Печатные платы с тяжелым медным покрытием: подробное руководство

С развитием социальных наук и бытовых технологий ожидания пользователей относительно надежности электронных продуктов растут. Потребители теперь ожидают от своих продуктов превосходной теплопроводности, более высокой устойчивости к напряжению и улучшенной производительности в экстремальных условиях эксплуатации. В частности, тяжелые медные печатные платы отвечают этим ожиданиям пользователей, что делает их важной частью сервисных станций 5G, аэрокосмической и военной промышленности.

По мере развития отраслей производства электромобилей и промышленной автоматизации у производителей этой продукции возникает большой спрос на печатные платы, способные выдерживать высокую плотность мощности и интенсивное тепловыделение.

Учитывая критическую природу этих компонентов, эти печатные платы показали себя как многообещающее решение, обеспечивающее более высокую эффективность, меньшее обслуживание и устойчивость к отказам. В этой статье мы рассмотрим, что такое толстые медные печатные платы, их применение, а также конструктивные соображения для предотвращения распространенных проблем во время их разработки.

Что такое печатная плата с тяжелым медным покрытием?

Это печатная плата, изготовленная из многослойных структур и более толстых медных дорожек, чем те, что встречаются в обычных бытовых печатных платах. В то время как традиционные печатные платы используют медные слои около 1 унции/фут², толстые медные печатные платы начинаются с 3 унций/фут² и могут достигать 20 унций/фут² и более.

В современных электрических цепях соответствующая толщина медной печатной платы обеспечивает:

● Более высокая пропускная способность тока

● Более низкое электрическое сопротивление

● Уменьшение падения напряжения вдоль дорожек

● Более низкое сопротивление

● Минимальные потери и искажения сигнала

Когда следует использовать толстую медную печатную плату?

Используйте эти печатные платы в приложениях, где требуется механическая прочность, высокая плотность мощности и долговечность в суровых условиях.

Кроме того, они усиливают слои электрической цепи в системах, требующих надлежащего управления теплом, например, в цепях электромобилей.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Зачем использовать печатные платы с большим содержанием меди?

Эти печатные платы создают низкоомный путь для токов в устройствах, потребляющих слишком много энергии. Это повышает эффективность и снижает риск выгорания. Например, печатная плата с толщиной меди 3 унции может проводить токи от 10 до 20 ампер в течение 10 лет. Между тем, она проводит более 50 ампер в приложениях с толщиной 10 унций.

Аналогичным образом, они долговечны и обладают превосходной механической прочностью во время эксплуатации, выдерживая такие нагрузки, как изгиб или вибрация.

С точки зрения затрат они сокращают количество ремонтов и замен в удаленных инфраструктурах, таких как ветряные турбины и автономные солнечные электростанции, где техническое обслуживание занимает много времени и требует больших затрат.

Кроме того, толстые медные печатные платы позволяют инженерам создавать сложные электрические схемы на одной плате, не влияя на производительность передачи тока. Это поддерживает производство малогабаритных систем по сравнению со стандартными печатными платами, которым требуются дополнительные материалы для обеспечения той же мощности.

Каково применение печатных плат с тяжелым медным покрытием?

Они используются в автомобильной промышленности в системах управления аккумуляторами электромобилей (BMS). Эти системы используют толстые медные печатные платы для подачи питания. Их медная дорожка обеспечивает путь с низким сопротивлением, что предотвращает проблемы перегрева при прохождении тока через них.

Кроме того, в приложениях возобновляемой энергии, таких как солнечные инверторы, печатная плата регулирует преобразование солнечной энергии в полезную мощность переменного тока. В то же время она эффективно управляет накопительными конденсаторами в ветряных турбинах, чтобы предотвратить нежелательное накопление тепла.

В центрах обработки данных и базовых станциях 5G тяжелые медные печатные платы позволяют системе обеспечивать бесперебойное питание, решая проблемы тепловыделения при передаче высокочастотных сигналов. Военное и аэрокосмическое оборудование также выигрывает, поскольку эти печатные платы безопасно управляют реостатами и резисторами, используемыми в схеме.

Тяжелые медные ПХБ также встречаются в медицинских приборах. Они обеспечивают стабильное распределение мощности в оборудовании, таком как дефибрилляторы или аппараты МРТ.

Кроме того, они используются в системах автономных транспортных средств (AV) для питания навигационных и компьютерных панелей.

Что следует учитывать при проектировании печатной платы с толстым слоем меди?

Такие факторы, как ширина дорожки, толщина медной печатной платы и материал подложки, напрямую влияют на эффективность более толстых печатных плат.

Толщина и ширина меди

Выбор подходящей толщины меди и ширины дорожки важен при проектировании печатной платы. Это позволяет инженерам выбирать толщину, которая безопасно выдерживает требуемые токовые нагрузки, не вызывая чрезмерного нагрева. Выбор толщины меди от 3 до 20 унций рекомендуется во время разработки, так как более широкая ширина дорожки переносит больший ток с меньшим сопротивлением.

В том же духе проектировщики должны следовать стандарту IPC-2221 при расчете толщины и ширины дорожек.

Расчет ширины и толщины следа:

Согласно IPC-2221, ширину дорожки (W) можно рассчитать для заданного тока (I) и допустимого повышения температуры (ΔT), используя следующую формулу для внешних дорожек:

Где:

●      I ток в амперах,

● ΔT — повышение температуры в °C

● K — константа, зависящая от местоположения трассы (например, 0.048 для внутренних и 0.024 для внешних слоев).

● Показатель степени 1/0.725 (приблизительно 1.38) учитывает нелинейную зависимость между шириной следа и повышением температуры.

Например, если внешние медные дорожки на печатной плате должны выдерживать ток силой 8 ампер при максимальном повышении температуры на 20°C, то мы можем рассчитать ширину (W) следующим образом:

Предположим, что К = 0.048.

W = 85.11

На основании приведенного выше расчета ширина следа составляет 85.11 мм.

Материал подложки

Подложка является основой платы, обеспечивая механическую поддержку и изолируя медные слои. При проектировании для создания печатной платы следует использовать сырье, например, «FR-4» с рабочей температурой 130°C. Но регулирующие органы также предлагают использовать материалы с более высокими температурами стеклования (Tg), например, полиимидные и керамические подложки, выдерживающие многократные термические циклы без потери прочности.

Кроме того, инженерам необходимо выбирать материалы подложки с коэффициентами теплового расширения, аналогичными коэффициентам меди, чтобы снизить механическое напряжение и предотвратить растрескивание, что является важным фактором для материалов, используемых в условиях высоких температур.

Предел пропускания тока

Когда электрический ток протекает через «медные дорожки» в печатной плате, ее внутреннее сопротивление генерирует тепло, покидающее цепь посредством конвекции. Таким образом, технические специалисты должны проектировать толщину медной печатной платы, которая может выдерживать максимальный ожидаемый ток, не превышая допустимого повышения температуры.

Во время разработки инженеры должны использовать моделирование анализа конечных элементов (FEA) для прогнозирования распределения температуры вокруг трасс. Такой подход повышает тепловую эффективность и максимизирует запас прочности в таких системах.

Управление теплом

Чтобы управлять колебаниями температуры в конструкции печатной платы, проектировщики должны сосредоточиться на методах, которые сохранят медные платы надежными, прохладными и долговечными. Начните с тепловых переходов и активных охлаждающих решений, таких как микровентиляторы, чтобы создать токопроводящие пути, которые быстро передают тепло между слоями системы.

Инженерам также следует добавить радиаторы к основным компонентам и использовать графитовые или силиконовые нагревательные прокладки для улучшения теплопередачи по поверхностям схемы.

Воздействие на окружающую среду производства печатных плат с тяжелым медным покрытием

При проектировании этих тяжелых печатных плат используйте экологически чистые устойчивые методы, чтобы минимизировать ущерб окружающей среде. Во-первых, производители должны использовать системы переработки меди для эффективного управления отходами меди. Аналогично, выбирайте материалы от поставщиков с хорошими процессами переработки.

Кроме того, производителям следует использовать более чистые процессы травления и гальванизации, используя нетоксичные химикаты, такие как слабокислотные или не содержащие аммиака растворы, чтобы снизить количество токсичных отходов.

Что касается материалов подложки, дизайнеры могут выбирать из экологически чистых альтернатив, таких как ламинаты на биологической основе, которые уменьшают зависимость от ископаемого топлива.

После изготовления выбирайте отделки, не содержащие свинца или других токсичных соединений. Например, такие отделки поверхности, как Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG), обеспечивают долговечность и хорошую электропроводность без введения вредных тяжелых металлов.

Обычные печатные платы против печатных плат с тяжелым медным покрытием

Между тяжелыми и обычными медными печатными платами имеются структурные различия, особенно в весе меди, производственных процессах и термических свойствах.

Помимо этих отличий, печатные платы с высоким содержанием меди обладают преимуществами с точки зрения устойчивого развития благодаря более длительному сроку службы и меньшей потребности в замене. Однако процесс их производства оказывает более сильное воздействие на окружающую среду из-за химических веществ и медных отходов.

Заключение

Печатная плата из тяжелой медиs внесли позитивный вклад в электронную промышленность, устранив недостатки, обнаруженные в обычных печатных платах, которые выходят из строя при работе с высокими токами. Они продлевают срок службы электронных компонентов и эффективно справляются с теплом, выделяемым системой.

Конструкция включает в себя медные дорожки, которые демонстрируют минимальное сопротивление при подключении к сильноточному оборудованию.

Учитывая все эти характеристики, которые предлагает толстая медная печатная плата, рассмотрите возможность ее использования в вашем следующем проекте.