Руководство эксперта 2024: Разработка печатных плат с толстой медью для сильноточных применений – советы, управление тепловым режимом и лучшие практики

В эпоху электромобилей, систем возобновляемой энергии и промышленной автоматизациивысокопроизводительные электронические платы с высоким спросом, которые могут обрабатывать экстремальные токи без перегрева или отказа. Тяжелые медные ПКБ, определяемые слоями меди толщиной 105,0 мкм или более, являются решением.эффективно рассеивает тепло (теплопроводность меди)Глобальный рынок тяжелых медных печатных пластин, по прогнозам, вырастет на CAGR 8,3% до 2030 года, что будет обусловлено спросом на силовые агрегаты для электромобилей, солнечные инверторы,и военной техники.

Это всеобъемлющее руководство раскрывает основные принципы проектирования, стратегии теплового управления и передовые методы для тяжелых медных ПХБ.и лучших практик отрасли , он дает инженерам и конструкторам возможность создавать надежные высокопроизводительные платы для применения высоких токов.

Ключевые выводы
1Толщина меди имеет решающее значение: 3 унции меди (105 мкм) переносят в 2 раза больше тока, чем 1 унция (35 мкм) и уменьшают повышение тепла на 40% для той же ширины следа.
2Ширина следа соответствует стандартам IPC: используйте формулу IPC-2221 (или онлайн-калькуляторы) для измерения следов, например, 2 унции медной следы требуют ширины 20 миллиметров для 5A (правило 500 круговых миллиметров / ампер).
3Тепловое управление не подлежит обсуждению: комбинируйте тепловые каналы (диаметр 0,2 - 0,4 мм), материалы с высокой теплопроводностью (MCPCB) и теплоотводы для поддержания температуры < 125 °C.
4.Вопросы изготовления: Избегайте чрезмерно толстой меди (≥10 унций) без ввода поставщика, это может вызвать проблемы с ламинированием.
5Усовершенствованные методы повышают производительность: медные редукторы снижают индуктивность на 30%, в то время как многослойные конструкции равномерно распределяют ток по 412 слоям.

Понимание тяжелых медных ПХБ

Что такое тяжелое медное ПХБ?
Тяжелый медный ПКБ определяется его толстыми слоями меди ≈3oz (105μm) или более ≈ в сравнении со стандартными ПКБ (1oz/35μm или 2oz/70μm).
a. Проводить высокие токи (50A ≈ 500A) без чрезмерного нагрева.
b. Рассеивает тепло в 3×5 раз быстрее, чем стандартные ПХБ.
c. Выдерживают механические нагрузки (например, вибрации в электромобилях) и тепловые циклы.

Основные критерии определения

Ключевые преимущества тяжелых медных ПХБ
Тяжелые медные ПКБ превосходят стандартные ПКБ в сценариях высокой мощности, предлагая четыре критических преимущества:

Критические применения для тяжелых медных ПХБ
Тяжелые медные ПХБ незаменимы в отраслях промышленности, где надежность под высоким током не подлежит обсуждению:

Пример: Tesla Model 3 BMS использует 6 унций тяжелых медных печатных пластин для обработки токов 400V +, уменьшая сбои, связанные с теплом, на 70% по сравнению с более ранними моделями со стандартными печатными пластинками.

Основные соображения по проектированию тяжелых медных ПХБ
Проектирование тяжелых медных печатных плат требует сбалансированности мощности тока, теплового управления и изготовления.
1Выбор правильной толщины меди
Толщина меди напрямую влияет на несущую способность тока, теплораспределение и сложность производства.

Толщина меди против производительности

Ключевые факторы, которые нужно учитывать при измерении медной массы
a.Текущие требования: для быстрых оценок используйте правило 500 круговых миллиметров на ампер (1 круговой миллиметр = 0,001 миллиметра2) ∙ например, 5A требует 2500 круговых миллиметров (20 миллиметров ширины × 70 мкм / 2 унций толщины).
b.Лимиты повышения температуры: промышленные стандарты позволяют повышение температуры на 30-40 °C; критические приложения (например, медицинские) требуют <20 °C. Более толстая медь уменьшает повышение температуры экспоненциально.
c. Производимость: медь ≥10 унций требует специального покрытия (например, электропокрытия порта) и ламинирования.
d.Cost: Каждая унция меди добавляет ~15~20% к стоимости PCB, избегая переустановки (например, 6 унций для приложения 10A), чтобы сэкономить деньги.

Совет инструмента: Используйте ANSYS или SolidWorks PCB для моделирования потока и повышения тепла. Эти инструменты оптимизируют толщину меди для ваших точных требований.

2. Расчет ширины трасс для высокого тока
Ширина следа является наиболее важным параметром конструкции для тяжелых медных печатных плат — слишком узкая, и доска перегревается; слишком широкая, и это трата места.

IPC-2221 Формула ширины следа
I=k×(ΔT 0.44)) ×W 1.0×t 0.725
Где:
I: ток в амперах (A)
ΔT: Допустимое повышение температуры (°C)
W: Ширина следа в миллиметрах (1mil = 0,0254mm)
t: толщина меди в унциях/фт2
k: постоянная (отличается от толщины меди: 0,048 для 1 унции, 0,064 для 2 унций, 0,078 для 3 унций)

Примеры расчетов

Критические советы по проектированию следов
a.Внешние и внутренние следы: внешние следы охлаждаются на 30% быстрее, чем внутренние следы (подвергаются воздействию воздуха).
b.Форма следов: избегайте резких углов (> 90°) и используйте округлые углы, чтобы уменьшить переполненность тока (вызывает горячие точки).
c. Параллельные следы: для токов > 100 А используют 2 ′ 4 параллельных следов (расположенных ≥ 3x ширины следа) для равномерного распределения тока.

3Управление тепловым расширением и напряжением
Тяжелые медные ПХБ подвержены термическому напряжению из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения (CTE) между меди (17ppm/°C) и FR4 (13ppm/°C).или деформации доски, особенно при тепловом цикле (от -40°C до +125°C).

Стратегии снижения теплового стресса

Данные: ПКБ из тяжелой меди с тепловыми проводами и FR4 с высоким Tg имеют на 60% меньший уровень отказов во время теплового цикла, чем стандартная конструкция.

4. Обеспечение производительности
Производство тяжелых медных ПХБ сложнее, чем производства стандартных пластин, следовать следующим рекомендациям, чтобы избежать задержек и дефектов:
a. Избегайте чрезмерно толстой меди: для меди ≥10 унций требуется специализированная ламинация (вакуумный пресс + высокая температура) и может увеличить время выполнения на 2-3 недели.
b.Минимальное расстояние между следами: используйте расстояние ≥ 10 миллилитров для 3 унций меди (против 6 миллилитров для 1 унции) для предотвращения короткого замыкания во время офорта.
c. Контроль ламинирования: Работа с поставщиками с использованием электропластировки порта или горизонтального опускания меди для обеспечения равномерной толщины меди.
d.Проектирование для испытаний: Добавление испытательных точек вдоль путей высокого тока для проверки непрерывности и потока тока без повреждения платы.

Наилучшая практика теплового управления в тяжелых медных ПХБ
Тепло является самым большим врагом высокоточных ПХБ. Неконтролируемая температура уменьшает срок службы компонента и вызывает внезапные сбои.

1Тепловые каналы: основа рассеивания тепла
Тепловые камеры представляют собой небольшие отверстия (0,2 ∼ 0,4 мм), покрытые медью, которые переносят тепло из верхнего слоя в нижний слой (или наземную плоскость)..

Руководящие принципы по проектированию тепловых путей

Сравнение производительности на тепловой линии

2. Материалы с высокой теплопроводностью
ПХЛ-субстрат играет решающую роль в рассеивании тепла и переходе от стандартного FR4 к следующим материалам для применения с высоким током:

Пример: медный MCPCB с 4 унциями меди уменьшает повышение температуры на 45% по сравнению со стандартным FR4 PCB для того же приложения 50A.

3. Размещение стратегических компонентов
Размещение компонента напрямую влияет на тепловую производительность. Избегайте таких распространенных ошибок, как кластеризация горячих компонентов:
a. Распределить высокопроизводительные детали: MOSFET, IGBT и трансформаторы с расстоянием ≥ 5 мм друг от друга для предотвращения накопления тепла.
b.Отдельные чувствительные компоненты: хранить ИС управления (например, микроконтроллеры) на расстоянии ≥ 10 мм от высокоточных следов, чтобы избежать теплового повреждения.
c. Выровнять с охлаждающими путями: поместить горячие компоненты над тепловыми проводами или металлическими ядрами для максимальной передачи тепла.
d. Избегайте пересечения следов: пересекайте следы высокого тока на 90° (не параллельно), чтобы уменьшить взаимное нагревание.

4Теплоотводы и тепловые подушки
Для токов > 100 А или компонентов с рассеиванием мощности > 5 Вт добавить внешнее охлаждение:
a.Отогреватели: прикрепляют алюминиевые или медные отапливатели к горячим компонентам с помощью тепловой пасты (теплопроводность: 1 ≈ 4 Вт/мК).
Tj=T a + ((R ja ×P)
где Tj = температура соединения, T a = температура окружающей среды, R ja = тепловое сопротивление (°C/W), P = рассеивание мощности (W).
b.Термальные подкладки: используйте силиконовые или графитовые тепловые подкладки (теплопроводность: 1 ‰ 10 W/mK) для заполнения пробелов между компонентами и теплоотводами ≈ идеально подходит для нерегулярных поверхностей.
c. Принудительное охлаждение воздухом: Добавление вентиляторов для промышленного оборудования, работающего при высоких температурах окружающей среды (>40°C).

Совет: 20 мм × 20 мм × 10 мм алюминиевый теплоотводы снижает температуру соединения компонента 10 Вт на 40 °C.

Усовершенствованные технологии для применения высокого тока
Для экстремальных токов (100A +) или сложных конструкций используйте эти передовые методы для повышения производительности и надежности.

1Медные шины для низкоиндуктивного тока
Медные шины - это толстые, плоские медные полоски (310 мм в ширину, 1 3 мм в толщину), интегрированные в ПКБ для переноса сверхвысоких токов.
a.Низкая индуктивность: уменьшает пики напряжения и EMI на 30% по сравнению со стандартными следами, критически важными для инверторов электромобилей.
b.Высокая пропускная способность: медная шина пропускной способности 10 × 2 мм несет 200 А при повышении температуры до 40 °C.
Упрощенная сборка: замена нескольких параллельных следов одной шины, уменьшение точек сварки и риска отказа.

Медные советы по проектированию решеток
a. Толщина: для токов > 100 А используется толщина ≥1 мм для минимизации сопротивления.
b.Установка: Закрепите редукторы с изолированными противопоказаниями для предотвращения короткого замыкания.
c. Пластировка: плита с олова или никелем для предотвращения окисления и улучшения сварной способности.

2. Терминальные блоки для безопасных соединений
Терминальные блоки обеспечивают безопасные, надежные соединения для проводов высокого тока (например, 10AWG4AWG).
a.Назначенный ток: выбирать блоки с номинальным током в 1,5 раза больше максимального тока (например, блоки 75 А для применения 50 А).
b.График провода: соответствует размеру блока толщине провода (например, проводу 6AWG нужен конечный блок вместимостью 16 мм2).
c.Установка: Использование винтовых или пружинных зажимов для сопротивления вибрациям (критически важно для электромобилей и промышленного оборудования).

3. Многослойные тяжелые медные ПХБ
Многослойные конструкции (412 слоев) распределяют ток по нескольким слоям меди, уменьшая ширину следов и повышение тепла.
a.Плоскости питания и заземления: используйте 2−4 слоя в качестве специальных плоскостей питания и заземления для равномерного распространения тока.
b.Складывание слоев: размещение медных слоев симметрично (например, мощность → сигнал → заземление → сигнал → мощность), чтобы уменьшить искривление.
c. Via Stitching: соедините плоскости питания / земли с проходами (0,3 мм, 50 миллиметров) для улучшения распределения тока и снижения индуктивности.

Пример: 6-слойный тяжелый медный ПКБ с 4 унциями планов мощности несет 150А с повышением тепла 30°C, что 2-слойная плата может достичь только с непрактически широкими следами (100mil+).

Зачем сотрудничать со специализированным производителем тяжелых медных ПКБ
Проектирование тяжелых медных печатных плат - это только половина битвы.
a.Сертификации IPC: IPC 610 класса 3 (высочайшее качество) и соответствие IPC 2221 для измерения размеров следов.
b. Специализированное оборудование: Гарантированная электропластика, вакуумная ламинация и лазерное бурение для небольших проемов.
c. Материальные знания: опыт работы с MCPCB, медными субстратами и толстой медью (до 20 унций).
d. Возможности испытаний: термоизоляция, испытание потока тока и тепловое циклирование для проверки производительности.
e.Конфигурация: Возможность настраивать толщину меди, сварную маску и отделки (ENIG, HASL) в соответствии с вашим приложением.

Случайное исследование: компания по возобновляемой энергетике объединилась с производителем IPC 610 класса 3 для производства 6 унций тяжелых медных ПКБ для солнечных инверторов.Планшеты сокращают тепловые сбои на 80% и повышают эффективность инвертора на 3%.

Часто задаваемые вопросы о тяжелых медных ПХБ
1Какова максимальная толщина меди для тяжелых медных ПХБ?
Большинство производителей предлагают до 20 унций (700 мкм) меди для экстремальных применений (например, военный радар, сварочное оборудование).Более толстая медь (> 20 унций) возможна, но требует пользовательских инструментов и более длительных сроков выполнения.

2Могут ли тяжелые медные ПХБ использоваться в высокочастотных приложениях?
Да, толстая медь уменьшает импеданс (критически важен для высокочастотных сигналов), но требует тщательного проектирования следов, чтобы избежать потери сигнала.Полярные инструменты) для оптимизации ширины и расстояния для 50Ω/75Ω импеданса.

3Как сопоставить стоимость и производительность тяжелых медных ПХБ?
a. Используйте минимальную толщину меди, необходимую для ваших текущих требований (например, 3 унции вместо 6 унций для 30А).
b. Ограничить многослойные конструкции до 4−6 слоев, если не требуется > 100 А.
Для проектов с низкой стоимостью вместо меди выбирать FR4 или алюминиевый MCPCB.

4. Каковы распространенные сбои в тяжелых медных ПХБ?
a.Деламинирование: вызвано плохой ламинацией (недостаточным давлением/температурой) или чрезмерной толщиной меди.
b.Lifting Pad: из-за теплового напряжения от CTE несовместимость решается с помощью слёзных подушек и тепловых каналов.
c.Ошибки гравирования: недостаточное или чрезмерное гравирование толстой меди с использованием производителя с контролируемыми процессами гравирования.

Заключение: Тяжелые медные ПКБ

Поскольку электроники требуют более высоких токов и большей надежности ‒ от электромобилей к системам возобновляемой энергии ‒ тяжелые медные ПКБ стали незаменимыми.эффективно рассеивать тепло, и выдерживают суровые условия, что делает их лучшим выбором для высокомощных приложений.
Ключ к успешной конструкции тяжелых медных ПКБ заключается в:
a.Правильная толщина меди для сбалансирования текущей мощности и стоимости.
b.Точные расчеты ширины следа с использованием стандартов IPC для предотвращения перегрева.
c.Общее управление тепловой энергией (тепловые каналы, высокотепловые материалы, теплоотводы).
d.Производственность сотрудничество с сертифицированными IPC поставщиками для предотвращения дефектов.

В перспективе тяжелые медные ПХБ будут играть еще большую роль в переходе к чистой энергии и электрической мобильности.более высокопроводящие медные сплавы и интегрированные системы охлаждения еще больше улучшат производительность при одновременном сокращении размера и затрат.

Для инженеров и дизайнеров освоение конструкции тяжелых медных печатных плат уже не является опцией, а необходимостью, чтобы оставаться конкурентоспособными на рынке высокопроизводительной электроники.Следуя принципам, изложенным в этом руководстве, вы можете создавать панели, которые являются надежными, эффективными и построены для удовлетворения потребностей завтрашних технологий.