استخدام النحاس الثقيل والنحاس الشديد في تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتحقيق أقصى قدر من الموثوقية

يستفيد عدد متزايد من منتجات إلكترونيات الطاقة من الاتجاه المتنامي في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة: لوحات الدوائر المطبوعة من النحاس الثقيل و EXTREME النحاس المطبوع.

 

يتم تصنيع معظم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المتوفرة تجارياً لتطبيقات الجهد المنخفض / الطاقة المنخفضة ، مع آثار / طائرات نحاسية مكونة من أوزان نحاسية تتراوح من 1/2 أونصة / قدم 2 إلى 3 أونصات / قدم 2. يتم تصنيع دائرة نحاسية ثقيلة بأوزان نحاسية تتراوح ما بين 4 أونصات / قدم 2 إلى 20 أونصة / قدم مربع. يمكن أيضًا استخدام أوزان نحاسية تزيد عن 20 أونصة / قدم مربع وتصل إلى 200 أونصة / قدم مربع ويشار إليها باسم النحاس الشديد. ستركز مناقشتنا بشكل أساسي على النحاس الثقيل.

 

 

يمنح بناء دائرة نحاسية ثقيلة للوحة فوائد مثل:

زيادة القدرة على التحمل للإجهادات الحرارية.

زيادة القدرة الاستيعابية الحالية.

زيادة القوة الميكانيكية في مواقع الموصل وفي ثقوب PTH.

استخدام المواد الغريبة بكامل طاقتها (أي درجة حرارة عالية) دون انقطاع في الدائرة.

تم تقليل حجم المنتج من خلال دمج أوزان نحاسية متعددة على نفس طبقة الدوائر (انظر الشكل 1).

تحمل الفتحات المطلية بالنحاس الثقيل تيارًا أعلى عبر اللوحة وتساعد على نقل الحرارة إلى غرفة التبريد الخارجية.

المبددات الحرارية على متن الطائرة مطلية مباشرة على سطح اللوحة باستخدام ما يصل إلى 120 أوقية الطائرات النحاسية.

محولات مستوية عالية الكثافة على متن الطائرة

بناء دوائر نحاسية ثقيلة

يتم تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة القياسية ، سواء على الوجهين أو متعدد الطبقات ، باستخدام مجموعة من عمليات النقش والطلاء على النحاس. تبدأ طبقات الدوائر على شكل صفائح رقيقة من رقائق النحاس (بشكل عام 0.5 أونصة / قدم 2 إلى 2 أونصة / قدم 2) محفورة لإزالة النحاس غير المرغوب فيه ، ومطلية لإضافة سماكة النحاس للطائرات ، والآثار ، والوسادات ، والثقوب المطلية. يتم تصفيح جميع طبقات الدائرة في حزمة كاملة باستخدام ركيزة أساسها الإيبوكسي ، مثل FR4 أو بوليميد.

 

يتم إنتاج الألواح التي تتضمن دوائر نحاسية ثقيلة بنفس الطريقة تمامًا ، وإن كان ذلك باستخدام تقنيات الحفر والطلاء المتخصصة ، مثل الطلاء عالي السرعة / التدرج والحفر التفاضلي. تاريخياً ، تم تشكيل السمات النحاسية الثقيلة بالكامل عن طريق حفر مادة ألواح مغلفة بالنحاس السميك ، مما تسبب في آثار جانبية غير متساوية وتقويض غير مقبول. سمحت التطورات في تكنولوجيا الطلاء بتشكيل ميزات النحاس الثقيل بمزيج من الطلاء والحفر ، مما أدى إلى جدران جانبية مستقيمة وتقويض ضئيل.

 

إن طلاء الدائرة النحاسية الثقيلة يمكّن صانع اللوحة من زيادة كمية سماكة النحاس في الثقوب المطلية وعبر الجدران الجانبية. أصبح من الممكن الآن مزج النحاس الثقيل مع الميزات القياسية على لوحة واحدة ، تُعرف أيضًا باسم PowerLink. تشمل المزايا عدد الطبقات المنخفض ، وتوزيع طاقة المعاوقة المنخفضة ، ومساحات الأقدام الأصغر ، ووفورات التكلفة المحتملة. عادة ، تم إنتاج الدوائر عالية التيار / عالية الطاقة ودوائر التحكم الخاصة بها بشكل منفصل على لوحات منفصلة. يجعل الطلاء النحاسي الثقيل من الممكن دمج الدوائر عالية التيار ودوائر التحكم لتحقيق هيكل لوح عالي الكثافة ولكنه بسيط.

 

يمكن توصيل ميزات النحاس الثقيل بسلاسة بالدوائر القياسية. يمكن وضع الميزات النحاسية والقياسية الثقيلة مع الحد الأدنى من القيود بشرط أن يناقش المصمم والمصنع تفاوتات التصنيع وقدراته قبل التصميم النهائي (الشكل 2).

قدرة الحمل الحالية وارتفاع درجة الحرارة

تعتمد كمية التيار التي يمكن أن تحملها الدائرة النحاسية بأمان على مقدار ارتفاع الحرارة الذي يمكن أن يتحمله المشروع ، نظرًا لأن ارتفاع الحرارة وتدفق التيار مرتبطان. عندما يتدفق التيار على طول أثر ، هناك I2R (فقدان الطاقة) الذي ينتج عنه تسخين موضعي. يبرد التتبع عن طريق التوصيل (في المواد المجاورة) والحمل الحراري (في البيئة). لذلك ، للعثور على الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يحمله التتبع بأمان ، يجب أن نجد طريقة لتقدير ارتفاع الحرارة المرتبط بالتيار المطبق. سيكون الوضع المثالي هو الوصول إلى درجة حرارة تشغيل مستقرة حيث يساوي معدل التسخين معدل التبريد. يمكن استخدام صيغة IPC لنمذجة هذا الحدث.

حيث أنا حالي (أمبير) ، DT هو ارتفاع درجة الحرارة (° C) ، W هو عرض التتبع (مل) و Th هو سمك الأثر (ميل). يجب اشتقاق الآثار الداخلية بنسبة 50٪ (تقديري) لنفس درجة التسخين. باستخدام معادلة IPC ، أنشأنا الشكل 3 (انظر الجدول في نهاية النص) ، والذي يوضح القدرة الاستيعابية الحالية للعديد من آثار مناطق المقطع العرضي المختلفة مع ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 20 درجة مئوية.

 

سيختلف ما يشكل مقدارًا مقبولًا من الارتفاع الحراري من مشروع إلى آخر. يمكن أن تتحمل معظم المواد العازلة للوحة الدائرة الكهربائية درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية فوق المحيط ، على الرغم من أن هذا القدر من التغير في درجة الحرارة سيكون غير مقبول في معظم المواقف.

 

 

قوة لوحة الدوائر والبقاء على قيد الحياة

يمكن لمصنعي ومصممي لوحات الدوائر الكهربائية الاختيار من بين مجموعة متنوعة من المواد العازلة ، من معيار FR4 (درجة حرارة التشغيل 130 درجة مئوية) إلى بوليميد عالي الحرارة (درجة حرارة التشغيل 250 درجة مئوية). قد تتطلب درجة الحرارة المرتفعة أو البيئة القاسية وجود مادة غريبة ، ولكن إذا كانت آثار الدائرة والفتحات المطلية قياسية 1 أوقية / قدم 2 ، فهل ستنجو في الظروف القاسية؟ طورت صناعة لوحات الدوائر الإلكترونية طريقة اختبار لتحديد السلامة الحرارية لمنتج الدائرة النهائية. تأتي السلالات الحرارية من عمليات تصنيع وتجميع وإصلاح مختلفة للوحة ، حيث توفر الاختلافات بين معامل التمدد الحراري (CTE) للنحاس وصفائح PWB القوة الدافعة لتنوي الكراك والنمو إلى فشل الدائرة. يتحقق اختبار الدورة الحرارية (TCT) من زيادة مقاومة الدائرة حيث تخضع لدورة حرارية من الهواء إلى الهواء من 25 درجة مئوية إلى 260 درجة مئوية.

 

تشير الزيادة في المقاومة إلى انهيار في السلامة الكهربائية بسبب الشقوق في الدائرة النحاسية. يستخدم تصميم القسيمة القياسي لهذا الاختبار سلسلة من 32 مطليًا من خلال الثقوب ، والتي لطالما اعتبرت أضعف نقطة في الدائرة عند تعرضها لضغط حراري.

تظهر نتائج TCT بوضوح أن معدل الفشل ، بغض النظر عن مادة اللوحة ، يمكن أن يصبح غير مقبول. أظهرت دراسات الدورة الحرارية التي تم إجراؤها على ألواح FR4 القياسية مع طلاء نحاسي من 0.8 إلى 1.2 مل أن 32٪ من الدوائر تفشل بعد ثماني دورات (تعتبر زيادة المقاومة بنسبة 20٪ فاشلة). تُظهر الألواح التي تحتوي على مواد غريبة تحسينات كبيرة في معدل الفشل هذا (3٪ بعد ثماني دورات لإستر السيانات) ، ولكنها باهظة الثمن (من 5 إلى 10 أضعاف تكلفة المواد) وصعبة المعالجة. ترى مجموعة تكنولوجيا التركيب على السطح ما لا يقل عن أربع دورات حرارية قبل الشحن ، ويمكن أن تشهد دورتين حراريتين إضافيتين لكل إصلاح مكون.

 

إن استخدام الدوائر النحاسية الثقيلة من شأنه أن يقلل أو يقضي على هذه الأعطال تمامًا. يقلل طلاء 2 أوقية / قدم 2 من النحاس على جدار ثقب من معدل الفشل إلى الصفر تقريبًا (تظهر نتائج TCT معدل فشل بنسبة 0.57٪ بعد ثماني دورات لمعيار FR4 مع طلاء نحاسي 2.5 مللي كحد أدنى). في الواقع ، تصبح الدائرة النحاسية منيعة أمام الضغوط الميكانيكية التي تفرضها عليها الدورة الحرارية.

 

 

الإدارة الحرارية

بينما يسعى المصممون للحصول على أقصى قيمة وأداء من مشاريعهم ، أصبحت الدوائر المطبوعة أكثر تعقيدًا ويتم دفعها إلى كثافة طاقة أعلى. التصغير واستخدام مكونات الطاقة والظروف البيئية القاسية ومتطلبات التيار العالي تزيد من أهمية الإدارة الحرارية. يجب تبديد الخسائر الأكبر في شكل حرارة ، والتي غالبًا ما تتولد في تشغيل الإلكترونيات ، من مصدرها وتشع في البيئة ؛ خلاف ذلك ، قد ترتفع درجة حرارة المكونات بشكل مفرط وقد ينتج عن ذلك أعطال. ومع ذلك ، يمكن أن تساعد الدوائر النحاسية الثقيلة عن طريق تقليل خسائر I2R وعن طريق نقل الحرارة بعيدًا عن المكونات القيمة ، مما يقلل معدلات الفشل بشكل كبير.

 

من أجل تحقيق تبديد مناسب للحرارة من مصادر الحرارة في وعلى سطح لوحة الدائرة ، يتم استخدام خافضات حرارة. الغرض من أي غرفة تبريد هو تبديد الحرارة بعيدًا عن مصدر التوليد عن طريق التوصيل وإصدار هذه الحرارة بالحمل الحراري إلى البيئة. يتم توصيل مصدر الحرارة على جانب واحد من اللوح (أو مصادر الحرارة الداخلية) بواسطة فتحات نحاسية (تسمى أحيانًا “فيا الحرارة”) بمنطقة نحاسية كبيرة على الجانب الآخر من اللوحة.

 

بشكل عام ، يتم ربط مبددات الحرارة الكلاسيكية بهذا السطح النحاسي العاري عن طريق مادة لاصقة موصلة حراريًا أو في بعض الحالات ، يتم تثبيتها أو تثبيتها بمسامير. معظم المبددات الحرارية مصنوعة من النحاس أو الألومنيوم.

 

تتكون عملية التجميع المطلوبة لمبددات الحرارة الكلاسيكية من ثلاث خطوات مكثفة العمالة ومكلفة. الوقت والعمل اللازمين لإكمال هذه العملية مهمان ، والنتائج أقل شأنا من عملية مؤتمتة ميكانيكيًا. في المقابل ، يتم إنشاء خافضات حرارة مدمجة أثناء عملية تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة ولا تتطلب تجميعًا إضافيًا. تجعل تقنية الدوائر النحاسية الثقيلة هذا ممكنًا. تسمح هذه التقنية بإضافة مبددات حرارة نحاسية سميكة في أي مكان تقريبًا على الأسطح الخارجية للوح. يتم طلاء المبددات الحرارية بالكهرباء على السطح وبالتالي يتم توصيلها بالفتحات الموصلة للحرارة دون أي واجهات تعيق التوصيل الحراري.

فائدة أخرى هي طلاء النحاس المضاف في فتحات الحرارة ، مما يقلل من المقاومة الحرارية لتصميم اللوحة ، مدركين أنه يمكنهم توقع نفس الدرجة من الدقة والتكرار الكامنة في تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور. نظرًا لأن اللفات المستوية هي في الواقع آثار موصلة مسطحة تتشكل على صفائح مغطاة بالنحاس ، فإنها تعمل على تحسين الكثافة الحالية الإجمالية مقارنة بموصلات الأسلاك الأسطوانية. ترجع هذه الفائدة إلى تقليل تأثير الجلد وزيادة كفاءة الحمل الحالية.

 

تحقق المسطحات الموجودة على متن الطائرة عزلًا ممتازًا للعزل الكهربائي الأولي والثانوي والثانوي إلى الثانوي نظرًا لاستخدام نفس المادة العازلة بين جميع الطبقات ، مما يضمن تغليفًا كاملاً لجميع اللفات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن انسكاب اللفات الأولية بحيث تكون اللفات الثانوية محصورة بين التمهيديين ، مما يحقق تحريض تسرب منخفض. يمكن لتقنيات التصفيح القياسية لثنائي الفينيل متعدد الكلور ، باستخدام مجموعة متنوعة من راتنجات الايبوكسي ، أن تسند بأمان ما يصل إلى 50 طبقة من اللفات النحاسية بسماكة 10 أوقية / قدم مربع.

 

أثناء تصنيع الدوائر النحاسية الثقيلة ، عادة ما نتعامل مع سماكات طلاء كبيرة ؛ لذلك ، يجب عمل بدلات في تحديد فواصل التتبع وأحجام الوسادة. لهذا السبب ، يُنصح المصممون بضم صانع اللوحة في وقت مبكر من عملية التصميم. طورت Epec Engineered Technologies مجموعة من إرشادات التصميم للدوائر النحاسية الثقيلة التي تمنح المصممين نظرة عامة أساسية عما هو مطلوب.

 

 

التطبيقات العسكرية

تقليديا عند استخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور في التطبيقات العسكرية ، يقوم المصمم بإنشاء دوائر التيار العالي عن طريق إضافة طبقات مكررة من 3 أو 4 أوقية من النحاس بالتوازي وعبور أصابعهم بحيث تشترك الطبقات في التيار بالتساوي بينهم. من الناحية العملية ، تعد المشاركة أقل من مثالية ، لذا تميل بعض الطبقات إلى تحمل نسبة أعلى من الحمل وتوليد خسائر أعلى. بشكل عام ، يعمل اللوح عادةً بدرجة حرارة أعلى مما كان متوقعًا أثناء التصميم.

 

سيؤدي استخدام النحاس الثقيل أو الشديد في إنشاء دوائر التيار العالي جنبًا إلى جنب مع طلاء نحاسي أكثر سمكًا في الفتحات والمطلية من خلال الثقوب إلى التخلص من الحاجة إلى إضافة طبقات مكررة بالتوازي ، وبالتالي القضاء على أي قلق من مشاركة الحمل بين طبقات متعددة. يمكن حساب ارتفاع درجة الحرارة بسبب الخسائر في الألواح بدرجة أكبر من اليقين. يقلل طلاء النحاس السميك في الثقوب بشكل كبير من حالات الفشل المرتبطة بالإجهاد الحراري. والنتيجة هي تشغيل أكثر برودة وأكثر موثوقية ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

قد يعجبك ايضا
نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لنمنحك أفضل تجربة ممكنة على موقعنا. بالمتابعة في استخدام هذا الموقع، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط.
قبول
سياسة الخصوصية