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Cobre pesado e extremo para máxima confiabilidade em design e fabricação de PCB
Jul 05, 2018

Vários produtos eletrônicos de potência estão sendo projetados todos os dias para uma variedade de aplicações. Cada vez mais, esses projetos estão aproveitando uma tendência crescente na indústria de placas de circuito impresso: cobre pesado e PCBs de cobre extremos.

O que define um circuito de cobre pesado? A maioria dos PCBs disponíveis comercialmente é fabricada para aplicações de baixa voltagem / baixo consumo de energia, com traços / planos de cobre compostos de pesos de cobre que variam de ½-oz / ft2 a 3-oz / ft2. Um circuito de cobre pesado é fabricado com pesos de cobre entre 4 onças / ft2 e 20 onças / ft2. Pesos de cobre acima de 20 oz / ft2 e até 200 oz / ft2 também são possíveis e são referidos como cobre extremo.

Para os propósitos desta discussão, nos concentraremos principalmente no cobre pesado. O aumento do peso de cobre combinado com um substrato adequado e chapeamento mais espesso nos furos de passagem transforma a placa de circuito fraca, antes não confiável, em uma plataforma de fiação durável e confiável.

A construção de um circuito de cobre pesado confere à placa benefícios como:

Maior resistência às tensões térmicas

Capacidade de carga atual aumentada

Maior resistência mecânica nos pontos de conexão e nos furos PTH

Materiais exóticos utilizados em todo o seu potencial (ou seja, alta temperatura) sem falha de circuito

Redução do tamanho do produto pela incorporação de múltiplos pesos de cobre na mesma camada de circuitos (Figura 1)

As vias pesadas de cobre transportam uma corrente mais alta através da placa e ajudam a transferir calor para um dissipador de calor externo

Dissipadores de calor embutidos diretamente na superfície da placa usando planos de cobre de até 120 onças

Transformadores planares de alta densidade de potência a bordo

Embora as desvantagens sejam poucas, é importante entender a construção básica do circuito de cobre pesado para avaliar plenamente suas capacidades e possíveis aplicações.

Figura 1: Exemplo com recursos de cobre de 2 onças, 10 onças, 20 onças e 30 onças na mesma camada.

Construção de Circuito de Cobre Pesado

PCBs padrão, sejam de dupla face ou multicamadas, são fabricados usando uma combinação de processos de gravação e revestimento de cobre. As camadas de circuito começam como folhas finas de folha de cobre (geralmente 0,5 onças / pés 2 a 2 onças / pés2) que são gravadas para remover cobre indesejado e banhadas para adicionar espessura de cobre a planos, traços, almofadas e chapeados através de furos. Todas as camadas do circuito são laminadas em um pacote completo usando um substrato baseado em epóxi, como FR-4 ou poliimida.

As placas que incorporam circuitos pesados de cobre são produzidas exatamente da mesma maneira, embora com técnicas especializadas de gravação e revestimento, como alta velocidade / passo e gravação diferencial. Historicamente, as características de cobre pesadas foram formadas inteiramente gravando material de placa laminada grossa revestida de cobre, causando paredes laterais irregulares e subcotação inaceitável. Os avanços na tecnologia de galvanização permitiram que elementos pesados de cobre fossem formados com uma combinação de chapeamento e ataque químico, resultando em paredes laterais retas e subcortes desprezíveis.

O revestimento de um circuito de cobre pesado permite que o fabricante da placa aumente a quantidade de espessura de cobre em furos chapeados e através de paredes laterais. Agora é possível misturar cobre pesado com recursos padrão em uma única placa. As vantagens incluem contagem reduzida de camadas, distribuição de energia de baixa impedância, pegadas menores e redução de custos potenciais.

Normalmente, circuitos de alta corrente / alta potência e seus circuitos de controle foram produzidos separadamente em placas separadas. O revestimento de cobre pesado possibilita integrar circuitos de alta corrente e circuitos de controle para obter uma estrutura de placa altamente densa e simples.

Os recursos pesados de cobre podem ser conectados perfeitamente a circuitos padrão. O cobre pesado e os recursos padrão podem ser colocados com restrição mínima, desde que o projetista e o fabricante discutam as tolerâncias e habilidades de fabricação antes do projeto final (Figura 2).

Figura 2: os recursos de 2 onças conectam os circuitos de controle, enquanto os recursos de 20 onças carregam cargas de alta corrente.

Capacidade de carga atual e aumento de temperatura

Quanta corrente pode transportar um circuito de cobre? Esta é uma pergunta frequentemente expressa por designers que desejam incorporar circuitos pesados de cobre em seu projeto. Geralmente, essa pergunta é respondida com outra pergunta: Quanto de aumento de calor seu projeto pode suportar? Esta questão é colocada porque o aumento de calor e o fluxo de corrente andam de mãos dadas. Vamos tentar responder essas duas questões juntas.

Quando a corrente flui ao longo de um traço, há um I2R (perda de energia) que resulta em aquecimento localizado. O traço esfria por condução (para materiais vizinhos) e convecção (para o ambiente). Portanto, para encontrar a corrente máxima que um traço pode transportar com segurança, precisamos encontrar uma maneira de estimar o aumento de calor associado à corrente aplicada. Uma situação ideal seria atingir uma temperatura operacional estável em que a taxa de aquecimento seja igual à taxa de resfriamento. Felizmente, temos uma fórmula de IPC que podemos usar para modelar esse evento.

IPC-2221A: cálculo da capacidade atual de uma pista externa [1]:

I = 0,048 * DT (0,44) * (W * Th) (725)

Onde eu sou atual (amperes), DT é aumento de temperatura (° C), W é a largura do traço (mil) e Th é a espessura do traço (mil). Os traços internos devem ser reduzidos em 50% (estimativa) para o mesmo grau de aquecimento. Usando a fórmula do IPC, geramos a Figura 3, mostrando a capacidade de transporte de corrente de vários traços de diferentes áreas de seção transversal com um aumento de temperatura de 30 ° C.

Figura 3: Corrente aproximada para as dimensões da pista (20 tempC temp rise).

O que constitui uma quantidade aceitável de aumento de calor será diferente de projeto para projeto. A maioria dos materiais dielétricos da placa de circuito pode suportar temperaturas de 100 ° C acima do ambiente, embora essa quantidade de mudança de temperatura seja inaceitável na maioria das situações.

Força da placa de circuito e sobrevivência

Os fabricantes e projetistas de placas de circuito podem escolher entre uma variedade de materiais dielétricos, desde o padrão FR-4 (temperatura de operação de 130 ° C) até poliimida de alta temperatura (temperatura de operação de 250 ° C). Uma situação de ambiente de alta temperatura ou extrema pode exigir um material exótico, mas se os traços do circuito e as vias banhadas forem padrão de 1 oz / pé2, eles sobreviverão às condições extremas? A indústria de placas de circuito desenvolveu um método de teste para determinar a integridade térmica de um produto de circuito acabado. As deformações térmicas vêm de vários processos de fabricação, montagem e reparo de painéis, onde as diferenças entre o coeficiente de expansão térmica (CTE) de Cu e o laminado PWB fornecem a força motriz para a nucleação e crescimento da rachadura até a falha do circuito. O teste de ciclo térmico (TCT) verifica um aumento na resistência de um circuito quando ele é submetido a ciclos térmicos ar-ar de 25 ° C a 260 ° C.

Um aumento na resistência indica uma quebra na integridade elétrica através de rachaduras no circuito de cobre. Um projeto de cupom padrão para este teste utiliza uma cadeia de 32 furos de passagem revestidos, que há muito tempo é considerado o ponto mais fraco em um circuito quando sujeito a estresse térmico.

Estudos de ciclo térmico feitos em placas padrão FR-4 com chapeamento de cobre de 0,8 mil a 1,2 mil mostraram que 32% dos circuitos falham após oito ciclos (um aumento de 20% na resistência é considerado uma falha). Estudos de ciclos térmicos feitos em materiais exóticos mostram melhorias significativas nessa taxa de falha (3% após oito ciclos para o éster cianato), mas são proibitivamente caros (custo de material de cinco a 10 vezes) e difíceis de processar. Um conjunto de tecnologia média de montagem em superfície vê um mínimo de quatro ciclos térmicos antes do envio e pode ver mais dois ciclos térmicos para cada reparo de componente.

Não é insensato para uma placa SMOBC que passou por um ciclo de reparo e substituição para atingir um total de nove ou dez ciclos térmicos. Os resultados da TCT mostram claramente que a taxa de falha, não importando o material da placa, pode se tornar inaceitável. Os fabricantes de placas de circuito impresso sabem que a eletrodeposição de cobre não é uma ciência exata - as alterações nas densidades de corrente em uma placa e em vários tamanhos de furo / passagem resultam em variações de espessura de até 25% ou mais. A maioria das áreas de “cobre fino” está em paredes de buracos revestidos - os resultados da TCT mostram claramente que esse é o caso.

O uso de circuitos pesados de cobre reduziria ou eliminaria totalmente essas falhas. O revestimento de 2 onças / ft2 de cobre em uma parede de furo reduz a taxa de falha para quase zero (os resultados da TCT mostram uma taxa de falha de 0,57% após oito ciclos para o padrão FR-4 com um mínimo de 2,5 mil de cobre). Com efeito, o circuito de cobre torna-se impermeável às tensões mecânicas colocadas pelo ciclo térmico.

Gerenciamento termal

À medida que os projetistas se esforçam para obter o máximo valor e desempenho de seus projetos, os circuitos impressos estão se tornando mais complexos e direcionados para densidades de energia mais altas. Miniaturização, uso de componentes de energia, condições ambientais extremas e requisitos de alta corrente aumentam a importância do gerenciamento térmico. As maiores perdas na forma de calor, muitas vezes geradas na operação da eletrônica, devem ser dissipadas de sua fonte e irradiadas para o meio ambiente; caso contrário, os componentes poderão superaquecer e poderão ocorrer falhas. No entanto, circuitos pesados de cobre podem ajudar reduzindo as perdas de I2R e conduzindo o calor para longe de componentes valiosos, reduzindo dramaticamente as taxas de falhas.

Para obter a dissipação de calor adequada das fontes de calor na superfície e na superfície de uma placa de circuito, são utilizados dissipadores de calor. A finalidade de qualquer dissipador de calor é dissipar o calor da fonte de geração por condução e emitir esse calor por convecção para o ambiente. A fonte de calor em um lado da placa (ou fontes internas de calor) é conectada por vias de cobre (às vezes chamadas de "vias de calor") a uma grande área de cobre nua no outro lado da placa.

Geralmente, os dissipadores de calor clássicos são ligados a esta superfície de cobre nua por meio de um adesivo termicamente condutor ou, em alguns casos, são rebitados ou aparafusados. A maioria dos dissipadores de calor é feita de cobre ou alumínio. O processo de montagem necessário para dissipadores de calor clássicos consiste em três etapas de trabalho intensivo e caras.

Para começar, o metal que serve como dissipador de calor deve ser perfurado ou cortado na forma desejada. A camada adesiva também deve ser cortada ou estampada para um ajuste preciso entre a placa de circuito e o dissipador de calor. Por último, mas não menos importante, o dissipador de calor deve estar posicionado corretamente no PCB e todo o pacote deve ser revestido para resistência elétrica e / ou à corrosão com um verniz adequado ou cobertura.

Normalmente, o processo acima não pode ser automatizado e deve ser feito manualmente. O tempo e o trabalho necessários para concluir este processo são significativos e os resultados são inferiores a um processo mecanicamente automatizado. Em contraste, dissipadores de calor embutidos são criados durante o processo de fabricação de PCB e não requerem montagem adicional. A tecnologia de circuito de cobre pesado torna isso possível. Essa tecnologia permite a adição de dissipadores de calor grossos de cobre praticamente em qualquer lugar nas superfícies externas de uma placa. Os dissipadores de calor são eletrodepositados na superfície e, portanto, conectados às vias de condução de calor, sem qualquer interface que impeça a condutividade térmica.

Outro benefício é a adição de placas de cobre nas vias térmicas, o que reduz a resistência térmica do projeto da placa, percebendo que eles podem esperar o mesmo grau de precisão e repetibilidade inerente à fabricação de PCBs. Como os enrolamentos planares são na verdade traços condutores planos formados em laminado de cobre revestido, eles melhoram a densidade de corrente geral em comparação com condutores cilíndricos de arame. Este benefício é devido à minimização do efeito da pele e maior eficiência de transporte de corrente.

As placas a bordo conseguem um excelente isolamento dielétrico primário para secundário e secundário para secundário, porque o mesmo material dielétrico é usado entre todas as camadas, garantindo o encapsulamento completo de todos os enrolamentos. Além disso, os enrolamentos primários podem ser derramados de modo que os enrolamentos secundários fiquem entre as primárias, obtendo baixa indutância de vazamento. As técnicas padrão de laminação de PCB, usando uma variedade de resinas epoxídicas, podem armazenar com segurança até 50 camadas de enrolamentos de cobre com espessura de 10 oz / ft2.

Durante a fabricação de circuitos pesados de cobre, geralmente estamos lidando com espessuras significativas de chapeamento; portanto, licenças devem ser feitas na definição de separações de traços e tamanhos de blocos. Por essa razão, os projetistas são aconselhados a ter o fabricante do painel a bordo no início do processo de design.

Os produtos eletrônicos de potência que usam circuitos pesados de cobre estão em uso há muitos anos na indústria militar e aeroespacial e estão ganhando impulso como uma tecnologia de escolha em aplicações industriais. Acredita-se que os requisitos do mercado estenderão a aplicação deste tipo de produto no futuro próximo.

Referências:

1. IPC -2221A