Проблемы проектирования печатных плат из толстой/тяжелой меди для военных и аэрокосмических приложений

Требования к печатным платам для электронных продуктов Mil/Aero

Когда инженеры-электронщики готовятся к проектированию печатных плат для военных/аэрокосмических приложений (сокращенно «mil/aero»), необходимо учитывать некоторые детали и требования к производительности. Общеизвестно, что изделия как военного, так и авиационного назначения требуют различных условий эксплуатации и широкого диапазона рабочих температур. Они должны быть в состоянии выдерживать множество суровых условий, будь то экстремальная жара, как в пустыне, или необычайный холод, как на Южном полюсе. Помимо экстремальной температуры, влажность также является ключевым фактором. В результате в процессе проектирования печатных плат для военных и авиационных приложений необходимо тщательно учитывать особые условия работы продуктов, такие как температура и влажность.

Надежность военной и аэрокосмической продукции была основной проблемой, на которой должны сосредоточиться инженеры-конструкторы печатных плат. В качестве ключевого аспекта надежности продуктов срок годности считается ведущим стандартом суждения. Возьмем, к примеру, ракету. Его нельзя взрывать до тех пор, пока он не попадет в цель, а это означает, что он должен нормально работать в благоприятных условиях и иметь относительно короткий срок хранения. Раньше инженеры отдавали предпочтение упрощению печатных плат, применяемых в военной и аэрокосмической промышленности, именно из-за высокой надежности продукции mil/aero. Военные и аэрокосмические ведомства не решались бы узнать о новых методах производства электронных продуктов, пока не было бы доказано, что они применимы в соответствующих отраслях. Однако в настоящее время функциональные требования к электронным продуктам военного/авиационного назначения не позволяют инженерам-конструкторам-электронщикам придерживаться только простых дизайнерских идей и опыта. Некоторые из них начали использовать новые технологии изготовления печатных плат.

С ростом сложности технологий и сложности печатных плат инженерам-электронщикам приходится концентрироваться как на правилах проектирования печатных плат, так и на технологиях их производства, чтобы обеспечить оптимальный баланс между безопасностью, стоимостью и требованиями к производительности, что приводит к минимальному производственному риску.

Успешное изготовление печатных плат зависит от частого и бесперебойного общения между инженерами-разработчиками электроники и инженерами-технологами, о чем необходимо помнить. Инженеры-конструкторы должны быть полностью осведомлены о технических возможностях производителя, таких как ширина дорожек, расстояние между ними, размер контактных площадок, диаметр переходных отверстий и т. д. Кроме того, они должны учитывать все требования в отношении типа печатной платы, материала, структуры сквозного отверстия и мощности.

Когда дело доходит до проектирования продуктов военного/авиационного назначения, инженеры должны соответствовать стандартам MIL. Другие стандарты качества также могут применяться в качестве справочных. Например, стандарт IPC может использоваться для элементов контроля и стандарта качества.

В настоящее время люди склонны отдавать предпочтение материалу подложки для высокоскоростной передачи, который охватывает широкий диапазон изменения параметров производительности. В структурах более сложных электронных продуктов технические характеристики, предоставляемые поставщиками подложек, могут указывать только на то, что некоторые типы материалов подложек работают лучше, чем другие типы. Тем не менее, опыт производителей печатных плат никогда нельзя недооценивать, потому что они в некоторой степени достоверно осведомлены о характеристиках материала подложки, особенно в соответствии с практическими ситуациями. Например, несмотря на то, что разработчики печатных плат могут рассчитать импеданс выводов, различные методы изготовления могут привести к тому, что импеданс будет несовместим с проектными требованиями.

Структура также играет важную роль в печатных платах военного/авиационного назначения, поскольку она может помочь избежать ненужных затрат или снизить риск, связанный со сложными структурами. А для более сложных электронных продуктов военного/авиационного назначения их структура также влияет на технологичность продукции.

Исторически вопрос стоимости редко рассматривался в военных и аэрокосмических электронных продуктах. Но надо признать, что увеличение себестоимости продукции действительно пойдет на пользу снижению рисков в процессе производства, что, в конце концов, оправдано. В процессе внедрения печатных плат риск можно снизить за счет увеличения периода исследований и разработок и проверки целостности данных до организации производства.

Толстые/тяжелые медные печатные платы для приложений Mi/Aero

• Определение

Электронные продукты Mil/Aero с высокой мощностью предъявляют новые требования к печатным платам, что приводит к созданию толстых/тяжелых медных печатных плат или даже экстремальных медных печатных плат. Печатные платы из толстой меди относятся к печатным платам, проводники которых имеют толщину меди в диапазоне от 137,2 мкм до 686 мкм, тогда как печатные платы, толщина меди которых превышает 686 мкм или достигает 6860 мкм, называются печатными платами из сверхпрочной меди.

Структурные преимущества тяжелых медных печатных плат включают:
a. Способность противостоять тепловому стрессу с улучшенными антистрессовыми свойствами печатной платы;
b. Повышение пропускной способности печатных плат по току;
c. Увеличение способности рассеивания тепла печатной платы без необходимости сборки охлаждающих ребер;
d. Повышение механической прочности укладки между слоями и металлизированными сквозными отверстиями;
д. Применимо для планарного трансформатора большой мощности, размещенного на плате.

У каждой медали две стороны. Помимо этих преимуществ, тяжелые медные печатные платы имеют и некоторые недостатки. Важно знать оба аспекта, касающиеся структуры печатных плат из тяжелой меди, чтобы можно было четко понять, как использовать потенциальные функции и приложения.

• Изготовление печатных плат из тяжелой меди

Подобно стандартным печатным платам FR4, печатные платы из тяжелой меди изготавливаются по тому же методу с применением специальных технологий травления и нанесения покрытия, таких как высокоскоростное покрытие и травление с отклонением. Некоторое время назад люди пытались изготовить тяжелую медную печатную плату с помощью простого травления. Некоторые печатные платы, изготовленные этим методом, пострадали от брака из-за неровных краевых линий и чрезмерного травления края. Чтобы избежать этого, позже были применены усовершенствованные методы покрытия и травления, чтобы можно было добиться прямой кромки и оптимального травления края.

Нанесение покрытия на тяжелую медную печатную плату позволяет производителям печатных плат утолщать как металлизированную стенку сквозного отверстия, так и стенку сквозного отверстия, преимущества которых включают:
a. Количество слоев уменьшается;
b. Снижение распределения импеданса;
c. Минимизация упаковки;
d. Стоимость производства снижается.

Тяжелая медная печатная плата может быть легко прикреплена к обычной плате. Что касается трассировки и наименьшего расстояния на печатных платах, а также диапазона в пределах допусков и производственных возможностей, они должны быть определены путем обсуждения между инженерами-конструкторами и производителями до подлинного изготовления.

• Допустимая токовая нагрузка и повышение температуры

Какой ток может выдержать тяжелая медная печатная плата? Этот вопрос обычно зависит от инженеров-электронщиков. Он включает в себя толщину и ширину меди, а также максимальное повышение температуры, которое тяжелая медная печатная плата способна выдержать. Этот вопрос возникает так, потому что тепло, выделяемое тяжелой медной печатной платой в процессе работы, тесно связано с током.

Поскольку ток проходит по проводам, мощность, потребляемая во время работы, составляет 12% от первоначальной мощности, поэтому потерянная мощность локально генерирует переходное тепло, которое рассеивается в окружающую среду путем теплопроводности. Необходимо определить максимальный ток, который могут выдержать провода на тяжелой медной печатной плате, и найти метод оценки повышения температуры и соответствующего приложенного тока. В соответствии с рекомендациями IPC-2221A доступна формула, определяющая допустимый ток внешних проводов:I =0,048 x DT ^0,44 х Ш х Т ^0,725 .

В этой формуле I относится к току (единица измерения:А); DT относится к повышению температуры (единица измерения:°C); W относится к ширине линии (единица измерения:мкдюйм); Th относится к толщине следа (единица измерения:мкдюйм). Допустимая нагрузка по току внутренних дорожек составляет 50 % от пропускной способности внешних дорожек.

В соответствии с формулой в таблице 1 суммирована допустимая токовая нагрузка с указанием допустимого тока при температуре 30°С для различных площадей сечения.

Таблица 1. Допустимый ток (А) при фиксированной ширине дорожки (при повышении температуры на 30 °C)

Для производителей и проектировщиков печатных плат доступны материалы подложки с различными характеристиками:от обычного материала подложки на основе эпоксидной смолы FR-4 с рабочей температурой 130°C до материалов подложки с высокой Tg. К настоящему времени разработан комплекс методов проверки термостойкости готовых изделий из печатных плат. Из-за разницы в тепловом расширении между медью и материалом подложки между ними создается «движущая сила», то есть фактически термическое напряжение, которое может привести к трещине, сбору и росту, что в конечном итоге приводит к выходу печатной платы из строя.

В циркуляционном тесте на способность сквозных отверстий противостоять тепловому удару набор из 32 сквозных отверстий с последовательным покрытием разработан в качестве образца на плате, и их положение будет проверено после испытания на тепловой удар. Первое неисправное металлизированное сквозное отверстие будет определяться температурным напряжением, которое может выдержать печатная плата. Применение тяжелых медных печатных плат в циркуляции теплового удара уменьшит или устранит отказы.

• Анализ рассеивания тепла

В процессе работы электронных компонентов происходят большие потери мощности в виде нагрева, который должен создаваться тепловым источником (компонентами) и излучаться в окружающую среду. В противном случае компоненты будут страдать от перегрева или даже выхода из строя. Однако печатные платы из толстой меди способны рассеивать тепло более эффективно, чем другие типы печатных плат, поэтому частота отказов плат будет значительно снижена.

Чтобы обеспечить легкое рассеивание тепла, требуется тип охлаждающего ребра, который выталкивает тепло, рассеиваемое в воздух посредством теплопроводности, излучения или конвекции. Обычно другая сторона источника тепла охлаждающего ребра соединяется с медной зоной через сквозные отверстия с медным покрытием.

Вообще говоря, обычные ребра охлаждения связаны с медным покрытием на печатной плате посредством теплопроводности. Бывают также ситуации, в которых для соединения используются заклепки или винты. Большинство ребер охлаждения сделаны из меди или алюминия.

Поэтому очень важно собирать охлаждающие ребра во время изготовления печатной платы, что может быть достигнуто в тяжелых медных печатных платах. Медный слой на поверхности печатной платы может быть утолщен гальванопокрытием, что улучшает теплопроводность поверхности платы. Еще одно преимущество этого метода заключается в том, что можно утолщать слой теплового сквозного меднения и снижать тепловое сопротивление тяжелой медной печатной платы.

С тех пор, как тяжелые медные печатные платы использовались для размещения компонентов большой мощности в военной и аэрокосмической промышленности, прошло так много времени, что в ближайшем будущем этот тип тяжелых медных печатных плат будет широко применяться в различных отраслях промышленности.

Полезные ресурсы:
• Толстая медная печатная плата и услуги по ее изготовлению
• Связь между весом меди, шириной дорожки и допустимой нагрузкой по току
• Основные правила проектирования печатных плат, которые необходимо знать
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 детали