होम > समाचार > सामग्री
पीसीबी डिजाइन और फैब्रिकेशन में अधिकतम विश्वसनीयता के लिए भारी और चरम कॉपर
Jul 05, 2018

विभिन्न बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादों को विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए हर दिन डिजाइन किया जा रहा है। तेजी से, ये परियोजनाएं मुद्रित सर्किट बोर्ड उद्योग में बढ़ती प्रवृत्ति का लाभ उठा रही हैं: भारी तांबा और चरम तांबा पीसीबी।

एक भारी तांबा सर्किट क्या परिभाषित करता है? सबसे वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध पीसीबी कम वोल्टेज / लो-पावर अनुप्रयोगों के लिए निर्मित होते हैं, तांबे के निशान / विमानों के तांबे के वजन से बने होते हैं जो ½-oz / ft2 से 3-oz / ft2 तक होते हैं। एक भारी तांबा सर्किट तांबे के वजन के साथ कहीं भी 4-औंस / फीट 2 से 20-औंस / फीट 2 के बीच निर्मित होता है। 20-औंस / फीट 2 से ऊपर कॉपर वजन और 200-औंस / फीट 2 तक भी संभव है और चरम तांबा के रूप में जाना जाता है।

इस चर्चा के प्रयोजनों के लिए, हम मुख्य रूप से भारी तांबा पर ध्यान केंद्रित करेंगे। एक उपयुक्त सब्सट्रेट और मोटे तौर पर छेद में मोटी चढ़ाना के साथ संयुक्त तांबा वजन एक टिकाऊ और विश्वसनीय तारों के प्लेटफार्म में एक बार अविश्वसनीय, कमजोर सर्किट बोर्ड को बदल देता है।

एक भारी तांबा सर्किट का निर्माण बोर्ड के साथ लाभ देता है जैसे कि:

थर्मल उपभेदों में वृद्धि धीरज

मौजूदा वाहक क्षमता में वृद्धि हुई

कनेक्टर साइटों और पीटीएच छेद में यांत्रिक शक्ति बढ़ी

सर्किट विफलता के बिना विदेशी सामग्री उनकी पूर्ण क्षमता (यानी, उच्च तापमान) के लिए उपयोग की जाती है

सर्किट्री की एक ही परत पर एकाधिक तांबे के वजन को शामिल करके उत्पाद का कम उत्पाद (चित्रा 1)

भारी तांबा चढ़ाया vias बोर्ड के माध्यम से उच्च वर्तमान ले जाने और बाहरी हीट्सकीक में गर्मी हस्तांतरण में मदद करते हैं

ऑन-बोर्ड हेटसिंक्स सीधे 120-ओज तांबे के विमानों का उपयोग करके बोर्ड की सतह पर चढ़ाया जाता है

ऑन-बोर्ड उच्च-शक्ति-घनत्व प्लानर ट्रांसफार्मर

यद्यपि नुकसान कम हैं, लेकिन भारी क्षमता वाले तांबे सर्किट के मूल निर्माण को इसकी क्षमताओं और संभावित अनुप्रयोगों की पूरी तरह सराहना करना महत्वपूर्ण है।

चित्रा 1: समान परत पर नमूना 2-औंस, 10-औंस, 20-औंस, और 30-औंस तांबे की विशेषताएं।

भारी कॉपर सर्किट निर्माण

मानक पीसीबी, चाहे डबल-पक्षीय या मल्टीलायर, तांबा नक़्क़ाशी और चढ़ाना प्रक्रियाओं के संयोजन का उपयोग करके निर्मित होते हैं। सर्किट परतें तांबा पन्नी (आमतौर पर 0.5-औंस / फीट 2 से 2-औंस / फीट 2) की पतली चादरों के रूप में शुरू होती हैं जो अवांछित तांबे को हटाने के लिए नक़्क़ाशीदार होती हैं, और विमानों, निशान, पैड और चढ़ाव के माध्यम से चढ़ाए गए तांबा मोटाई को जोड़ने के लिए चढ़ाया जाता है। सभी सर्किट परतों को एक ईपीक्सी-आधारित सब्सट्रेट, जैसे एफआर -4 या पॉलीमाइड का उपयोग करके एक पूर्ण पैकेज में टुकड़े टुकड़े कर दिया जाता है।

भारी तांबे सर्किट को शामिल करने वाले बोर्डों को उसी तरह से उत्पादित किया जाता है, यद्यपि विशिष्ट नक़्क़ाशी और चढ़ाना तकनीक, जैसे उच्च गति / चरण चढ़ाना और अंतर नक़्क़ाशी के साथ। ऐतिहासिक रूप से, भारी तांबा की विशेषताएं पूरी तरह से मोटी तांबा-पहने टुकड़े टुकड़े वाली बोर्ड सामग्री नक़्क़ाशी से बनाई गई थीं, जिससे असमान ट्रेस के किनारे और अस्वीकार्य अंडरकटिंग हुई थी। चढ़ाना प्रौद्योगिकी में प्रगति ने चढ़ाना और नक़्क़ाशी के संयोजन के साथ भारी तांबे की विशेषताओं को स्थापित करने की इजाजत दी है, जिसके परिणामस्वरूप सीधे किनारे और नगण्य अंडरकट हैं।

एक भारी तांबे सर्किट की चढ़ाना बोर्ड फैब्रिकेटर को चढ़ाया छेद में और किनारे के माध्यम से तांबे की मोटाई की मात्रा को बढ़ाने में सक्षम बनाता है। अब एक बोर्ड पर मानक सुविधाओं के साथ भारी तांबा मिश्रण करना संभव है। लाभ में कम परत गणना, कम प्रतिबाधा बिजली वितरण, छोटे पैरों के निशान और संभावित लागत बचत शामिल हैं।

आम तौर पर, अलग-अलग बोर्डों पर उच्च-वर्तमान / उच्च-शक्ति सर्किट और उनके नियंत्रण सर्किट अलग-अलग उत्पादित किए जाते थे। भारी तांबा चढ़ाना उच्च-वर्तमान सर्किट को एकीकृत करना और अत्यधिक घना, अभी तक सरल बोर्ड संरचना का एहसास करने के लिए सर्किट को नियंत्रित करना संभव बनाता है।

भारी तांबे की सुविधाओं को मानक सर्किट से सहजता से जोड़ा जा सकता है। भारी तांबे और मानक सुविधाओं को न्यूनतम प्रतिबंध के साथ रखा जा सकता है बशर्ते डिजाइनर और फैब्रिकेटर अंतिम डिजाइन (चित्रा 2) से पहले विनिर्माण सहनशीलता और क्षमताओं पर चर्चा करें।

चित्रा 2: 2-ओज फीचर्स नियंत्रण सर्किट कनेक्ट करते हैं जबकि 20-ओज फीचर्स उच्च-वर्तमान लोड लेते हैं।

वर्तमान कैरीइंग क्षमता और तापमान वृद्धि

एक तांबा सर्किट सुरक्षित रूप से कितना चालू कर सकता है? यह अक्सर एक प्रश्न है जो डिजाइनरों द्वारा आवाज उठाया जाता है जो अपने प्रोजेक्ट में भारी तांबे सर्किट को शामिल करना चाहते हैं। इस सवाल का आमतौर पर एक अन्य प्रश्न के साथ उत्तर दिया जाता है: आपकी परियोजना का कितना गर्मी बढ़ सकता है? यह सवाल सामने आया है क्योंकि गर्मी में वृद्धि और वर्तमान प्रवाह हाथ में है। आइए इन दोनों सवालों के साथ जवाब देने का प्रयास करें।

जब एक ट्रेस के साथ प्रवाह बहता है, तो एक आई 2 आर (पावर लॉस) होता है जिसके परिणामस्वरूप स्थानीयकृत हीटिंग होता है। ट्रेस कंडक्शन (पड़ोसी सामग्री में) और संवहन (पर्यावरण में) द्वारा ठंडा होता है। इसलिए, अधिकतम वर्तमान ट्रेस सुरक्षित रूप से ले जाने के लिए, हमें लागू वर्तमान से जुड़े गर्मी वृद्धि का अनुमान लगाने का एक तरीका मिलना चाहिए। स्थिर परिचालन तापमान तक पहुंचने के लिए एक आदर्श स्थिति होगी जहां हीटिंग की दर शीतलन की दर के बराबर होती है। सौभाग्य से, हमारे पास एक आईपीसी सूत्र है जिसका हम इस कार्यक्रम को मॉडल करने के लिए उपयोग कर सकते हैं।

आईपीसी -2221 ए: बाहरी ट्रैक की वर्तमान क्षमता की गणना [1]:

मैं = .048 * डीटी (.44) * (डब्ल्यू * था) (725)

जहां मैं वर्तमान (एएमपीएस) हूं, डीटी तापमान वृद्धि (डिग्री सेल्सियस) है, डब्ल्यू ट्रेस (मिल) की चौड़ाई है और टी ट्रेस (मिल) की मोटाई है। हीटिंग के समान डिग्री के लिए आंतरिक निशान 50% (अनुमान) द्वारा निकाला जाना चाहिए। आईपीसी फॉर्मूला का उपयोग करके हमने चित्रा 3 उत्पन्न किया, जिसमें 30 डिग्री सेल्सियस तापमान वृद्धि के साथ अलग-अलग पार-अनुभागीय क्षेत्रों के कई निशान की वर्तमान-वाहक क्षमता दिखाई दे रही है।

चित्रा 3: दिए गए ट्रैक आयामों के लिए लगभग वर्तमान (20˚ सी अस्थायी वृद्धि)।

गर्मी वृद्धि की एक स्वीकार्य मात्रा का गठन क्या प्रोजेक्ट से प्रोजेक्ट से अलग होगा। अधिकांश सर्किट बोर्ड ढांकता हुआ पदार्थ परिवेश से 100 डिग्री सेल्सियस के तापमान का सामना कर सकते हैं, हालांकि अधिकांश स्थितियों में तापमान परिवर्तन की यह मात्रा अस्वीकार्य होगी।

सर्किट बोर्ड शक्ति और उत्तरजीविता

सर्किट बोर्ड निर्माताओं और डिजाइनर मानक एफआर -4 (ऑपरेटिंग तापमान 130 डिग्री सेल्सियस) से उच्च तापमान पॉलीमाइड (ऑपरेटिंग तापमान 250 डिग्री सेल्सियस) तक विभिन्न ढांकता हुआ सामग्री से चुन सकते हैं। एक उच्च तापमान या चरम पर्यावरण की स्थिति एक विदेशी सामग्री के लिए कॉल कर सकती है, लेकिन यदि सर्किट निशान और चढ़ाया vias मानक 1-ओज / फीट 2 हैं, तो क्या वे चरम स्थितियों में जीवित रहेंगे? सर्किट बोर्ड उद्योग ने एक तैयार सर्किट उत्पाद की थर्मल अखंडता को निर्धारित करने के लिए एक परीक्षण विधि विकसित की है। थर्मल उपभेद विभिन्न बोर्ड फैब्रिकेशन, असेंबली और मरम्मत प्रक्रियाओं से आते हैं, जहां सीयू और पीडब्ल्यूबी टुकड़े टुकड़े के थर्मल विस्तार (सीटीई) के गुणांक के बीच मतभेद क्रैक न्यूक्लियेशन और सर्किट की विफलता के लिए विकास के लिए ड्राइविंग बल प्रदान करते हैं। थर्मल चक्र परीक्षण (टीसीटी) एक सर्किट के प्रतिरोध में वृद्धि के लिए जांच करता है क्योंकि यह 25 डिग्री सेल्सियस से 260 डिग्री सेल्सियस तक एयर-टू-एयर थर्मल साइकलिंग से गुजरता है।

प्रतिरोध में वृद्धि तांबे सर्किट में दरारों के माध्यम से विद्युत अखंडता में टूटने का संकेत देती है। इस परीक्षण के लिए एक मानक कूपन डिज़ाइन 32 चढ़ाया थ्रू-होल की एक श्रृंखला का उपयोग करता है, जिसे लंबे समय तक थर्मल तनाव के अधीन सर्किट में सबसे कमजोर बिंदु माना जाता है।

मानक एफआर -4 बोर्डों पर 0.8-मिलियन से 1.2-मिलीलीटर तांबा चढ़ाना के साथ किए गए थर्मल चक्र अध्ययन से पता चला है कि 32 चक्र सर्किट आठ चक्रों के बाद विफल हो जाते हैं (प्रतिरोध में 20% की वृद्धि विफलता माना जाता है)। विदेशी सामग्रियों पर किए गए थर्मल चक्र अध्ययन इस विफलता दर (साइनेट एस्टर के लिए आठ चक्रों के बाद 3%) में महत्वपूर्ण सुधार दिखाते हैं, लेकिन निषिद्ध रूप से महंगा (पांच से 10 गुना भौतिक लागत) और प्रक्रिया में मुश्किल होती है। एक औसत सतह-माउंट प्रौद्योगिकी असेंबली शिपमेंट से पहले कम से कम चार थर्मल चक्र देखती है, और प्रत्येक घटक की मरम्मत के लिए अतिरिक्त दो थर्मल चक्र देख सकती है।

यह एक एसएमओबीसी बोर्ड के लिए अनुचित नहीं है जो कुल नौ या 10 थर्मल चक्र तक पहुंचने के लिए मरम्मत और प्रतिस्थापन चक्र से गुजर चुका है। टीसीटी के नतीजे स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि विफलता दर, चाहे बोर्ड सामग्री क्या हो, अस्वीकार्य हो सकती है। मुद्रित सर्किट बोर्ड निर्माताओं को पता है कि तांबा इलेक्ट्रोप्लाटिंग एक बोर्ड में वर्तमान घनत्व में सटीक विज्ञान-परिवर्तन नहीं है और कई छेद / आकार के माध्यम से 25% या उससे अधिक की तांबा मोटाई भिन्नता में परिणाम होता है। "पतली तांबा" के अधिकांश क्षेत्र चढ़ाया-छेद वाली दीवारों पर हैं- टीसीटी के परिणाम स्पष्ट रूप से इस मामले के रूप में दिखाते हैं।

भारी तांबा सर्किट का उपयोग इन विफलताओं को पूरी तरह से कम या खत्म कर देगा। एक छेद की दीवार पर तांबे के 2-ओज़ / फीट 2 की चढ़ाना विफलता दर लगभग शून्य तक कम हो जाती है (टीसीटी के परिणाम मानक एफआर -4 के लिए आठ चक्रों के बाद 0.57% विफलता दर दिखाते हैं, जिसमें न्यूनतम 2.5-मिलीलीटर तांबा चढ़ाना होता है)। असल में, तांबा सर्किट थर्मल साइकलिंग द्वारा रखे गए यांत्रिक तनावों के लिए अभ्यस्त हो जाता है।

ऊष्मीय प्रबंधन

चूंकि डिजाइनर अपनी परियोजनाओं से अधिकतम मूल्य और प्रदर्शन प्राप्त करने का प्रयास करते हैं, इसलिए मुद्रित सर्किट अधिक जटिल होते जा रहे हैं और उच्च शक्ति घनत्व के लिए प्रेरित होते हैं। Miniaturization, बिजली घटकों का उपयोग, चरम पर्यावरण की स्थिति और उच्च वर्तमान आवश्यकताओं थर्मल प्रबंधन के महत्व में वृद्धि। गर्मी के रूप में उच्च नुकसान, जो अक्सर इलेक्ट्रॉनिक्स के संचालन में उत्पन्न होता है, को अपने स्रोत से विलुप्त होना और पर्यावरण के लिए विकिरण करना पड़ता है; अन्यथा, घटकों को गर्म हो सकता है और असफलताओं का परिणाम हो सकता है। हालांकि, भारी तांबे सर्किट आई 2 आर घाटे को कम करके और मूल्यवान घटकों से गर्मी दूर करके, नाटकीय रूप से विफलता दरों को कम करके मदद कर सकते हैं।

एक सर्किट बोर्ड की सतह पर और उसके गर्मी स्रोतों से उचित गर्मी अपव्यय प्राप्त करने के लिए, हेटसिंक्स नियोजित होते हैं। किसी भी हेटसिंक का उद्देश्य गर्मी को पीढ़ी के स्रोत से दूर करने के लिए गर्मी को दूर करना और पर्यावरण को संवहन द्वारा इस गर्मी को उत्सर्जित करना है। बोर्ड के एक तरफ गर्मी स्रोत (या आंतरिक ताप स्रोत) बोर्ड के दूसरी तरफ एक बड़े नंगे तांबा क्षेत्र में तांबा vias (कभी-कभी "गर्मी vias" कहा जाता है) से जुड़ा हुआ है।

आम तौर पर, शास्त्रीय हेटसिंक्स को इस नंगे तांबे की सतह से बंधे होते हैं जो थर्मलली प्रवाहकीय चिपकने वाले या कुछ मामलों में, रिवेट या बोल्ट होते हैं। अधिकांश हेटसिंक्स या तो तांबे या एल्यूमीनियम से बने होते हैं। शास्त्रीय हेट्सकीक्स के लिए आवश्यक असेंबली प्रक्रिया में तीन श्रम-केंद्रित और महंगे कदम होते हैं।

शुरू करने के लिए, हेटसिंक के रूप में सेवा करने वाली धातु को आवश्यक आकार में पेंच या कटौती की जानी चाहिए। चिपकने वाला परत भी सर्किट बोर्ड और हीट्सकीक के बीच एक सटीक फिट के लिए कट या मुद्रित किया जाना चाहिए। आखिरी लेकिन कम से कम नहीं, हेटसिंक को पीसीबी पर ठीक से तैनात किया जाना चाहिए और पूरे पैकेज को एक उपयुक्त लाह या कवर कोट के साथ बिजली और / या संक्षारण प्रतिरोध के लिए लेपित किया जाना चाहिए।

आम तौर पर, उपरोक्त प्रक्रिया को स्वचालित नहीं किया जा सकता है और हाथ से किया जाना चाहिए। इस प्रक्रिया को पूरा करने के लिए आवश्यक समय और काम महत्वपूर्ण है, और परिणाम यांत्रिक रूप से स्वचालित प्रक्रिया से कम हैं। इसके विपरीत, पीसीबी विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान निर्मित हेटसिंक्स बनाए जाते हैं और उन्हें अतिरिक्त असेंबली की आवश्यकता नहीं होती है। भारी तांबा सर्किट प्रौद्योगिकी यह संभव बनाता है। यह तकनीक बोर्ड के बाहरी सतहों पर लगभग कहीं भी मोटी तांबा हीट्सक्स को जोड़ने की अनुमति देती है। हीटसिंक्स सतह पर इलेक्ट्रोप्लेटेड होते हैं और इस प्रकार थर्मल चालकता में बाधा डालने वाले किसी भी इंटरफेस के बिना गर्मी का संचालन करते हैं।

एक अन्य लाभ गर्मी vias में जोड़ा तांबा चढ़ाना है, जो बोर्ड डिजाइन के थर्मल प्रतिरोध को कम करता है, यह महसूस करते हुए कि वे पीसीबी विनिर्माण में समान सटीकता और दोहराने योग्यता की उम्मीद कर सकते हैं। चूंकि प्लानर विंडिंग्स वास्तव में तांबा पहने हुए टुकड़े टुकड़े पर बने फ्लैट प्रवाहकीय निशान होते हैं, इसलिए वे बेलनाकार तार चालकों की तुलना में समग्र वर्तमान घनत्व में सुधार करते हैं। यह लाभ त्वचा प्रभाव को कम करने और उच्च वर्तमान-वाहक दक्षता के कारण है।

ऑन-बोर्ड प्लानर्स उत्कृष्ट प्राथमिक-से-माध्यमिक और द्वितीयक-से-माध्यमिक ढांकता हुआ अलगाव प्राप्त करते हैं क्योंकि सभी परतों के बीच एक ही ढांकता हुआ सामग्री का उपयोग किया जाता है, जो सभी विंडिंग्स के पूर्ण encapsulation सुनिश्चित करता है। इसके अलावा, प्राथमिक हवाओं को ठंडा किया जा सकता है ताकि माध्यमिक घुमाव प्राइमरी के बीच सैंडविच हो, कम रिसाव अधिष्ठापन प्राप्त हो। मानक पीसीबी टुकड़े टुकड़े तकनीक, विभिन्न प्रकार के इकोक्सी रेजिन की पसंद का उपयोग करके, तांबे की हवाओं की 50 परतों तक सैंडविच सुरक्षित रूप से 10-ओज़ / फीट 2 के रूप में मोटी हो सकती है।

भारी तांबा सर्किट के निर्माण के दौरान, हम आम तौर पर महत्वपूर्ण चढ़ाना मोटाई से निपट रहे हैं; इसलिए, ट्रेस अलगाव और पैड आकार को परिभाषित करने में भत्ते किए जाने चाहिए। इस कारण से, डिजाइनरों को सलाह दी जाती है कि वे बोर्ड की फैब्रिकेटर को डिजाइन प्रक्रिया में जल्दी ही बोर्ड पर रखें।

भारी तांबा सर्किटरी का उपयोग कर पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पाद सैन्य और एयरोस्पेस उद्योग में कई सालों से उपयोग में हैं और औद्योगिक अनुप्रयोगों में पसंद की तकनीक के रूप में गति प्राप्त कर रहे हैं। ऐसा माना जाता है कि बाजार की आवश्यकताओं निकट भविष्य में इस प्रकार के उत्पाद के आवेदन को बढ़ाएगी।

संदर्भ:

1. आईपीसी -2221 ए

संबंधित समाचार