Технология производства печатных плат с толстой медной фольгой: развитие электроники высоких токов

Изображения, создаваемые клиентами

Тяжелые медные печатные пластинки, определяемые следами меди и плоскостями толщиной 3 унций (105 мкм) или больше, являются основой высокопроизводительных электронных систем.От инверторов для электромобилей до контроллеров для промышленных двигателейПоскольку спрос на энергоемкие устройства растет, они также могут быть использованы в качестве источников энергии.Прогресс в технологиях производства тяжелой меди расширил их возможности, что позволяет создавать более тонкие платы с более высокими номинальными токами и повышенной надежностью.

В данном руководстве рассматриваются новейшие технологии производства тяжелых медных ПКБ, их основные преимущества по сравнению со стандартными медными конструкциями,и как производители преодолевают традиционные проблемы для удовлетворения потребностей в высокомощных приложениях.

Ключевые выводы
1Тяжелые медные ПКБ (3 унции +) обрабатывают 2 5x больше тока, чем стандартные медные ПКБ 1 унции, с 40 ~ 60% лучшей теплопроводностью для рассеивания тепла.
2Усовершенствованные методы покрытия (прямая металлизация, импульсное покрытие) теперь достигают равномерной толщины меди (± 5%) на больших панелях, критически важных для путей питания 50A +.
3Лазерная абляция и плазменная гравировка позволяют более тонкие ширины следов (0,2 мм) в тяжелых конструкциях из меди, балансируя высокую емкость тока с целостностью сигнала.
4Производственные затраты на тяжелые медные печатные платы в 2×4 раза выше, чем на стандартные печатные платы, но их долговечность снижает затраты на систему на 15×25% за счет более длительного срока службы и меньшего количества теплоотводов.

Что такое тяжелые медные ПХБ?
Тяжелые медные печатные платы имеют медные следы, плоскости и каналы толщиной от 3 унций (105 мкм), простираясь до 20 унций (700 мкм) для экстремальных высокомощных приложений.Эта густая медь приносит две важные пользы:
1.Высокая емкость тока: более толстая медь уменьшает сопротивление (закон Ома), позволяя токам 30 ‰ 200 А без перегрева.в то время как 10oz следы (350μm) несет 80A в той же ширине.
2Высокая теплопроводность: высокая теплопроводность меди (401 Вт/мк) распространяет тепло от энергетических компонентов (например, IGBT, MOSFET) по всей панели, уменьшая точки горячего тока на 30-50 °C.
Эти свойства делают тяжелые медные ПХБ незаменимыми в электромобилях, системах возобновляемой энергии и промышленных машинах, где плотность мощности и надежность не подлежат обсуждению.

Технологии производства тяжелых медных ПХБ
Производство тяжелых медных печатных плат требует специализированных процессов обработки толстой меди при сохранении точности.
1Осаждение меди: создание толстых, равномерных слоев
Однородное осаждение толстой меди является самой важной задачей в производстве тяжелых медных печатных плат.:
a.Импульсное покрытие: используется импульсный ток (циклы включения/выключения) вместо непрерывного постоянного тока, что уменьшает "накопление краев" (более толстая медь на крайних краях)..Импульсное покрытие идеально подходит для 3 ̊10 унций меди с скоростью осаждения 20 мкм/час.
b. Прямая металлизация: обходит традиционные слои семенной меди без электроэнергии, используя проводящие полимеры для связывания меди непосредственно с диэлектриком.Это устраняет проблемы с адгезией в 10 ≈ 20 унций медных конструкций, уменьшая деламинирование на 40%.
c.Ламинированная медная фольга: для сверхтолстой меди (10 ̊20 унций) заменяют покрытие предварительно ламинированные медные фольги (связанные с диэлектриком в прессе).Этот метод сокращает время производства на 50% для 20 унций конструкций, но ограничивает следы тонкости до 0.5мм+.

2Гасение: точность в толстой меди
Для гравирования толстой меди (≥ 3 унций) для образования следов требуются более агрессивные процессы, чем стандартная 1 унция меди:
a. Плазменное гравирование: использует ионизированный газ (O2, CF4) для гравирования меди, достигая более тонких ширины следов (0,2 мм) в конструкциях 3 ̊5 унций.Плазменное гравирование в 2 раза медленнее, чем химическое гравирование, но уменьшает подрез (избыточный гравирование под сопротивлением) на 70%, критически важный для высокоточных путей, где точность ширины влияет на текущую емкость.
b.Лазерная абляция: для 5 ̊10 унций меди лазеры (CO2 или волокна) избирательно удаляют медь без сопротивления, создавая сложные узоры (например, 0,3 мм следов с 0,3 мм расстоянием).Лазерная абляция идеально подходит для прототипов или небольших тиражей, так как избегает дорогостоящих фотомасок.
c. Химическое гравирование (улучшенное): модифицированные гравирующие средства (хлорид железа с добавками) ускоряют гравирование 3 ̊5 унций меди с оптимизированным давлением распыления для предотвращения неравномерного удаления.Это остается наиболее экономически эффективным методом для производства больших объемов.

3Через заполнение и покрытие: обеспечение высокопоточных соединений
Пробелы в тяжелых медных ПКБ должны переносить большие токи, требующие заполненных или толстопокрытых бочек:
a. Медь через наполнение: электропластировка полностью заполняет пропускные пути медью, создавая твердые проводники, которые обрабатывают 20 ‰ 50 А (против 10 ‰ 20 А для стандартных покрытых пропускных путей).Наполненные жидкости также улучшают теплопроводность, передавая тепло из внутренних слоев во внешние плоскости.
b.Высокая толщина через покрытие: для проходов, которые слишком большие для заполнения, покрытие медью 75-100μm (34x стандартная толщина) обеспечивает текущую емкость.Импульсное покрытие используется здесь для поддержания равномерной толщины бочки, предотвращая "завязывание" (тонкие секции), которые вызывают перегрев.

4Ламинация: соединительные слои без деламинации
Тяжелые медные печатные платы часто используют многослойные конструкции, требующие надежной ламинировки, чтобы предотвратить разделение слоев:
a.Ламинация под управляемым давлением: Пресы с программируемыми профилями давления (постепенно увеличивающимися до 300-500 psi) обеспечивают правильное связывание между медью и диэлектриком, даже с 10 унций+ меди.Это уменьшает деламинирование на 60% против. стандартная ламинация.
b.Диэлектрики с высоким Tg: FR4 с температурой стеклянного перехода (Tg) ≥ 170°C (против 130°C для стандартного FR4) выдерживает более высокие температуры, порождаемые тяжелой меди.предотвращение деградации смолы во время ламинирования и эксплуатации.

Преимущества передовых технологий производства тяжелой меди
Эти производственные достижения открыли новые возможности для тяжелых медных ПХБ:

1Более высокая плотность тока
Более мелкие следы, больше тока: лазерная абляция и плазменный гравий позволяют 0.2 мм следов в 3 унций меди ≈ 30% теснее, чем ранее возможно.установка большего количества путей питания в компактных системах управления аккумуляторами электромобилей (BMS).
Уменьшенная площадь поперечного сечения: расширенное покрытие достигает равномерной толщины, поэтому конструкторы могут указать более тонкие следы (с той же мощностью тока), чтобы сэкономить место.5 унций медной следы теперь может заменить 7 унций следы, уменьшая вес доски на 15%.

2Улучшенная тепловая производительность
Лучшее распределение тепла: однородные медные плоскости (достигаемые с помощью импульсной облицовки) распределяют тепло на 40% более равномерно, чем не однородные слои, устраняя горячие точки в двигателях промышленного привода 100A+.
Интегрированные теплоотводы: толстые медные плоскости действуют как встроенные теплоотводы, уменьшая потребность во внешнем охлаждении.

3Улучшенная надежность
Уменьшение усталости: Прямая металлизация улучшает адгезию меди, делая следы более устойчивыми к вибрации (20G) и тепловому циклированию (-40 ° C до 125 ° C).Это увеличивает продолжительность службы в 2×3 раза в автомобильных приложениях..
Снижение риска сбоев: заполненные каналы устраняют пустоты (воздушные карманы), которые вызывают дугу, уменьшая сбои поля на 50% в системах высокого напряжения (600В +).

Применение тяжелых медных ПХБ
Передовые технологии производства позволили расширить использование тяжелых медных ПКБ в различных отраслях промышленности:
1Электрические транспортные средства (ЭВ) и гибридные электромобили
Инверторы: преобразуют питание батареи постоянного тока в переменный для двигателей, используя 3 ′′ 10 унций медной трассы для обработки 100 ′′ 300 А. Импульсированная медь обеспечивает равномерное распределение тока, предотвращая перегрев.
Системы управления аккумуляторами (BMS): 5 унций медных следов соединяют батарейные ячейки, с заполненными каналами, позволяющими балансировать высокий ток (20A) в компактных модулях.

2. Возобновляемая энергия
Солнечные инверторы: медные печатные платы 7 ‰ 10 унций обрабатывают 50 ‰ 100 А от солнечных панелей, с толстыми медными плоскостями, рассеивающими тепло от полупроводников питания.
Контроллеры ветровых турбин: медь 10 15 унций выдерживает токи 150 А в турбинных регулировках, с ламинированной медной фольгой, обеспечивающей надежность в суровой среде.

3Промышленные машины
Двигатели двигателей: 3 ′′ 7oz медные печатные платы в приводах с переменной частотой (VFD) несут 30 ′′ 80A, с плазменными отпечатками, помещающимися в плотное корпус.
Оборудование для сварки: 15 ̊20 унций меди обрабатывает 200+ токов в электроснабжении сварки, используя прямую металлизацию для предотвращения деламинирования при высокой температуре.

4Аэрокосмическая и оборонная промышленность
Подразделения распределения энергии (PDU): 5 ‰ 10 унций медных ПКБ в самолетах распределяют 50 ‰ 100 А, с заполненными каналами, обеспечивающими надежность на высоте 40 000 футов.
Радарные системы: тяжелые медные самолеты действуют как проводники питания, так и как теплоотводы для высокомощных передатчиков, уменьшая вес на 20% по сравнению с традиционными конструкциями.

Расходы и рентабельность
Тяжелые медные ПКБ стоят в 2×4 раза дороже стандартных ПКБ из-за специализированных материалов и процессов. Однако их общая стоимость владения часто ниже:
a.Сниженные затраты на компоненты: интегрированное распределение тепла устраняет (5*) 20 теплоотводов в конструкциях высокой мощности.
b.Более длительный срок службы: 2×3 раза более длительный срок службы снижает затраты на замену в промышленных и аэрокосмических системах.
c. Меньший отпечаток: более высокая плотность тока сокращает размер доски на 20-30%, экономия затрат на корпус и доставку.
Пример: 1000 единиц 5 унций медных EV инверторов стоят (20 000 вперед, чем 1 унция PCB, но экономит) 30 000 в теплоотводах и (15,000 в гарантийных претензиях) 25 000 в экономии.

Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Какова максимальная толщина меди для тяжелых медных ПХБ?
A: Коммерческое производство поддерживает до 20 унций (700 мкм), хотя пользовательские конструкции могут достигать 30 унций (1050 мкм) для специализированных военных приложений.

Вопрос: Могут ли тяжелые медные печатные платы поддерживать высокоскоростные сигналы?
О: Да, плазменное гравирование позволяет создавать 0,2-мм следы с контролируемым импедансом (50Ω/100Ω), что делает их подходящими для сигналов 1Gbps в силовой электронике с коммуникационными системами (например, EV CAN-автобусы).

Вопрос: Как тяжелые медные ПХБ справляются с тепловыми циклами?
A: Усовершенствованная ламинация и прямая металлизация уменьшают диэлектрическое напряжение меди, позволяя более 1000 тепловых циклов (от -40°C до 125°C) без деламинации, соответствующих стандартам класса 3 IPC-6012.

Вопрос: Совместимы ли тяжелые медные ПХБ с безсвинцовой сваркой?
A: Да ∆ высоко Tg диэлектрики и прочная медная адгезия выдерживают безразмерную деградацию при температуре 260°C без свинца.

Вопрос: Сколько времени требуется для производства тяжелых медных ПХБ?
Ответ: 4 ≈ 6 недель для прототипов (3 ≈ 5 унций), 6 ≈ 8 недель для большого объема производства (5 ≈ 10 унций).

Заключение
Технологии производства тяжелых медных печатных плат значительно продвинулись, что позволило создать более тонкие, надежные и высокопроизводительные платы для высокопроизводительных приложений.От импульсного покрытия для однородной толщины до лазерной абляции для мелких следов, эти инновации расширили роль тяжелых медных ПХБ в электромобилях, возобновляемой энергии и промышленных системах, где плотность мощности и долговечность имеют решающее значение.
В то время как тяжелые медные печатные платы имеют более высокие первоначальные затраты, их способность уменьшать размер системы, устранять теплоотводы и продлевать срок службы делает их экономически эффективным выбором для долгосрочной надежности.По мере роста спроса на электронику высокого тока, дальнейшие достижения в области осаждения, гравировки,и ламинация будут продолжать расширять границы того, что могут достичь тяжелые медные ПХБ, укрепляя свое место в качестве основной технологии в будущей электротехнике..