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무겁고 극한의 구리로 PCB 설계 및 제작시 최고의 신뢰성 제공
Jul 05, 2018

다양한 전력 전자 제품이 다양한 응용 분야에 대해 매일 설계되고 있습니다. 점차 이러한 프로젝트는 인쇄 회로 기판 업계에서 증가 추세 인 중 구리 및 극한의 구리 PCB를 활용하고 있습니다.

무거운 구리 회로를 정의하는 것은 무엇입니까? 대부분의 상용 PCB는 ½-oz / ft2에서 3-oz / ft2 범위의 구리 중량으로 구성된 구리 트레이스 / 플레인을 사용하여 저전압 / 저전력 애플리케이션 용으로 제조됩니다. 무거운 구리 회로는 구리 무게가 4 oz / ft2 ~ 20 oz / ft2 사이에서 제조됩니다. 구리 무게는 20 oz / ft2 이상 200 oz / ft2까지 가능하며 극한의 구리라고합니다.

이 토론의 목적을 위해 주로 중금속에 초점을 맞출 것입니다. 적합한 기판과 결합 된 증가 된 구리 중량과 관통 홀에 두꺼운 도금은 한 번 신뢰할 수없는 약한 회로 기판을 내구성 있고 안정적인 배선 플랫폼으로 변형시킵니다.

무거운 구리 회로의 구조는 다음과 같은 이점을 가진 보드를 부여합니다 :

열 변형에 대한 내구성 증가

증가 된 전류 운반 용량

커넥터 사이트 및 PTH 구멍에서 증가 된 기계적 강도

회로 고장없이 완전한 잠재력을 발휘하는 이국적인 소재 (예 : 고온)

동일한 회로 레이어에 여러 개의 구리 가중치를 통합하여 제품 크기 감소 (그림 1)

무거운 구리 도금 비아는 보드를 통해 더 높은 전류를 전달하고 열을 외부 히트 싱크로 전달하는 것을 돕습니다.

최대 120 온스 구리 평면을 사용하여 보드 표면에 직접 도금 된 온보드 방열판

온보드 고출력 평면 변압기

단점은 적지 만 그 기능과 잠재적 인 애플리케이션을 완전히 이해하려면 중동 회로의 기본 구성을 이해하는 것이 중요합니다.

그림 1 : 동일한 층에 2 온스, 10 온스, 20 온스 및 30 온스 구리 피쳐가있는 샘플.

중금속 회로 구조

양면 또는 다층의 표준 PCB는 구리 에칭 및 도금 공정의 조합을 사용하여 제조됩니다. 회로 레이어는 원치 않는 구리를 제거하기 위해 에칭 된 구리 호일 (일반적으로 0.5 oz / ft2 ~ 2 oz / ft2)의 얇은 시트로 시작하고 평면, 트레이스, 패드 및 도금 된 스루 홀에 구리 두께를 추가하기 위해 도금됩니다. 모든 회로 층은 FR-4 또는 폴리이 미드와 같은 에폭시 기반 기판을 사용하여 완전한 패키지로 적층됩니다.

무거운 구리 회로를 통합 한 보드는 고속 / 스텝 도금 및 차등 식각과 같은 특수화 된 에칭 및 도금 기술을 사용 함에도 불구하고 정확히 동일한 방식으로 생산됩니다. 역사적으로 무거운 구리 피쳐는 두꺼운 동 피복 적층 기판 재료를 에칭하여 불균일 한 트레이스 측벽과 용인 할 수없는 언더컷을 일으켜 완전히 형성되었습니다. 도금 기술의 진보로 인해 무거운 구리 피쳐가 도금과 에칭의 조합으로 형성되어 직선 측벽과 무시할 수있는 언더컷이 발생했습니다.

무거운 구리 회로의 도금은 보드 제조기가 도금 된 홀 및 비아 측벽의 구리 두께의 양을 증가시킬 수있게한다. 이제는 무거운 구리와 표준 기능을 단일 보드에 혼합 할 수 있습니다. 레이어 카운트 감소, 낮은 임피던스 전력 분배, 적은 설치 공간 및 잠재적 인 비용 절감 등의 이점이 있습니다.

일반적으로 고전류 / 고전력 회로와 제어 회로는 별도의 보드에서 별도로 생산되었습니다. 무거운 구리 도금으로 고전류 회로와 제어 회로를 통합하여 고밀도이지만 단순한 보드 구조를 구현할 수 있습니다.

무거운 구리 기능은 표준 회로에 원활하게 연결할 수 있습니다. 설계자와 제작자가 최종 설계 이전에 제조 공차와 능력을 논의한다면 (그림 2), 무거운 구리 및 표준 피처를 최소한의 제약으로 배치 할 수 있습니다.

그림 2 : 2 온스 기능은 제어 회로를 연결하고 20 온스 기능은 고전류 부하를 전달합니다.

현재 운반 용량 및 온도 상승

구리 회로가 얼마나 많은 양의 전류를 안전하게 운반 할 수 있습니까? 이것은 종종 프로젝트에 중금속 회로를 통합하려는 디자이너가 자주 제기하는 질문입니다. 이 질문은 보통 다른 질문으로 응답됩니다 : 프로젝트가 얼마나 열을 견딜 수 있습니까? 열 상승과 전류 흐름이 동시에 진행되기 때문에이 질문이 제기됩니다. 이 두 가지 질문에 함께 대답합시다.

전류가 트레이스를 따라 흐르면 I2R (전력 손실)이 발생하여 국부적 인 발열이 발생합니다. 추적은 전도 (이웃 물질로) 및 대류 (환경으로)에 의해 냉각됩니다. 그러므로, 트레이스가 안전하게 운반 할 수있는 최대 전류를 찾으려면,인가 된 전류와 관련된 열 상승을 추정 할 수있는 방법을 찾아야합니다. 이상적인 상황은 가열 속도가 냉각 속도와 동일한 안정된 작동 온도에 도달하는 것입니다. 다행히도이 이벤트를 모델링하는 데 사용할 수있는 IPC 수식이 있습니다.

IPC-2221A : 외부 트랙의 전류 용량 계산 [1] :

I = .048 * DT (.44) * (W * Th) (.725)

전류가 (암페어)이고, DT는 온도 상승 (℃)이고, W는 트레이스의 너비이며, Th는 트레이스의 두께 (밀)입니다. 내부 트레이스는 동일한 정도의 가열에 대해 50 % (추정치)로 평가되어야합니다. IPC 공식을 사용하여 30 ° C의 온도 상승이있는 여러 교차 단면 영역의 흔적의 전류 전달 용량을 보여주는 그림 3을 생성했습니다.

그림 3 : 주어진 트랙 치수 (20˚C 온도 상승)에 대한 대략적인 전류.

수용 가능한 양의 열 상승은 프로젝트마다 다를 것입니다. 대부분의 회로 기판 유전체 재료는 대부분의 상황에서 이러한 온도 변화의 양이 용인 될 수 없지만 주변 온도보다 100 ° C 높은 온도에서 견딜 수 있습니다.

회로 기판의 강도와 존속성

회로 기판 제조업체 및 설계자는 표준 FR-4 (작동 온도 130 ° C)부터 고온 폴리이 미드 (작동 온도 250 ° C)까지 다양한 유전체 재료 중에서 선택할 수 있습니다. 고온 또는 극심한 환경에서는 이국적인 소재가 필요할 수 있지만 회로 트레이스 및 도금 비아가 표준 1 온스 / ft2 인 경우 극한의 조건에서도 견딜 수 있습니까? 회로 기판 산업은 완제품 회로 제품의 열 무결성을 결정하기위한 테스트 방법을 개발했습니다. 열 변형은 Cu의 열팽창 계수 (CTE)와 PWB 라미네이트의 차이가 균열 핵 생성 및 회로 고장으로 인한 구동력을 제공하는 다양한 보드 제조, 조립 및 수리 공정에서 발생합니다. TCT (Thermal Cycle Test)는 25 ° C에서 260 ° C까지 공냉식 열 순환을 수행 할 때 회로의 저항 증가를 검사합니다.

저항의 증가는 구리 회로의 균열을 통한 전기적 무결성의 파괴를 나타냅니다. 이 테스트를위한 표준 쿠폰 설계는 열 스트레스를받을 때 회로에서 가장 약한 지점으로 간주되어 오랫동안 고려 되어온 32 개의 도금 스루 홀 체인을 활용합니다.

0.8 밀리미터에서 1.2 밀리미터까지 구리 도금 된 표준 FR-4 보드에서 수행 된 열 사이클 연구에 따르면 8 사이클 후에 32 %의 회로가 고장 나는 것으로 나타났습니다 (저항의 20 % 증가는 고장으로 간주됩니다). 이국적인 물질에 대한 열 사이클 연구는이 실패율 (시아 네이트 에스테르의 경우 8 사이클 후 3 %)에 대한 상당한 개선을 보여 주지만 엄청나게 비싸며 (재료비의 5 ~ 10 배) 공정하기가 어렵습니다. 평균 표면 실장 기술 어셈블리는 출하 전에 최소 4 개의 열 사이클을보고 각 부품 수리에 대해 2 개의 열 사이클을 추가로 볼 수 있습니다.

보수 및 교체주기를 거친 총 SMOBC 이사회가 총 9 회 또는 10 회의 열 사이클에 도달하는 것은 무리가 아닙니다. TCT 결과는 보드 재질에 관계없이 실패율이 용납 될 수 없음을 명확하게 보여줍니다. 인쇄 회로 기판 제조업체는 구리 전기 도금이 정확한 과학이 아니라는 것을 알고 있습니다. 보드 전반에 걸친 전류 밀도의 변화와 수많은 홀 / 비아 크기로 구리 두께 변화가 최대 25 % 이상 발생합니다. "얇은 구리"의 대부분의 영역은 도금 된 구멍 벽에 있으며, TCT 결과는이 경우를 분명하게 보여줍니다.

무거운 구리 회로를 사용하면 이러한 오류를 모두 줄이거 나 없앨 수 있습니다. 구멍 벽에 2 온스 / ft2의 구리 도금을하면 고장률이 거의 제로가되지 않습니다 (TCT 결과는 최소 2.5mil 구리 도금으로 표준 FR-4의 경우 8 회 사이클 후 0.57 %의 고장률을 나타냄). 실제로, 구리 회로는 열 사이클링에 의해 그 위에 놓인 기계적 응력에 대해 불 침투성이됩니다.

열 관리

설계자가 프로젝트에서 최대한의 가치와 성능을 얻기 위해 노력함에 따라 인쇄 회로는 더욱 복잡해지고 전력 밀도가 높아집니다. 소형화, 전력 부품 사용, 극한 환경 조건 및 고전류 요구 사항은 열 관리의 중요성을 증가시킵니다. 전자 장치의 작동에서 종종 발생하는 열 형태의 더 높은 손실은 그 원인으로부터 소산되어 환경으로 방출되어야한다. 그렇지 않으면 구성 요소가 과열되어 장애가 발생할 수 있습니다. 그러나 무거운 구리 회로는 I2R 손실을 줄이고 중요한 구성 요소로부터 열을 방출하여 고장률을 크게 줄임으로써 도움을 줄 수 있습니다.

회로 기판의 표면 및 표면의 열원으로부터 적절한 방열을 달성하기 위해 방열판이 사용됩니다. 모든 히트 싱크의 목적은 전도에 의해 발생원으로부터 열을 분산시키고 환경으로의 대류에 의해이 열을 방출하는 것입니다. 보드 (또는 내부 열원)의 한쪽면에있는 열원은 구리 비아 ( "열 비아 (heat via)"라고도 함)를 통해 보드 반대쪽의 넓은 구리 영역으로 연결됩니다.

일반적으로 고전적인 방열판은 열전 도성 접착제를 사용하여이 노출 된 구리 표면에 접착되거나 경우에 따라 리벳이 나 볼트로 고정됩니다. 대부분의 히트 싱크는 구리 또는 알루미늄으로 만들어집니다. 고전적인 방열판에 필요한 조립 공정은 세 가지 노동 집약적 인 고비용 단계로 구성됩니다.

시작하려면 히트 싱크 역할을하는 금속을 필요한 모양으로 펀치하거나 절단해야합니다. 회로 기판과 방열판 사이의 정밀한 맞춤을 위해 접착층을 절단하거나 스탬프 처리해야합니다. 마지막으로 히트 싱크는 PCB 위에 적절히 위치해야하며, 전체 패키지는 적절한 래커 또는 커버 코트로 전기 및 / 또는 내식성을 위해 코팅되어야합니다.

일반적으로 위의 프로세스는 자동화 할 수 없으므로 수동으로 수행해야합니다. 이 프로세스를 완료하는 데 필요한 시간과 작업이 중요하며 결과는 기계 자동화 프로세스보다 열등합니다. 반대로 빌트인 히트 싱크는 PCB 제조 과정에서 만들어 지므로 추가 어셈블리가 필요 없습니다. 무거운 구리 회로 기술로 가능합니다. 이 기술은 보드 외면의 거의 모든 곳에서 두꺼운 구리 히트 싱크를 추가 할 수 있습니다. 히트 싱크는 표면에 전기 도금되어 열전도를 방해하는 인터페이스없이 열 전도 비아에 연결됩니다.

또 다른 이점은 히트 비아에 추가 된 구리 도금으로 보드 설계의 열 저항을 줄여 PCB 제조에 내재 된 정확성과 반복성을 기대할 수 있다는 것을 깨닫게됩니다. 평면 권선은 실제로 구리 피복 적층판에 형성된 평평한 전도성 트레이스이기 때문에 원통형 전선에 비해 전반적인 전류 밀도가 향상됩니다. 이 효과는 표피 효과의 최소화와 높은 전류 전달 효율 때문입니다.

온보드 평탄면은 모든 유전체가 모든 층 사이에서 사용되기 때문에 우수한 1 차 - 2 차 및 2 차 - 2 차 절연체 절연을 달성하여 모든 권선의 완벽한 캡슐화를 보장합니다. 또한 1 차 권선을 흘려 2 차 권선을 1 차 권선 사이에 끼 우고 낮은 누설 인덕턴스를 달성 할 수 있습니다. 다양한 에폭시 수지의 선택을 사용하는 표준 PCB 라미네이션 기술은 10 온스 / ft2의 두께로 최대 50 층의 구리 권선을 안전하게 샌드위치 할 수 있습니다.

무거운 구리 회로의 제조 과정에서, 우리는 보통 상당한 도금 두께를 다루고 있습니다. 따라서 추적 간격과 패드 크기를 정의 할 때 허용해야합니다. 이러한 이유로 설계자는 설계 초기에 보드 제조업자를 배치하는 것이 좋습니다.

무거운 구리 회로를 사용하는 전력 전자 제품은 군사 및 우주 산업에서 오랫동안 사용되어 왔으며 산업 응용 분야에서 선택의 폭을 넓히고 있습니다. 시장 요구 사항이 가까운 미래에 이러한 유형의 제품의 적용을 확대 할 것으로 믿어지고 있습니다.

참고 문헌 :

1. IPC -2221A