Id-dar > L-aħbarijiet > Il-kontenut
Ram tqil u estrem għall-affidabilità massima fid-disinn u l-fabbrikazzjoni tal-PCBs
Jul 05, 2018

Diversi prodotti elettroniċi tal-qawwa qed jiġu ddisinjati kuljum għal firxa ta 'applikazzjonijiet. Dejjem aktar, dawn il-proġetti qed jieħdu vantaġġ ta 'xejra dejjem tikber fl-industrija tal-bord taċ-ċirkwit stampat: ramm tqal u PCBs tar-ram estremi.

Dak li jiddefinixxi ċirkuwitu tqil tar-ram? Il-biċċa l-kbira tal-PCBs kummerċjalment disponibbli huma manifatturati għal applikazzjonijiet ta 'vultaġġ baxx jew ta' enerġija baxxa, bi traċċi / pjani tar-ram magħmulin minn piżijiet tar-ram li jvarjaw minn ½ oz / ft2 sa 3-oz / ft2. Ċirkwit tqil tar-ram huwa manifatturat b'piżijiet tar-ram kullimkien bejn 4-oz / ft2 sa 20-oz / ft2. Il-piżijiet tar-ram 'il fuq minn 20 oz / ft2 u sa 200-oz / ft2 huma wkoll possibbli u huma msejħa ram estrem.

Għall-finijiet ta 'din id-diskussjoni, aħna se niffukaw primarjament fuq ram tqil. Iż-żieda fil-piż tar-ram flimkien ma 'sottostrat xieraq u kisi eħxen fit-toqob passivi jittrasformaw il-bord ta' ċirkwit dgħajjef darba affidabbli u mhux affidabbli f'pjattaforma ta 'wajers li tibqa' twila u affidabbli.

Il-kostruzzjoni ta 'ċirkwit tqil tar-ram tagħti lil bord b'benefiċċji bħal:

Reżistenza akbar għal razez termali

Kapaċità miżjuda tal-kurrent kurrenti

Saħħa msaħħa mekkanika f'siti tal-konnettur u f'toqob PTH

Materjali eżotiċi użati għall-potenzjal sħiħ tagħhom (jiġifieri, temperatura għolja) mingħajr falliment ta 'ċirkwit

Daqs tal-prodott ridott billi jinkorpora piżijiet multipli tar-ram fuq l-istess saff ta 'ċirkwiti (Figura 1)

Il-vias tqal tar-ramm iġorru kurrent ogħla mill-bord u jgħinu biex jittrasferixxu s-sħana għal heatsink estern

Heatsinks abbord imbattla direttament fuq il-wiċċ tal-bord bl-użu ta 'pjani tar-ram ta' 120 oz

Transformers planari abbord ta 'qawwa għolja ta' densità għolja

Għalkemm l-iżvantaġġi huma ftit, huwa importanti li tifhem il-kostruzzjoni bażika taċ-ċirkwit tqil tar-ram biex tapprezza bis-sħiħ il-kapaċitajiet u l-applikazzjonijiet potenzjali tagħha.

Figura 1: Kampjun li juri karatteristiċi ta '2-oz, 10 oz, 20-oz u 30-oz copper fuq l-istess saff.

Kostruzzjoni qawwija ta 'Circuit tar-Ram

Il-PCBs standard, kemm jekk doppji kif ukoll b'ħafna saffi, huma manifatturati bl-użu ta 'taħlita ta' proċessi ta 'inċiżjoni u kisi ta' ram. Saffi ta 'ċirkwiti jibdew bħala folji rqaq ta' fojl tar-ram (ġeneralment 0.5 oz / ft2 sa 2 oz / ft2) li huma nċiżi biex jitneħħew ir-ram mhux mixtieq, u msajra biex iżżid il-ħxuna tar-ram għal pjani, traċċi, pads u indurati. Is-saffi kollha taċ-ċirkuwiti huma laminati f'pakkett komplet bl-użu ta 'sottostrat epoxy, bħal FR-4 jew polyimide.

Bordijiet li jinkorporaw ċirkuwiti tqal tar-ram huma prodotti eżattament bl-istess mod, għalkemm b'tekniki ta 'inċiżjoni u kisi speċjalizzati, bħal kisi ta' veloċità għolja / pass u etching differenzjali. Storikament, il-karatteristiċi tqal tar-ram kienu ffurmati kompletament billi inħallu l-materjal tal-bord laminat ħoxnin miksi bir-ramm, u jikkawżaw ġnub ta 'traċċi irregolari u twaqqigħ mhux aċċettabbli. L-avvanzi fit-teknoloġija tal-plating ippermettew li l-karatteristiċi tqal tar-ram jiġu ffurmati b'kombinazzjoni ta 'kisi u ta' inċiżjoni, li jirriżultaw fi ħitan tal-ġenb dritti u negliġibbli taħt il-ġilda.

Il-kisi ta 'ċirkuwit tqil tar-ram jippermetti lill-fabbrikant tal-bord biex iżid l-ammont ta' ħxuna tar-ram f'toqob indurati u permezz tal-ġenb. Issa huwa possibbli li taħlita tar-ram tqil b'karatteristiċi standard fuq bord wieħed. Il-vantaġġi jinkludu l-għadd ta 'saff imnaqqas, id-distribuzzjoni tal-enerġija b'impedenza baxxa, il-footprints iżgħar u l-iffrankar potenzjali tal-ispejjeż.

Normalment, ċirkuwiti ta 'kurrent għoli / qawwa għolja u ċ-ċirkuwiti ta' kontroll tagħhom ġew prodotti separatament fuq bordijiet separati. Il-kisi tqil tar-ram jagħmilha possibbli li jiġu integrati ċirkuwiti ta 'kurrent għoli u ċirkuwiti ta' kontroll biex tkun realizzata struttura abbundanti ħafna, iżda sempliċi.

Il-karatteristiċi tqal tar-ram jistgħu jkunu konnessi bla xkiel ma 'ċirkwiti standard. Il-karatteristiċi tqal tar-ram u tal-istandard jistgħu jitpoġġew b'restrizzjoni minima sakemm id-disinjatur u l-fabbrikatur jiddiskutu t-tolleranzi u l-abbiltajiet tal-manifattura qabel id-disinn finali (Figura 2).

Figura 2: Il-karatteristiċi ta '2 oz jgħaqqdu ċ-ċirkuwiti ta' kontroll filwaqt li l-karatteristiċi ta '20 oz jinġarru tagħbijiet ta' kurrent għoli.

Kapaċità tal-Ġarr Kurrenti u Żieda fit-Temperatura

Kemm il-kurrent jista 'jġorr mingħajr periklu ċirkwit tar-ram? Din hija mistoqsija spiss espressa minn disinjaturi li jixtiequ jinkorporaw ċirkuwiti tqal tar-ram fil-proġett tagħhom. Din il-mistoqsija normalment titwieġeb b'mistoqsija oħra: Kemm tiżdied is-sħana tista 'tiflaħ il-proġett tiegħek? Din il-mistoqsija tqum minħabba li ż-żieda tas-sħana u l-fluss kurrenti jimxu id f'id. Ejja nippruvaw nirrispondu flimkien dawn il-mistoqsijiet flimkien.

Meta l-flussi kurrenti tul traċċa, hemm I2R (telf ta 'enerġija) li jirriżulta fit-tisħin lokalizzat. It-traċċa jibred b'konduzzjoni (f'materjali ġirien) u konvezzjoni (fl-ambjent). Għalhekk, biex issib il-kurrent massimu traċċa tista 'twettaq b'mod sikur, irridu insibu mod kif nistmaw iż-żieda tas-sħana assoċjata mal-kurrent applikat. Sitwazzjoni ideali tkun li tintlaħaq temperatura ta 'tħaddim stabbli fejn ir-rata tat-tisħin tkun daqs ir-rata tat-tkessiħ. Fortunatament, għandna formula IPC li nistgħu nużaw biex nimmodifikaw dan l-avveniment.

IPC-2221A: kalkolu għall-kapaċità attwali ta 'binarju estern [1]:

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

Fejn I hija kurrenti (amps), DT hija żieda fit-temperatura (° C), W hija wisa 'tat-traċċa (mil) u Th hija ħxuna tat-traċċa (mil). It-traċċi interni għandhom jitnaqqsu b'50% (stima) għall-istess livell ta 'tisħin. Bl-użu tal-formula tal-IPC ġenerajna l-Grafika 3, li turi l-kapaċità ta 'trażmissjoni attwali ta' diversi traċċi ta 'żoni transversali differenti b'żieda fit-temperatura ta' 30 ° C.

Figura 3: Kurrent approssimattiv għal dimensjonijiet partikolari tal-mogħdija (żieda temp 20˚C).

Dak li jikkostitwixxi ammont aċċettabbli ta 'żieda fis-sħana se jkun differenti mill-proġett għall-proġett. Ħafna mill-materjali dielettriċi tal-bord ta 'ċirkwiti jistgħu jifilħu temperaturi ta' 100 ° C 'il fuq mill-ambjent, għalkemm dan l-ammont ta' bidla fit-temperatura jkun inaċċettabbli f'ħafna sitwazzjonijiet.

Qawwa u Sopravivenza tal-Bord taċ-Ċirkuwiti

Il-manifatturi u d-disinjaturi tal-bord taċ-ċirkuwiti jistgħu jagħżlu minn varjetà ta 'materjali dielettriċi, minn FR-4 standard (temperatura operattiva 130 ° C) għal polyimide b'temperatura għolja (temperatura operattiva 250 ° C). Sitwazzjoni f'temperatura għolja jew f'ambjent estrem tista 'titlob materjal eżotiku, iżda jekk it-traċċi taċ-ċirkwiti u l-vireg miksijin huma standard 1-oz / ft2, se jgħixu l-kundizzjonijiet estremi? L-industrija tal-bord taċ-ċirkwit żviluppat metodu tat-test għad-determinazzjoni tal-integrità termali ta 'prodott ta' ċirkwit lest. Ir-razez termali jiġu minn diversi proċessi ta 'fabbrikazzjoni, immuntar u tiswija tal-bord, fejn id-differenzi bejn il-koeffiċjent tal-espansjoni termika (CTE) tal-Cu u l-pellikola PWB jipprovdu l-forza li tmexxi n-nuklejazzjoni u t-tkabbir tan-crack għal falliment taċ-ċirkwit. L-ittestjar ta 'ċiklu termali (TCT) jiċċekkja għal żieda fir-reżistenza ta' ċirkwit peress li jgħaddi minn ċikli termali bl-arja-arja minn 25 ° C sa 260 ° C.

Żieda fir-reżistenza tindika tqassim fl-integrità elettrika permezz ta 'xquq fiċ-ċirkwit tar-ram. Disinn standard ta 'kupun għal dan it-test juża katina ta' 32 toqob imħaffra, li ilu meqjus bħala l-iktar punt dgħajjef f'ċirkwit meta jkun soġġett għal stress termali.

L-istudji taċ-ċiklu termali li saru fuq bordijiet FR-4 standard b'0,8-mil sa 1.2-mil kisi tar-ram wrew li 32% taċ-ċirkuwiti jonqsu wara tmien ċikli (żieda ta '20% f'reżistenza hija kkunsidrata bħala ħsara). Studji taċ-ċiklu termali li saru fuq materjali eżotiċi juru titjib sinifikanti għal din ir-rata ta 'falliment (3% wara tmien ċikli għal ester taċ-ċjanat), iżda huma għaljin b'mod kostanti (ħamsa sa 10 darbiet l-ispiża tal-materjal) u diffiċli biex jiġu pproċessati. Assemblaġġ medju tat-teknoloġija tal-immuntar tal-wiċċ jara minimu ta 'erba' ċikli termali qabel il-ġarr, u jista 'jara żewġ ċikli termali addizzjonali għal kull tiswija ta' komponent.

Mhuwiex irraġonevoli għal bord SMOBC li għadda minn ċiklu ta 'tiswija u sostituzzjoni biex jilħaq total ta' disa 'jew għaxar ċikli termali. Ir-riżultati tat-TCT juru biċ-ċar li r-rata ta 'falliment, x'ikun il-materjal tal-bord, jista' jsir inaċċettabbli. Manifatturi tal-bord taċ-ċirkwiti stampati jafu li l-electroplating tar-ram mhuwiex eżatt ix-xjenza-bidliet fid-densitajiet attwali madwar bord u permezz ta 'bosta toqob / daqsijiet permezz ta' kejbils jirriżultaw f'varjazzjonijiet tal-ħxuna tar-ram sa 25% jew aktar. Ħafna mill-oqsma ta '"ram irqiq" huma fuq ħitan indurati - ir-riżultati tat-TCT juru biċ-ċar li dan huwa l-każ.

L-użu ta 'ċirkuwiti tqal tar-ram inaqqas jew jelimina dawn in-nuqqasijiet kompletament. Kisi ta '2-oz / ft2 tar-ram għal ħajt tat-toqba jnaqqas ir-rata ta' falliment għal kważi żero (ir-riżultati tat-TCT juru rata ta 'falliment ta' 0.57% wara tmien ċikli għal FR-4 standard b'minimu ta '2.5-mil kisi tar-ram). Fil-fatt, iċ-ċirkwit tar-ram isir impermeabbli għall-istress mekkaniku mqiegħed fuqu miċ-ċiklar termali.

Immaniġġjar Termali

Minħabba li d-disinjaturi jagħmlu ħilithom biex jiksbu l-valur u l-prestazzjoni massimi mill-proġetti tagħhom, iċ-ċirkuwiti stampati qed isiru aktar kumplessi u huma mmexxija għal densitajiet ogħla ta 'qawwa. Il-miniaturizzazzjoni, l-użu tal-komponenti tal-enerġija, il-kundizzjonijiet ambjentali estremi u r-rekwiżiti kurrenti għoljin iżidu l-importanza tal-ġestjoni termika. It-telf ogħla fil-forma ta 'sħana, li ġeneralment jiġi ġġenerat fl-operat tal-elettronika, għandu jinħela mis-sors tiegħu u jiġi rradjat għall-ambjent; inkella, il-komponenti jistgħu jisħnu żżejjed u jista 'jkun hemm fallimenti. Madankollu, ċirkuwiti tqal tar-ram jistgħu jgħinu billi jitnaqqas it-telf ta 'l-I2R u billi s-sħana titwarrab minn komponenti siewja, u tnaqqas b'mod drammatiku r-rati tal-falliment.

Sabiex tinkiseb dissipazzjoni xierqa tas-sħana minn sorsi tas-sħana ġo u fuq il-wiċċ ta 'bord ta' ċirkwit, jintużaw ħofor. L-iskop ta 'xi heatsink huwa li tinħela s-sħana' l bogħod mis-sors tal-ġenerazzjoni permezz tal-konduzzjoni u jarmu dan is-sħana b'konvezzjoni mal-ambjent. Is-sors tas-sħana fuq naħa waħda tal-bord (jew sorsi tas-sħana interni) huwa mqabbad b'vias tar-ram (xi drabi msejħa "vias tas-sħana") għal żona kbira ta 'ramm mikxuf fuq in-naħa l-oħra tal-bord.

Ġeneralment, heatsinks klassiċi huma marbuta ma 'dan il-wiċċ tar-ram waħdu permezz ta' adeżiv termalment konduttiv jew f'xi każijiet, huma msakkra jew imbarrat. Ħafna mill-heatsinks huma magħmulin minn ramm jew aluminju. Il-proċess ta 'assemblaġġ meħtieġ għall-heatsinks klassiċi jikkonsisti fi tliet stadji intensivi u li jiswew ħafna flus.

Biex tibda, il-metall li jservi bħala l-heatsink għandu jkun ippanċjat jew maqtugħ għall-forma meħtieġa. Is-saff li jwaħħal għandu wkoll jinqata 'jew jiġi stampat għal tajbin ta' preċiżjoni bejn il-bord taċ-ċirkwit u l-heatsink. L-aħħar iżda mhux l-inqas, il-heatsink għandu jkun imqiegħed sewwa fuq il-PCB u l-pakkett kollu għandu jkun miksi għal reżistenza elettrika u / jew ta 'korrużjoni b'lajka adattata jew kisja ta' kopertura.

Normalment, il-proċess ta 'hawn fuq ma jistax jiġi awtomatizzat u għandu jsir bl-idejn. Il-ħin u x-xogħol meħtieġ biex jitlesta dan il-proċess huwa sinifikanti, u r-riżultati huma inferjuri għal proċess awtomatizzat mekkanikament. B'kuntrast, huma maħluqin il-heatsinks integrati matul il-proċess ta 'manifattura tal-PCB u ma jeħtieġu l-ebda assemblaġġ addizzjonali. It-teknoloġija ta 'ċirkwit tqil tar-ram tagħmilha possibbli. Din it-teknoloġija tippermetti ż-żieda ta 'heatsinks ħoxnin tar-ram kważi kullimkien fuq l-uċuh ta' barra ta 'bord. Il-heatsinks huma electroplated fuq il-wiċċ u għalhekk imqabbda mas-sħana li twettaq vias mingħajr l-ebda interfaċċja li tfixkel il-konduttività termali.

Benefiċċju ieħor huwa l-kisi tar-ramm miżjud fil-vias tas-sħana, li tnaqqas ir-reżistenza termali tad-disinn tal-bord, billi tirrealizza li jistgħu jistennew l-istess grad ta 'preċiżjoni u ripetibbiltà inerenti fil-manifattura tal-PCB. Minħabba li l-koljaturi planari huma attwalment traċċi ċatti konduttivi ffurmati fuq pellikola miksija mir-ram, itejbu d-densità tal-kurrent totali meta mqabbla ma 'kondutturi tal-wajer ċilindriċi. Dan il-benefiċċju huwa dovut għall-minimizzazzjoni tal-effett tal-ġilda u l-effiċjenza ogħla tat-twettiq tal-kurrent.

Il-planars abbord jiksbu iżolament dielettriku primarju-sekondarju u sekondarju-sekondarju eċċellenti minħabba li jintuża l-istess materjal dielettriku bejn is-saffi kollha, li jiżgura inkapsulazzjoni kompleta tal-koljaturi kollha. Barra minn hekk, il-koljaturi primarji jistgħu jiġu mxerrda sabiex il-koljaturi sekondarji jkunu mgħaffġa bejn il-primarji, u jiksbu inductance ta 'tnixxija baxxa. It-tekniki standard tal-laminazzjoni tal-PCB, bl-użu ta 'għażla ta' varjetà ta 'reżini epossidiċi, jistgħu b'sigurtà sandwich sa 50 saff ta' koljaturi tar-ram bħala ħxuna ta '10-oz / ft2.

Matul il-manifattura ta 'ċirkuwiti tqal tar-ram, ġeneralment qed nittrattaw ħxuna ta' plating sinifikanti; għalhekk, għandhom isiru kwoti fid-definizzjoni tas-separazzjonijiet tat-traċċi u d-daqsijiet tal-pad. Għal din ir-raġuni, id-disinjaturi huma avżati li jkollhom il-manifattur tal-bord abbord kmieni fil-proċess tad-disinn.

Il-prodotti elettroniċi tal-enerġija li jużaw ċirkuwiti tqal tar-ram ilhom jintużaw għal bosta snin fl-industrija militari u aerospazjali u qed jiksbu spinta bħala teknoloġija ta 'għażla f'applikazzjonijiet industrijali. Huwa maħsub li r-rekwiżiti tas-suq se jestendu l-applikazzjoni ta 'dan it-tip ta' prodott fil-futur qarib.

Referenzi:

1. IPC -2221A