Schweres und extremes Kupfer für maximale Zuverlässigkeit im PWB-Entwurf und in der Herstellung
Jul 05, 2018

Verschiedene Leistungselektronik-Produkte werden täglich für eine Reihe von Anwendungen entwickelt. In zunehmendem Maße nutzen diese Projekte einen wachsenden Trend in der Leiterplattenindustrie: schwere Kupfer- und extreme Kupfer-Leiterplatten.

Was definiert eine schwere Kupferschaltung? Die meisten im Handel erhältlichen PCBs werden für Niederspannungs- / Schwachstromanwendungen mit Kupferspuren / -flächen hergestellt, die aus Kupfergewichten im Bereich von ½-oz / ft² bis 3-oz / ft² bestehen. Ein schwerer Kupferkreislauf wird mit Kupfergewichten zwischen 4-oz / ft2 bis 20-oz / ft2 hergestellt. Kupfergewichte über 20 oz / ft² und bis zu 200 oz / ft² sind ebenfalls möglich und werden als extremes Kupfer bezeichnet.

Im Rahmen dieser Diskussion werden wir uns vor allem auf schweres Kupfer konzentrieren. Das erhöhte Kupfergewicht kombiniert mit einem geeigneten Substrat und einer dickeren Beschichtung in den Durchgangslöchern verwandelt die einst unzuverlässige, schwache Leiterplatte in eine dauerhafte und zuverlässige Verdrahtungsplattform.

Der Bau eines schweren Kupferkreises verleiht einer Platine folgende Vorteile:

Erhöhte Ausdauer gegenüber thermischen Belastungen

Erhöhte Stromtragfähigkeit

Erhöhte mechanische Festigkeit an Verbindungsstellen und in PTH-Löchern

Exotische Materialien werden bis zu ihrem vollen Potenzial (dh hoher Temperatur) ohne Stromkreisausfälle verwendet

Reduzierte Produktgröße durch Einfügen mehrerer Kupfergewichte auf derselben Schaltungsschicht (Abbildung 1)

Schwere kupferplattierte Durchkontaktierungen führen einen höheren Strom durch die Platine und tragen dazu bei, Wärme an einen externen Kühlkörper zu übertragen

On-Board-Kühlkörper direkt auf der Board-Oberfläche mit bis zu 120 Unzen Kupfer Ebenen plattiert

Integrierte Planartransformatoren mit hoher Leistungsdichte

Obwohl die Nachteile gering sind, ist es wichtig, die grundlegende Konstruktion des schweren Kupferschaltkreises zu verstehen, um seine Fähigkeiten und möglichen Anwendungen voll zu schätzen.

Abbildung 1: Probe mit Kupfer- und Kupferelementen mit einer Größe von 2 Unzen, 10 Unzen, 20 Unzen und 30 Unzen auf derselben Schicht.

Schwere Kupferschaltung

Standard-PCBs, ob doppelseitig oder mehrschichtig, werden unter Verwendung einer Kombination von Kupferätz- und Plattierungsprozessen hergestellt. Schaltungsschichten beginnen als dünne Bleche aus Kupferfolie (im Allgemeinen 0,5 oz / ft² bis 2 oz / ft²), die geätzt werden, um unerwünschtes Kupfer zu entfernen, und plattiert, um die Kupferdicke zu Ebenen, Leiterbahnen, Anschlußflächen und Durchkontaktierungen hinzuzufügen. Alle Schaltungsschichten werden unter Verwendung eines Substrats auf Epoxidbasis, wie FR-4 oder Polyimid, zu einem vollständigen Paket laminiert.

Platten, die schwere Kupferkreise enthalten, werden auf die gleiche Weise hergestellt, wenn auch mit speziellen Ätz- und Plattierungstechniken, wie Hochgeschwindigkeits- / Stufenplattierung und Differentialätzen. Historisch wurden schwere Kupfermerkmale vollständig durch Ätzen von dickem kupferplattiertem laminiertem Plattenmaterial gebildet, was ungleichförmige Spurenseitenwände und unannehmbares Unterätzen verursachte. Fortschritte in der Plattierungstechnologie haben es ermöglicht, dass schwere Kupfermerkmale mit einer Kombination aus Plattieren und Ätzen gebildet werden, was zu geraden Seitenwänden und vernachlässigbarem Unterschnitt führt.

Die Plattierung eines schweren Kupferschaltkreises ermöglicht es dem Leiterplattenhersteller, die Menge an Kupferdicke in plattierten Löchern und über Seitenwände zu erhöhen. Es ist jetzt möglich, schweres Kupfer mit Standardfunktionen auf einer einzigen Platine zu mischen. Zu den Vorteilen gehören reduzierte Schichtanzahl, niedrige Impedanzverteilung, kleinere Stellflächen und potenzielle Kosteneinsparungen.

Normalerweise wurden Starkstrom- / Starkstromkreise und ihre Steuerkreise separat auf separaten Platinen hergestellt. Eine starke Verkupferung macht es möglich, Hochstromschaltungen und Steuerschaltungen zu integrieren, um eine sehr dichte und dennoch einfache Platinenstruktur zu realisieren.

Die schweren Kupfermerkmale können nahtlos mit Standardschaltkreisen verbunden werden. Heavy-Copper- und Standard-Features können mit minimalen Einschränkungen platziert werden, vorausgesetzt, der Designer und der Hersteller besprechen Fertigungstoleranzen und -fähigkeiten vor dem endgültigen Design (Abbildung 2).

Abbildung 2: 2-oz-Funktionen schließen Steuerschaltkreise an, während 20-oz-Funktionen hohe Stromlasten übertragen.

Strombelastbarkeit und Temperaturanstieg

Wie viel Strom kann ein Kupferkreis sicher transportieren? Eine Frage, die oft von Designern gestellt wird, die schwere Kupferkreise in ihr Projekt integrieren möchten. Diese Frage wird normalerweise mit einer anderen Frage beantwortet: Wie viel Wärme kann Ihr Projekt aushalten? Diese Frage stellt sich, weil Wärmeanstieg und Stromfluss Hand in Hand gehen. Versuchen wir, diese beiden Fragen gemeinsam zu beantworten.

Wenn Strom entlang einer Spur fließt, gibt es einen I2R (Leistungsverlust), der zu einer lokalen Erwärmung führt. Die Spur kühlt durch Wärmeleitung (in benachbarte Materialien) und Konvektion (in die Umgebung) ab. Um den maximalen Strom zu finden, den eine Spur sicher tragen kann, müssen wir einen Weg finden, den Wärmeanstieg zu schätzen, der mit dem angelegten Strom verbunden ist. Eine ideale Situation wäre es, eine stabile Betriebstemperatur zu erreichen, bei der die Heizrate gleich der Kühlrate ist. Glücklicherweise haben wir eine IPC-Formel, mit der wir dieses Ereignis modellieren können.

IPC-2221A: Berechnung der aktuellen Kapazität einer externen Spur [1]:

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

Wo I ist Strom (Ampere), ist DT Temperaturanstieg (° C), W ist die Breite der Spur (mil) und Th ist die Dicke der Spur (mil). Interne Spuren sollten bei gleichem Erhitzungsgrad um 50% (Schätzung) verringert werden. Unter Verwendung der IPC-Formel erzeugten wir Fig. 3, die die Stromtragfähigkeit von mehreren Spuren unterschiedlicher Querschnittsflächen bei einer Temperaturerhöhung von 30ºC zeigt.

Abbildung 3: Ungefährer Strom für gegebene Gleisabmessungen (20 ° C Temperaturanstieg).

Was eine akzeptable Wärmemenge darstellt, wird von Projekt zu Projekt unterschiedlich sein. Die meisten dielektrischen Leiterplattenmaterialien können Temperaturen von 100ºC über der Umgebungstemperatur standhalten, obwohl diese Temperaturänderungsmenge in den meisten Situationen nicht akzeptabel ist.

Leiterplattenstärke und Überlebensfähigkeit

Leiterplattenhersteller und Designer können aus einer Vielzahl von dielektrischen Materialien wählen, von Standard FR-4 (Betriebstemperatur 130 ° C) bis zu Hochtemperatur-Polyimid (Betriebstemperatur 250 ° C). Eine Situation mit hoher Temperatur oder extremer Umgebung kann ein exotisches Material erfordern, aber wenn die Leiterbahnen und galvanischen Durchkontaktierungen Standard-1-oz / ft2 sind, werden sie die extremen Bedingungen überleben? Die Leiterplattenindustrie hat ein Testverfahren zum Bestimmen der thermischen Integrität eines fertigen Schaltkreisprodukts entwickelt. Thermische Belastungen kommen von verschiedenen Plattenherstellungs-, Montage- und Reparaturverfahren, wobei die Unterschiede zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Cu und dem PWB-Laminat die treibende Kraft für die Rissnukleation und das Wachstum bis zum Versagen der Schaltung darstellen. Der thermische Zyklentest (TCT) prüft die Widerstandsfähigkeit eines Schaltkreises, wenn er einem Temperaturwechsel von Luft auf Luft von 25 ° C auf 260 ° C ausgesetzt ist.

Eine Erhöhung des Widerstandes weist auf einen Abbau der elektrischen Integrität über Risse im Kupferkreis hin. Ein Standard-Coupon-Design für diesen Test verwendet eine Kette von 32 plattierten Durchgangslöchern, die seit langem als der schwächste Punkt in einem Schaltkreis angesehen wird, wenn sie thermischer Belastung ausgesetzt sind.

Thermische Zyklusstudien, die mit Standard-FR-4-Platinen mit einer Kupferplattierung von 0,8 bis 1,2 Milli-Inch durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass 32% der Schaltkreise nach acht Zyklen versagen (eine 20-prozentige Erhöhung des Widerstands gilt als Fehler). Thermische Zyklusstudien, die an exotischen Materialien durchgeführt wurden, zeigen signifikante Verbesserungen dieser Fehlerrate (3% nach acht Zyklen für Cyanatester), sind jedoch zu teuer (fünf- bis zehnfache Materialkosten) und schwierig zu verarbeiten. Eine durchschnittliche oberflächenmontierte Technologiebaugruppe sieht vor dem Versand mindestens vier thermische Zyklen vor und könnte für jede Komponentenreparatur zwei zusätzliche thermische Zyklen sehen.

Es ist nicht unangemessen für eine SMOBC-Platine, die einen Reparatur- und Ersatzzyklus durchlaufen hat, um insgesamt neun oder zehn thermische Zyklen zu erreichen. Die TCT-Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Ausfallrate, unabhängig vom Material der Leiterplatte, inakzeptabel werden kann. Leiterplattenhersteller wissen, dass Kupfergalvanisierung keine exakte Wissenschaft ist - Veränderungen der Stromdichten über eine Leiterplatte hinweg und durch zahlreiche Loch / Via-Größen führen zu Kupferdickenschwankungen von bis zu 25% oder mehr. Die meisten Bereiche von "dünnem Kupfer" befinden sich auf Wänden mit plattierten Löchern - die TCT-Ergebnisse zeigen dies eindeutig.

Die Verwendung von schweren Kupferschaltungen würde diese Fehler insgesamt reduzieren oder beseitigen. Die Plattierung von 2 oz / ft² Kupfer an eine Lochwand reduziert die Fehlerrate auf nahezu Null (TCT-Ergebnisse zeigen eine Fehlerrate von 0,57% nach acht Zyklen für Standard-FR-4 mit einer Kupferverchromung von mindestens 2,5 mil). In der Tat wird der Kupferkreis unempfindlich gegenüber den mechanischen Belastungen, die durch die thermischen Zyklen auf ihn ausgeübt werden.

Wärmemanagement

Da Designer bestrebt sind, bei ihren Projekten den maximalen Wert und die beste Leistung zu erzielen, werden gedruckte Schaltungen immer komplexer und zu höheren Leistungsdichten getrieben. Miniaturisierung, der Einsatz von Leistungskomponenten, extreme Umweltbedingungen und Hochstromanforderungen erhöhen die Bedeutung des Wärmemanagements. Die höheren Verluste in Form von Wärme, die oft beim Betrieb von Elektronik erzeugt werden, müssen von ihrer Quelle abgeleitet und in die Umgebung abgestrahlt werden; Andernfalls können sich die Komponenten überhitzen und es können Fehler auftreten. Schwere Kupferkreise können jedoch helfen, die I2R-Verluste zu reduzieren und die Wärme von wertvollen Komponenten abzuleiten, wodurch die Ausfallrate drastisch gesenkt wird.

Um eine geeignete Wärmeableitung von Wärmequellen in und auf der Oberfläche einer Leiterplatte zu erreichen, werden Kühlkörper verwendet. Der Zweck jedes Kühlkörpers besteht darin, Wärme von der Erzeugungsquelle durch Wärmeleitung abzuführen und diese Wärme durch Konvektion an die Umgebung abzugeben. Die Wärmequelle auf einer Seite der Platine (oder internen Wärmequellen) ist durch Kupfer-Vias (manchmal als "Heat-Vias" bezeichnet) mit einem großen blanken Kupferbereich auf der anderen Seite der Platine verbunden.

In der Regel werden klassische Kühlkörper mittels eines Wärmeleitklebers mit dieser blanken Kupferoberfläche verbunden oder in einigen Fällen genietet oder verschraubt. Die meisten Kühlkörper sind aus Kupfer oder Aluminium gefertigt. Der für klassische Kühlkörper erforderliche Montageprozess besteht aus drei arbeitsintensiven und kostenintensiven Schritten.

Zu Beginn muss das Metall, das als Kühlkörper dient, gestanzt oder in die gewünschte Form geschnitten werden. Die Klebeschicht muss auch für eine genaue Passung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper geschnitten oder gestanzt werden. Last but not least muss der Kühlkörper richtig auf der Leiterplatte positioniert werden und das gesamte Gehäuse muss mit einem geeigneten Lack oder Decklack elektrisch und / oder korrosionsbeständig beschichtet werden.

Normalerweise kann der obige Prozess nicht automatisiert werden und muss von Hand ausgeführt werden. Die Zeit und die Arbeit, die zur Vervollständigung dieses Prozesses erforderlich sind, sind signifikant und die Ergebnisse sind einem mechanisch automatisierten Prozess unterlegen. Im Gegensatz dazu werden eingebaute Kühlkörper während des Leiterplattenherstellungsprozesses erzeugt und erfordern keine zusätzliche Montage. Heavy-Kupfer-Schaltungstechnologie macht dies möglich. Diese Technologie ermöglicht die Anbringung dicker Kupferkühlkörper praktisch überall auf den Außenflächen einer Platine. Die Kühlkörper sind galvanisch auf der Oberfläche und damit mit den Wärmeleitpias verbunden, ohne dass die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigende Grenzflächen entstehen.

Ein weiterer Vorteil ist die zusätzliche Kupferplattierung in den Wärmebrücken, die den thermischen Widerstand des Platinen-Designs reduziert, wodurch erkannt wird, dass sie dasselbe Maß an Genauigkeit und Wiederholbarkeit wie bei der Leiterplattenherstellung erwarten können. Da planare Wicklungen tatsächlich flache Leiterbahnen sind, die auf kupferplattiertem Laminat ausgebildet sind, verbessern sie die Gesamtstromdichte im Vergleich zu zylindrischen Drahtleitern. Dieser Vorteil beruht auf einer Minimierung des Skin-Effekts und einer höheren Stromführungseffizienz.

On-Board-Planare erreichen eine hervorragende dielektrische Isolierung von Primär zu Sekundär und von Sekundär zu Sekundär, da das gleiche dielektrische Material zwischen allen Schichten verwendet wird, wodurch eine vollständige Einkapselung aller Wicklungen sichergestellt wird. Zusätzlich können Primärwicklungen verschüttet werden, so dass die Sekundärwicklungen zwischen den Primärwicklungen angeordnet sind, wodurch eine geringe Streuinduktivität erreicht wird. Standard-PCB-Laminiertechniken, die eine Auswahl von verschiedenen Epoxidharzen verwenden, können bis zu 50 Lagen Kupferwicklungen bis zu einer Dichte von 10 oz / ft² sicher einschließen.

Bei der Herstellung von schweren Kupferkreisläufen haben wir in der Regel erhebliche Plattierungsdicken; Daher müssen bei der Definition von Spurentrennungen und Pad-Größen Toleranzen berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wird den Designern empfohlen, den Leiterplattenhersteller schon früh im Designprozess an Bord zu haben.

Leistungselektronikprodukte, die eine schwere Kupferschaltung verwenden, werden seit vielen Jahren in der Militär- und Luftfahrtindustrie verwendet und gewinnen als Technologie der Wahl in industriellen Anwendungen an Bedeutung. Es wird angenommen, dass die Marktanforderungen die Anwendung dieses Produkttyps in naher Zukunft erweitern werden.

Verweise:

1. IPC-2221A