlabojumiem šajā neveiksmības pakāpē (3% pēc astoņām cianātu estera cikliem), taču tie ir pārmērīgi dārgi (piecas līdz 10 reizes lielāka par materiāla izmaksām) un grūti apstrādājami. Vidējai virsmas montāžas tehnoloģijai, pirms pārvadāšanas, tiek saskaitīti vismaz četri siltuma cikli, un katram komponenta remontam varētu redzēt vēl divus siltuma ciklus.

SMOBC dēlis, kas ir izgājis remonta un nomaiņas ciklu, nav saprātīgi, lai sasniegtu deviņus vai 10 siltuma ciklus kopumā. TCT rezultāti skaidri parāda, ka kļūmes ātrums, neatkarīgi no tā, kāds ir valdes materiāls, var kļūt nepieņemams. Iespiedplates ražotāji zina, ka vara elektrolītiskais materiāls nav precīzs zinātniskais risinājums, jo pašreizējā blīvuma dēļ plātne un daudzu caurumu / izmēru dēļ vara biezuma izmaiņas līdz 25% vai vairāk. Lielākā daļa "plānā vara" ir uz pārklājuma sienām - TCT rezultāti skaidri parāda, ka tas tā ir.

Izmantojot smagās vara shēmas, varētu samazināt vai novērst šīs nepilnības. Vienas 2 oz / ft2 pārklājums ar caurumu sieniņām samazina bojājuma ātrumu līdz gandrīz nullei (TCT rezultāti rāda 0.57% atteices koeficientu pēc astoņiem standarta FR-4 cikliem ar vismaz 2,5 mil vara pārklājumu). Patiesībā vara ķēde kļūst necaurlaidīga pret mehāniskajiem spriedumiem, kas uz tā iedarbojas ar siltuma ciklu.

Siltumvadība

Kā dizaineri cenšas iegūt maksimālu vērtību un veiktspēju no saviem projektiem, iespiedshēmas kļūst sarežģītākas un tiek virzīts uz lielāku jaudas blīvumu. Miniaturizācija, spēka komponentu izmantošana, ārkārtēji vides apstākļi un augsta līmeņa strāvas prasības palielina siltumvadības nozīmi. Lielāki siltuma zudumi, kas bieži rodas elektronikas darbībā, ir jāizkliedē no tā avota un jāizplūst apkārtējā vidē; pretējā gadījumā komponenti varētu pārkarst, un var rasties kļūmes. Tomēr smagās vara shēmas var palīdzēt, samazinot I2R zudumus un veicot siltumu no vērtīgām sastāvdaļām, ievērojami samazinot kļūmes ātrumu.

Lai panāktu pareizu siltuma izkliedi no siltuma avotiem montāžas plates virsmā un uz tās, tiek izmantoti radiatori. Jebkura radiācijas avota mērķis ir izkliedēt siltumu no ģenerēšanas avota caur vadību un izdalīt šo siltumu konvekcijas ceļā uz vidi. Siltuma avotu viena paneļa pusē (vai iekšējos siltuma avotos) savieno vara viasas (dažreiz sauc par "karstuma viasas") uz lielu tukša vara zonu, kas atrodas uz otras puses.

Parasti klasiskās radiācijas tvertnes ir saistītas ar šo tukšo vara virsmu, izmantojot termoizturīgu līmi vai dažos gadījumos ir kniedētas vai pieskrūvētas. Lielākā daļa sildītāju ir izgatavotas no vara vai alumīnija. Klasisko radiatoru montāžas process sastāv no trim darbietilpīgiem un dārgiem soļiem.

Lai sāktu, metālam, kas kalpo kā radiācijas spuldzīte, jābūt perforētam vai sagrieztam līdz nepieciešamajai formai. Līmes slānis ir arī jāpagriež vai jānozīmē, lai precīzi savienotu shēmu plates un radiatoru. Pēdējais, bet ne mazāk svarīgi, radiatoram jābūt pareizi novietotam uz PCB, un visa pakete ir jāaprīko ar elektrisko un / vai korozijizturību ar piemērotu laku vai pārklājumu.

Parasti iepriekš minēto procesu nevar automatizēt, un tas jāveic ar rokām. Laiks un darbs, kas vajadzīgs šī procesa pabeigšanai, ir ievērojams, un rezultāti ir zemāki par mehāniski automatizētu procesu. Savukārt PCB ražošanas procesā tiek radītas iebūvētas radiācijas lampas, un tām nav nepieciešama papildu montāža. Viegla vara ķēdes tehnoloģija padara to par iespējamu. Šī tehnoloģija ļauj pievienot biezu vara sildītājus gandrīz jebkurā vietā uz kuģa ārējām virsmām. Siltuma caurlaidības ir pārklātas uz virsmas un tādējādi savienotas ar siltuma vadīšanas viasiem bez saskarnēm, kas kavē siltuma vadītspēju.

Vēl viens ieguvums ir pievienots vara pārklājums siltuma vias, kas samazina siltuma pretestību kuģa dizains, saprotot, ka viņi var sagaidīt tādu pašu precizitāti un atkārtojamību, kas raksturīga PCB ražošana. Tā kā plakanie tinumi ir faktiski plakanie vadāmie pēdas, kas veidoti uz vara pārklāta lamināta, tie uzlabo kopējo strāvas blīvumu salīdzinājumā ar cilindriskiem stieples vadītājiem. Šis ieguvums ir saistīts ar ādas efekta mazināšanu un lielāku strāvas pārnešanas efektivitāti.

Borta planariem tiek nodrošināta laba izolācija no pirmskolas līdz vidējai un vidējai un sekundārajai dielektriskai izolācijai, jo viens un tas pats dielektriskais materiāls tiek izmantots starp visiem slāņiem, nodrošinot visu tinumu pilnīgu iesaiņošanu. Turklāt primāros tinumus var izlijt tā, lai sekundārie tinumi ir nostiprināti starp primārajiem materiāliem, panākot zemu induktivitāti. Standarta PCB laminēšanas paņēmieni, izmantojot dažādu epoksīda sveķu izvēli, var droši nosēdināt līdz 50 slāņiem vara tinumu, kas ir biezāki par 10 oz / ft2.

Ražojot smagās vara ķēdes, mēs parasti nodarbojamies ar ievērojamu pārklājuma biezumu; tādēļ ir jāizmanto kvotas, nosakot šķidrumu atdalīšanu un spilvenu izmērus. Šā iemesla dēļ dizaineriem ieteicams, lai kuģa ražotājs uz kuģa sākumā projektēšanas procesā.

Jaudas elektronikas izstrādājumi, kas izmanto smago vara shēmas, daudzus gadus ir izmantoti militārajā un kosmiskajā rūpniecībā, un tie ir ieguvuši impulsu kā rūpnieciskām vajadzībām izvēlēta tehnoloģija. Tiek uzskatīts, ka tirgus prasības tuvākajā laikā paplašinās šāda veida produktu lietošanu.

Atsauces:

1. IPC -2221A