Produzione di PCB in rame pesante - PCBasic

L'elettronica moderna si trova ad affrontare crescenti problemi di potenza, affidabilità e temperatura; pertanto, i PCB in rame pesante stanno emergendo come una soluzione tecnologica leader. I circuiti stampati normalmente impiegano strati di rame di circa 1 g/m² nella tecnologia convenzionale, ma i PCB in rame pesante impiegano piste e piani in rame molto più spessi.

Gli esperti del settore definiscono un PCB in rame pesante come un PCB costituito da 3 oz/ft² (105 μm) o più di rame nei suoi strati interni o esterni. Alcune fonti aggiungono che possono essere incluse anche schede con spessore di rame di 2 oz (70 μm). Queste schede specializzate di solito sono costituite da pesi di rame compresi tra 3 oz e 20 oz/ft², e alcune versioni estreme possono raggiungere fino a 200 oz/ft².

I PCB in rame spesso presentano ovviamente dei vantaggi rispetto alle schede tradizionali. Il peso aggiuntivo del rame fornisce percorsi a bassa resistenza per le correnti nei dispositivi ad alto consumo energetico, rendendoli più efficienti e riducendo il rischio di burnout. Per fare un solo esempio, si osservi come i PCB con uno spessore di rame di 3 once (10 g) possano gestire correnti di 20-10 ampere in modo affidabile per 10 anni, mentre i modelli da 50 once (XNUMX g) possono gestire più di XNUMX ampere.

Queste schede offrono prestazioni eccezionali nella gestione del calore e consentono ai componenti di funzionare alle temperature ottimali anche in condizioni difficili. La resistenza dei fori passanti e dei connettori è migliorata dalle robuste caratteristiche del rame, che le rendono quindi più resistenti a cicli termici, vibrazioni e sollecitazioni meccaniche.

La produzione di circuiti stampati in rame ad alto spessore richiede speciali processi di incisione e placcatura. I moderni processi di fabbricazione combinano processi di placcatura e incisione, ottenendo così pareti laterali dritte con sottosquadri minimi, a differenza dei processi precedenti che producevano pareti laterali con tracce ruvide. I produttori possono ora supportare sulla stessa scheda circuiti ad alta corrente e circuiti di controllo standard, poiché possono depositare grammature diverse di rame nello stesso strato.

Questa tecnologia soddisfa la crescente domanda da parte dei consumatori di prodotti elettronici caratterizzati da una maggiore conduttività termica, tolleranza alle alte tensioni e prestazioni migliorate in ambienti difficili.

Che cos'è un PCB in rame pesante (o PCB in rame spesso)?

I PCB standard contengono strati di rame con uno spessore compreso tra 1 g e 3 g, adatti all'elettronica standard. I PCB in rame pesante (o PCB in rame spesso) presentano uno spessore di rame di 3 g o superiore su uno o tutti gli strati. Alcuni esperti del settore definiscono le schede con rame superiore a 2 μm (70 oz) come PCB in rame pesante.

Questi PCB specifici per applicazioni specifiche solitamente hanno rame da 4 a 10 once. Le versioni super spesse sono in grado di gestire carichi di corrente straordinari e arrivano fino a 20-200 once per piede quadrato. L'aumento dello spessore del rame modifica le caratteristiche elettriche e termiche della scheda.

I PCB in rame pesante sono più adatti per applicazioni ad alta potenza, dove la gestione termica ultra-elevata va di pari passo con correnti elevate. I PCB normali non resisterebbero a condizioni così estreme, ma le schede in rame pesante sono perfette per gestire il flusso di corrente.

Informazioni su PCBasic

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Struttura interna di Rame pesante Boards

I PCB in rame spesso vengono realizzati con processi specializzati che vanno ben oltre la normale produzione di schede. Il processo, semplice ma efficace, è comunque lo stesso: incisione e galvanoplastica, ma queste schede richiedono solo tecniche di incisione e placcatura specifiche. Questo garantisce la realizzazione di pareti laterali e sottosquadri per le piste secondo specifiche precise.

I produttori utilizzano diverse tecniche per costruire queste schede specializzate:

● Processo della barra blu

Le barre di rame spesse entrano direttamente nel circuito stampato. Questo riduce al minimo il peso totale e migliora la planarità del piano, poiché la resina penetra nelle aree del circuito in rame.

● Deposizione di laminato

Questa tecnica utilizza una base di rame spessa per garantire affidabilità e coerenza. Offre inoltre un facile controllo dei bordi per tracce sottili.

● Rame sepolto

Il rame spesso è preinstallato nel prepreg. Lo spessore della resina e il taglio laser sono determinanti per lo spessore del rame.

Lo spessore non uniforme continua a rappresentare il principale ostacolo tecnico in produzione. Le posizioni dei pad e l'allineamento degli strati devono essere stabiliti correttamente dai produttori per ottenere una distribuzione equilibrata del rame nella scheda.

Perché PCB in rame pesantes vengono utilizzati?

I settori automobilistico, dell'elettronica di potenza e delle apparecchiature industriali richiedono schede in grado di resistere a condizioni rigorose. I circuiti stampati in rame ad alto spessore sono stati progettati per sopportare requisiti così gravosi e fornire una soluzione in cui le schede tradizionali si guastano rapidamente.

PCB ordinario VS. PCB in rame pesante

I circuiti stampati (PCB) standard e in rame pesante differiscono principalmente per il peso del rame. I normali PCB commerciali utilizzano un peso del rame compreso tra 0.5 e 3 oz/ft², sufficiente per la trasmissione del segnale ma non sufficiente per progetti ad alto consumo energetico. I PCB in rame pesante utilizzano un peso del rame compreso tra 4 e 60 oz/ft² e offrono quindi una piattaforma molto più robusta per progetti ad alto consumo energetico.

caratteristica	PCB ordinario	PCB in rame pesante
Spessore di rame	Da 0.5 oz/ft² a 2 oz/ft²	Da 3 oz/ft² a 20+ oz/ft²
Capacità di corrente	Normale (ampere limitati)	Molto più alto (ideale per correnti elevate)
Resistenza meccanica	Standard	Molto forte e robusto
Dissipazione di calore	Adeguata	Eccellente (gestisce più calore)
Difficoltà di produzione	Più facile, più economico	Più difficile, più costoso
Applicazioni comuni	Elettronica di consumo, computer	Alimentatori, sistemi automobilistici, militari, industriali
Costo	Abbassare	Maggiore

Vantaggi della PCB in rame pesantes

Il peso aggiuntivo del rame trasforma un circuito stampato instabile in una piattaforma di cablaggio robusta e stabile. I circuiti stampati in rame ad alto spessore offrono percorsi a bassa resistenza per le correnti nei dispositivi ad alto consumo energetico, migliorando così l'efficienza e riducendo il rischio di burnout.

● Elevata capacità di trasporto di corrente

I PCB di prototipazione con uno spessore di rame di 3 once (circa 10 g) possono gestire una corrente di 20-10 ampere in modo costante per oltre un decennio. Le schede con uno spessore di 50 once (circa XNUMX g) possono gestire facilmente più di XNUMX ampere. Questo enorme salto di qualità nella capacità di trasporto di corrente rende questi PCB di prototipazione ideali per applicazioni ad alta densità di potenza.

● Eccellente dissipazione del calore

Il peso aggiuntivo in rame funge da dissipatore di calore e dissipa in modo efficiente il calore dei componenti ad alto consumo energetico. Questa migliore gestione termica previene i punti caldi e migliora l'affidabilità del sistema.

● Maggiore resistenza meccanica nei siti di collegamento

Il test TCT (Thermal Cycle Test) mostra un tasso di guasto pari allo 0.57% dopo otto cicli per schede con una placcatura in rame di almeno 2.5 mil. Questa maggiore resistenza meccanica rende questi PCB ideali per la connessione di connettori e fori passanti placcati, dove le schede tradizionali si guastano.

● Alta affidabilità in ambienti difficili

Questi PCB sono altamente resistenti alle sollecitazioni meccaniche dovute ai cicli termici. Questa eccellente durata è la ragione del loro ampio utilizzo in applicazioni aerospaziali, di difesa e di controllo industriale, in particolare quando i guasti non sono accettabili.

Considerazioni sulla progettazione per PCB in rame pesantes

La progettazione di PCB in rame pesante deve essere eseguita con la massima attenzione, poiché i parametri tecnici differiscono significativamente dalle procedure di progettazione PCB standard. Numerosi fattori importanti devono essere considerati in termini di prestazioni di produzione, affidabilità e producibilità, in particolare quando si tratta di pesi di rame superiori a 3 oz/ft².

Spessore del rame e larghezza della traccia 

Lo spessore e la larghezza delle tracce dei PCB in rame hanno una relazione critica nella progettazione di PCB in rame spesso. La larghezza minima delle tracce deve aumentare con l'aumentare dello spessore del rame. Le regole di progettazione standard non sono più valide: una larghezza di linea di 3 mil, adeguata per uno spessore di 0.5 oz di rame o di 1 oz di rame, non sarà sufficiente per pesi maggiori. Le schede con strati di rame da 3-20 oz richiedono tracce molto più larghe per essere prodotte in modo adeguato. Durante l'incisione su rame più spesso è necessaria un'esposizione chimica più aggressiva, quindi i progettisti devono prevedere potenziali sottosquadri.

Come scegliere il giusto spessore del rame

Il modo migliore per scegliere lo spessore corretto per un PCB in rame inizia con l'individuazione dei requisiti attuali della propria applicazione. I calcolatori di larghezza delle tracce sono ottimi strumenti per ottenere tre di questi parametri: larghezza delle tracce, capacità di trasporto di corrente e aumento di temperatura. Gli strumenti possono calcolare il terzo parametro ogni volta che vengono forniti due parametri come input, consentendo così di selezionare lo spessore ottimale per un PCB in rame. Quando le applicazioni richiedono correnti superiori a 100 A, le tracce standard non sono adatte ed è necessario utilizzare barre collettrici in rame.

Capacità di trasporto di corrente

La capacità di corrente è correlata matematicamente al peso del rame del PCB e alle dimensioni delle tracce. Lo standard IPC-2221 fornisce la formula I = KΔT^0.44 × A^0.75, dove K è 0.024 per i conduttori interni e 0.048 per i conduttori esterni. Gli strati interni possono supportare solo metà della capacità di trasporto di corrente delle tracce esposte. L'aumento di temperatura dovrebbe essere compreso tra 10 e 20 °C nella maggior parte delle applicazioni. Il calore dovuto alle perdite I²R dovrebbe essere dissipato in modo sufficiente per prevenire guasti ai componenti.

Selezione del substrato e del materiale isolante

Il peso del rame del PCB rende la scelta del substrato più importante. Lo spessore della scheda dovrà essere superiore a 1.6 mm per 20 once di rame. L'utilizzo di PCB con core ad alto contenuto di rame richiede materiali ad alta Tg con CTE comparabile. FR-4 funziona, ma i PCB con core metallico (MCPCB) offrono maggiori vantaggi termici. Alcune applicazioni estreme richiederanno laminati speciali con una migliore conduttività termica.

Gestione termica e coefficiente di espansione termica (CTE)

CTE (Coefficiente di dilatazione termica) misura quanto si espande un PCB con la temperatura, in ppm/°C.

Laminati FR-4 standard avere un CTE di 14–17 ppm/°C.

Pacchetti di chip di silicio hanno un CTE inferiore di circa 6ppm/°C.

Mancata corrispondenza CTE tra PCB e chip cause concentrazione di stress durante i cambiamenti di temperatura.

PCB in rame pesante bisogno minima discrepanza CTE perché il rame spesso genera grandi forze termiche.

PCB in rame pesanteProcesso di produzione

La produzione di PCB in rame pesante richiede processi specializzati che differiscono significativamente dalla produzione di PCB standard. I PCB tradizionali utilizzano semplici procedure di incisione e placcatura. Le schede in rame pesante richiedono tecniche avanzate per gestire requisiti di spessore del rame estremi.

1. Metodi di produzione tradizionali

I metodi tradizionali formavano spesse superfici in rame mediante l'incisione di spessi pannelli laminati rivestiti in rame. Ciò causava la formazione di pareti laterali irregolari e un'eccessiva sottosquadratura. La moderna tecnologia di placcatura combina ora placcatura e incisione per creare pareti laterali dritte con una sottosquadratura minima.

2. Spessore del rame e lavorazione degli strati

I produttori in genere incidono i laminati rivestiti in rame per PCB con spessore di rame inferiore a 10 g. Incidono direttamente gli strati interni sui laminati rivestiti in rame. Gli strati esterni vengono sottoposti a un'ulteriore galvanizzazione per raggiungere lo spessore desiderato. Un PCB in rame pesante da 3 g utilizza laminati rivestiti in rame da 3 g per gli strati interni e materiale da 2 g per gli strati esterni. La galvanizzazione aggiunge il rame rimanente.

3. Produzione per Ultra-PCB in rame spesso

I PCB con spessore di rame pari o superiore a 10 g sono realizzati con un foglio di rame rosso anziché con laminati rivestiti in rame. Questo foglio si combina con il preimpregnato per creare PCB in rame ultra-spessi.

4. Sfide della maschera di saldatura

L'applicazione della maschera di saldatura crea sfide uniche nella produzione di rame pesante. La serigrafia tradizionale spesso causa uno spessore irregolare della maschera di saldatura. L'inchiostro si accumula negli angoli del circuito e attorno ai fori di via. Alcuni produttori utilizzano la tecnologia di spruzzatura elettrostatica che applica la maschera di saldatura uniformemente su tutta la superficie della scheda.

La possibilità di combinare rame pesante con caratteristiche standard su una singola scheda offre significativi vantaggi produttivi. Questa combinazione riduce il numero di strati, fornisce una distribuzione di potenza a bassa impedenza e crea ingombri ridotti con potenziali risparmi sui costi. Un tempo i circuiti ad alta corrente e i relativi circuiti di controllo richiedevano schede separate. Ora si combinano in modo fluido per creare strutture di scheda ad alta densità ma semplici.

Rigorosi controlli di processo e test completi garantiscono che queste schede specializzate soddisfino i requisiti delle applicazioni ad alta potenza.

Applicazioni di PCB in rame pesantes

I PCB in rame ad alto spessore sono essenziali nei settori in cui i circuiti stampati tradizionali non sono in grado di soddisfare i requisiti elettrici, termici o meccanici. Queste schede specializzate costituiscono il fondamento di molti sistemi mission-critical.

1. Industria automobilistica

L'industria automobilistica vede i PCB in rame spesso eccellere nei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici e nei controller dei motori. Queste schede forniscono ai sistemi di gestione della batteria la potenza necessaria per gestire correnti fino a 100 ampere durante i cicli di carica e scarica. La loro capacità di resistere a temperature superiori a 150 °C li rende perfetti per gli ambienti automobilistici.

2. Sistemi di distribuzione dell'alimentazione

I sistemi di distribuzione dell'energia elettrica fanno ormai largo uso di questi PCB. Le aziende li utilizzano nei sistemi di eccitazione per regolatori di potenza, sistemi di commutazione di rete, raddrizzatori ad alta potenza e relè di sovraccarico. Le moderne schede PCB in rame pesante hanno sostituito i vecchi metodi di distribuzione via cavo e lamiere per semplificare i processi e aumentare l'affidabilità dei prodotti.

3. Applicazioni militari e aerospaziali

I settori militare e aerospaziale dipendono da questi PCB specializzati per sistemi di controllo degli armamenti, apparecchiature radar e sistemi di monitoraggio. L'elettronica nei sistemi avionici e di comunicazione dura più a lungo grazie alle sue eccezionali prestazioni meccaniche in condizioni difficili.

4. Sistemi di energia rinnovabile

I sistemi di energia rinnovabile necessitano più che mai di PCB in rame ad alto spessore. Inverter solari, regolatori di turbine eoliche e quadri elettrici di centrali idroelettriche utilizzano queste schede per gestire carichi di potenza elevati. Per citare solo un esempio, un inverter solare da 5 kW potrebbe utilizzare tracce progettate per 30 ampere.

5. Sensori e Dispositivi medicali

Apparecchiature mediche come dispositivi di imaging e sistemi di monitoraggio dei pazienti funzionano meglio con l'affidabilità dei PCB flessibili in rame ad alto spessore. I sistemi di automazione industriale li utilizzano in sistemi di sicurezza, apparecchiature di saldatura e dispositivi di protezione da sovratensioni, dove correnti e tensioni elevate sono comuni.

6. Progressi nella tecnologia di produzione

I progressi nella tecnologia di produzione hanno permesso a queste schede specializzate di sostituire i metodi di trasmissione tradizionali. Questo cambiamento ha reso i prodotti più piccoli, rendendoli al contempo più affidabili.

PCBasic PCB in rame pesante capacità produttive

PCBasic è leader nella produzione di PCB in rame spesso. Inoltre, PCBasic è uno dei principali fornitori cinesi di PCB in rame spesso. L'azienda definisce i suoi prodotti in rame spesso come schede con spessore interno o esterno del rame del PCB maggiore o uguale a 3 OZ (105 μm). I suoi PCB in rame ultra-spessi soddisfano esigenze di potenza eccezionali con schede che superano i 300 μm.

Le avanzate tecniche di produzione dell'azienda vanno ben oltre la produzione standard di circuiti stampati. Il problema principale nella fabbricazione di rame spesso deriva dalla notevole perdita di materiale nella punta di foratura dovuta all'aumento dello spessore del rame. PCBasic utilizza punte di foratura specializzate per rame spesso UC per affrontare questa sfida. Le loro attrezzature e i parametri di foratura ottimizzati creano pareti di foro che rimangono piatte e lisce, anche attraverso rame eccezionalmente spesso.

La fase di incisione gioca un ruolo fondamentale nella produzione di PCB in rame spesso. PCBasic la considera la sua tecnologia di punta nella produzione di circuiti. La qualità del circuito diventa più difficile da mantenere con l'aumentare dello spessore del rame.

PCBasic ha acquisito una solida esperienza nelle tecniche di serigrafia per applicazioni in rame ad alto spessore. L'azienda si concentra su forti forze di legame tra la maschera di saldatura e il materiale di base. Una pompa a vuoto per la maschera di saldatura elimina i problemi di qualità causati dalle bolle nella maschera di saldatura, che diventano più comuni con il rame più spesso.

Tutti i PCB in rame spesso di PCBasic utilizzano materiali ad alta TG, quindi l'azienda ha investito in lame speciali rivestite in titanio. Questo investimento garantirà una finitura liscia ai bordi della scheda durante tutta la produzione.

Il reparto R&S ha creato una documentazione completa, tra cui "Linee guida di progettazione e funzionamento per PCB in rame spesso" e "Controllo delle modalità di guasto del processo per PCB in rame spesso". Questi sistemi controllano la progettazione del prodotto, i parametri di processo e i test sul prodotto finito per soddisfare i requisiti dei clienti.

Questo sistema completo rende PCBasic uno dei migliori produttori di PCB in rame pesante, in grado di operare in modo affidabile in applicazioni complesse. I suoi prodotti sono ideali per dispositivi medici, apparecchiature di automazione industriale, sistemi automobilistici, ferrovie ad alta velocità, navi, prodotti militari e sistemi di illuminazione a LED.

Conclusione

I PCB ad alto contenuto di rame sono fondamentali per i moderni dispositivi elettronici ad alta potenza, con spessori di rame pari o superiori a 3 g/m². Queste schede possono gestire correnti superiori a 50 ampere senza compromettere la stabilità termica, il che le rende essenziali per le applicazioni ad alto consumo energetico.

Il rame pesante per PCB si distingue per la sua elevata risoluzione termica, aumenta la credibilità e previene i guasti dei componenti in condizioni estreme. Questa tecnica sostituisce i vecchi metodi di trasmissione di potenza, dando vita a prodotti più piccoli ed efficienti.

Per progettare PCB in rame ad alto spessore sono necessari calcoli accurati della corrente, scelte accurate del substrato e dilatazione termica. Specifiche procedure di produzione, come l'incisione e la placcatura, sono fondamentali per la loro realizzazione.

Il mercato dei PCB in rame pesante è in crescita in settori come l'automotive, il militare, le energie rinnovabili e il medicale. Con l'evoluzione dei sistemi elettronici, i progressi in questa tecnologia miglioreranno la densità di potenza e l'affidabilità per le applicazioni future.