Přehled desek plošných spojů z těžké mědi

Těžké měděné desky plošných spojů jsou důležitou technologií ve specifických aplikacích s vysokým výkonem a vysokým proudem, zejména pokud jde o napájení a zařízení vyžadující vysokou proudovou únosnost.

1. Co je to těžká měděná deska plošných spojů?

Stručně řečeno, těžké měděné desky plošných spojů jsou druhem desek plošných spojů, u kterých je tloušťka měděné fólie výrazně větší než u běžných desek plošných spojů:

● Konvenční desky plošných spojů: Tloušťka vnější měděné vrstvy je obvykle 1 oz/ft² (přibližně 35 µm), zatímco vnitřní vrstvy jsou obvykle 0,5 oz/ft² nebo 1 oz/ft².

● Těžké měděné desky plošných spojů: desky plošných spojů s tloušťkou mědi ≥ 3OZ/ft² (přibližně 105 µm) jsou obecně definovány jako těžké měděné desky plošných spojů. Technicky vzato může tloušťka mědi dosáhnout 10OZ/ft² (přibližně 350 µm) nebo i více.

Konverze:

1OZ/ft² = 35µm (mikrometrů)

Běžné tloušťky: 1OZ (35µm), 2OZ (70µm), 3OZ (105µm), 4OZ (140µm), 6OZ (210µm), 10OZ (350µm) atd.

2. Základní vlastnosti a výhody těžké měděné desky plošných spojů

1) Vysoká proudová únosnost: Toto je primární účel. Podle vzorce I = k * ΔT^0,44 * A^0,725 (norma IPC-2221) je proudová únosnost vodiče pozitivně korelována s plochou průřezu (A) měděné fólie. Zdvojnásobení tloušťky mědi by mohlo výrazně zvýšit proudovou únosnost a snížit riziko přehřátí.

2) Vynikající odvod tepla: Měď je dobrý vodič, silnější vrstva mědi by mohla rychleji odvádět teplo generované součástkami (jako jsou MOSFET, IGBT atd.) k chladiči nebo pouzdru, čímž se snižuje provozní teplota a zvyšuje spolehlivost a životnost. 

3) Zvýšená mechanická pevnost: silné měděné vrstvy poskytují větší mechanickou pevnost kontaktním ploškám a propojovacím otvorům konektoru. To je obzvláště výhodné pro konektory, které vyžadují neustálé zapojování a odpojování, a silnější měď poskytuje větší oporu těžkým součástkám.

4) Speciální provedení:

● Planární transformátory/induktory: Magnetické součástky by mohly být zabudovány přímo do vrstvy desky plošných spojů, čímž by se dosáhlo vysoké hustoty výkonu díky silným měděným fóliím.

● Nízkoimpedanční napájecí cesty: Snižuje pokles napětí a spotřebu energie na cestách s vysokým proudem.

3. Hlavní aplikace

● Napájecí zdroje: Vysoce výkonné měniče AC/DC a DC/DC (např. napájecí zdroje pro servery, průmyslové napájecí zdroje), UPS.

● Nová energie: Solární fotovoltaické střídače, měniče větrné energie, vozidla na nové zdroje energie (palubní nabíječky (OBC), regulátory motorů, systémy pro správu baterií (BMS)).

● Řízení výkonu: Pohony motorů, průmyslové řízení, svářecí zařízení.

● Letectví a armáda: Vysoce spolehlivá a výkonná zařízení v letectví nebo satelitech.

● Automobily: Ovladače světlometů, rozvodné jednotky.

● Vysoce výkonné LED osvětlení: Používá se k odvodu tepla a vedení proudu pohonu.

4. Výzvy pro návrh a výrobu

Ve srovnání s tradičními deskami plošných spojů (PCB) nabízejí těžké měděné desky sice lepší specifický výkon, ale zároveň kladou vyšší nároky na design a výrobu:

Výzvy v oblasti designu:

● Šířka/rozteč čar: Leptání má za následek „boční leptání“, které je u silnější mědi výraznější. Proto nelze vytvořit velmi jemné čáry. Čáry na silných měděných deskách plošných spojů jsou obvykle širší a mají větší rozteč.

Například u mědi o tloušťce 3OZ může být minimální šířka/rozteč čáry 8-10 mil (0,2-0,25 mm) nebo více.

● Požadavky na mědění: Pro vedení vysokých proudů a zajištění mechanické pevnosti musí být měděný povlak na vnitřních stěnách průchodů také silnější (např. 2-3 mil nebo více).

● Zarovnání laminace: Vzhledem k nerovnoměrné tloušťce mědi a proměnlivému toku během laminace je kontrola zarovnání obtížnější.

● Řízení impedance: Ve vysokofrekvenčních aplikacích ovlivňuje silná měď charakteristickou impedanci, což ztěžuje konstrukční výpočty.

Výzvy ve výrobě:

1) Přenos/expozice vzoru: Silná měděná fólie ztěžuje suchému filmu nebo tekutému fotorezistu úplné pokrytí a vytvoření jednotného vzoru, což vyžaduje vysokou jednotnost expozice.

2) Leptání: Jedna z největších výzev. Proces leptání vyžaduje více času a může docházet k bočnímu leptání, což má za následek lichoběžníkové průřezy místo ideálních obdélníků. Je nutné přesně kontrolovat parametry leptání a chemikálie.

3) Laminace: Silné měděné vzory způsobují během laminace značné nerovnosti, což vyžaduje plnění velkým množstvím prepregové pryskyřice. To může vést k problémům, jako jsou bubliny a nerovnoměrný tok pryskyřice, což vyžaduje speciální procesy plnění a laminace.

4) Vrtání: Silné vrstvy mědi způsobují rychlé opotřebení vrtáku, což může vést k vyšší drsnosti stěny otvoru. Je nutné upravit parametry vrtání a důkladnější čištění stěny otvoru.

5) Galvanické pokovování: Zajištění dostatečně silné vrstvy mědi rovnoměrně nanesené na průchodky a povrchy s sebou nese další výzvy.

5. Klíčové výrobní procesy

Aby se výrobci vypořádali s výše uvedenými problémy, musí zvážit:

● Stupňovité leptání: Leptání v několika fázích, pokaždé leptáním části hloubky, aby se snížilo laterální leptání.

● Speciální leptací roztoky: Použití roztoků s nízkou rychlostí laterálního leptání, jako je kyselý chlorid měďnatý.

● Vysokotonážní lisy: Použití vysokého tlaku k zajištění toho, aby pryskyřice zcela vyplnila mezery mezi linkami.

● Vícenásobná laminace: U extrémně silných měděných nebo vícevrstvých silných měděných desek lze použít více fází laminace.

● Laserová ablace: Pro extrémně přesné tlusté měděné vzory lze místo tradičního leptání použít přímé laserové tvarování.

6. Jak rozlišit „Těžké měděné desky plošných spojů“ a „Desky plošných spojů s měděným substrátem (kovové substráty)“

Toto je běžný zmatek:

● Silné měděné desky plošných spojů: Označuje desky s velmi silnou měděnou fólií na vodivých vrstvách, zatímco substrát zůstává tvořen izolační pryskyřicí, jako je FR-4, CEM-3 nebo PI. Jeho primární funkcí je zvýšení proudové únosnosti a sekundární výhodou je vynikající odvod tepla.

● Měděné substráty Desky plošných spojů: Typ kovového substrátu, jehož struktura je: Vrchní vrstva → Měděné fóliové stopy → Izolační a tepelně vodivá dielektrická vrstva → Celkový kovový substrát (obvykle hliník nebo měď). Primárně řeší problémy s odvodem tepla. Tloušťka mědi může být buď standardní 28 g, nebo silnější. Jádrem je jeden kus kovu, který slouží jako chladič.

Stručně řečeno: silná měděná deska plošných spojů znamená, že samotné vodiče jsou velmi silné, zatímco měděný substrát znamená, že existuje jeden kus kovového substrátu.

Shrnutí:

Při výběru typu desky plošných spojů (PCB) musí inženýři komplexně vyhodnotit požadavky na proud, tepelný management, prostorová omezení, rozpočet a hustotu zapojení, a poté rozhodnout, zda je silná měděná deska plošných spojů ideální volbou a jak silná by měla být měděná fólie. Pro vysoké požadavky na proud a odvod tepla lze někdy zvážit i kombinaci silné měděné desky plošných spojů s kovovým substrátem.

Společnost Benlida se již 14 let zaměřuje na výrobu desek plošných spojů (PCB). S tržně orientovaným a zákaznicky orientovaným přístupem neustále modernizujeme výrobní zařízení a optimalizujeme naše výrobní procesy. Pokud potřebujete vyrábět těžké měděné desky plošných spojů, neváhejte nás kontaktovat!