Ключевые вызовы проектирования печатных плат с толстой/тяжелой медью для военной и авиационной промышленности

Требования печатных плат для военных/авиационных электронных продуктов

Когда электронные инженеры готовятся к проектированию печатных плат для военных/авиационных (кратко «mil/aero») приложений, некоторые детали и требования производительности должны быть приняты во внимание. Общеизвестно, что и военные, и авиационные продукты требуют множественных условий эксплуатации и широкого диапазона рабочих температур. Они должны быть способны выдерживать множество строгих сред с либо экстремальным жаром, как пустыня, либо необычайным холодом, как Южный полюс. Помимо экстремальной температуры, влажность также является ключевым соображением. В результате, в процессе проектирования печатных плат для mil/aero приложений, специальные рабочие условия продуктов должны быть тщательно рассмотрены, такие как температура и влажность.

Надежность военных и авиационных продуктов была основной проблемой, на которой инженеры проектирования печатных плат должны фокусироваться. Как ключевой аспект надежности продуктов, срок хранения рассматривался как ведущий стандарт суждения. Возьмем ракету как пример. Ей не позволено взорваться, пока она не попадет в цель, что означает, что она должна нормально работать в благоприятной среде и обладать относительно коротким сроком хранения. Инженеры раньше предпочитали снижать сложность печатных плат, применяемых для военной и авиационной промышленности, именно из-за высокой надежности mil/aero продуктов. Военные и авиационные отделы колебались бы узнавать о новых технологиях производства электронных продуктов, пока они не были доказаны выполнимыми в соответствующих отраслях. В настоящее время, однако, функциональные требования mil/aero электронных продуктов останавливают инженеров электронного проектирования от приверженности только простым идеям дизайна и опыту. Некоторые из них начали принимать новые появившиеся технологии производства печатных плат.

С увеличением технологий печатных плат и сложности, электронные инженеры должны концентрироваться как на правилах проектирования печатных плат, так и на технологиях производства печатных плат, чтобы продукты достигнут оптимального баланса между безопасностью, стоимостью и требованиями производительности, приводя к наименьшему производственному риску.

Успешное производство печатных плат опирается на частое и гладкое общение между инженерами электронного проектирования и производственными инженерами, что должно держаться в уме. Инженеры проектирования должны быть полностью осведомлены о детальных возможностях производителя, таких как ширина трассы, интервал, размер контактной площадки и диаметр металлизированного отверстия и т.д. Более того, они должны принять во внимание все требования в плане типа печатной платы, материала, структуры металлизированных отверстий и питания.

Когда речь идет о дизайне mil/aero продуктов, инженеры должны соответствовать стандартам MIL. Другие стандарты качества также могут применяться как референс. Например, стандарт IPC может использоваться для его пунктов инспекции и стандарта качества.

В настоящее время люди склонны показывать предпочтение к материалам подложки высокоскоростной передачи, которые охватывают широкий диапазон вариации параметров производительности. В структурах более сложных электронных продуктов, даташит, предоставляемый поставщиками подложки, может только указывать, что какой-то тип материала подложки выполняется лучше других типов. Тем не менее, опыт производителя печатных плат никогда не может быть недооценен, потому что в какой-то степени они аутентично осведомлены о производительности материала подложки, особенно в соответствии с практическими ситуациями. Например, хотя инженеры проектирования печатных плат могут рассчитать импеданс проводников, разные методы производства могут привести импеданс к несовместимости с требованием дизайна.

Структура также играет важную роль в mil/aero печатных платах, потому что она способна помочь избежать ненужных затрат или снизить риск, résultирующий от сложных структур. И для более сложных mil/aero электронных продуктов, их структуры также влияют на производимость продуктов.

Исторически, вопрос стоимости редко рассматривался в военных и авиационных электронных продуктах. Но должен быть признан, что увеличение стоимости производства продукта фактически было бы полезно для снижения риска в процессе производства, что, в конце концов, того стоит. В процедуре введения печатной платы риск может быть снижен через увеличение периода исследования и разработки и проверку целостности данных до производства.

Печатные платы с толстой/тяжелой медью для Mil/Aero приложений

Определение

Военно-авиационные электронные продукты высокой мощности привносят новые требования к печатным платам, что вызывает создание печатных плат с толстой/тяжелой медью или даже экстремальными медными печатными платами. Печатные платы с тяжелой медью относятся к схемам, чей проводник имеет толщину меди в диапазоне от 137,2 мкм до 686 мкм, тогда как печатные платы, чья толщина меди более 686 мкм или достигает 6860 мкм, называются экстремальными медными печатными платами.

Структурные преимущества печатных плат с тяжелой медью включают:

1. Способны выдерживать термическое напряжение с усиленной антистрессовой способностью печатной платы;
2. Улучшают способность печатной платы нести ток;
3. Увеличивают способность печатной платы к теплоотводу без необходимости сборки охлаждающих ребер;
4. Улучшают механическую прочность укладки между слоями и металлизированных сквозных отверстий;
5. Применимы для планарного трансформатора высокой мощности, размещенного на плате.

У каждой медали две стороны. Помимо этих преимуществ, печатные платы с тяжелой медью имеют некоторые недостатки. Это значимо быть осведомленным об обоих аспектах касательно структур печатных плат с тяжелой медью, чтобы то, как использовать потенциальные функции и приложения, могло быть ясно понято.

Конструкция печатных плат с тяжелой медью

Подобно стандартным печатным платам FR4, печатные платы с тяжелой медью обладают тем же методом производства с применением специальных технологий травления и металлизации, таких как высокоскоростная металлизация и отклоняющееся травление. Некоторое время назад люди пытались производить печатные платы с тяжелой медью только травлением. Некоторые из печатных плат, изготовленных этим методом, страдали от брака из-за неравномерных краевых линий и перетравления края. Чтобы избежать этого, позже применялись передовые технологии металлизации и травления, чтобы достичь прямого края и оптимального краевого травления.

Металлизация на печатных платах с тяжелой медью позволяет производителям печатных плат утолщать как стенку металлизированного сквозного отверстия, так и стенку сквозного отверстия, чьи преимущества включают:

1. Сокращение количества слоев;
2. Снижение распределения импеданса;
3. Минимизацию упаковки;
4. Снижение производственной стоимости.

Печатная плата с тяжелой медью может быть бесшовно присоединена к обычной плате. Когда речь идет о трассировке и минимальном интервале на печатных платах и диапазоне в пределах допуска и производственной способности, они должны быть определены обсуждением между инженерами проектирования и производителями до аутентичного производства.

Токоносящая способность и повышение температуры

Какой ток печатная плата с тяжелой медью способна нести? Этот вопрос обычно зависит от инженеров электронного проектирования. Он включает определение толщины меди и ширины и максимального повышения температуры, которое печатная плата с тяжелой медью способна выдержать. Этот вопрос выходит так, поскольку тепло, генерируемое печатной платой с тяжелой медью в процессе работы, тесно связано с током.

Когда ток проходит через провода, скорость потребления мощности во время работы составляет 12% от исходной мощности, так что потерянная мощность генерирует переходное тепло локально, которое будет рассеяно в окружение способом термической проводимости. Максимальный ток, который провода на печатной плате с тяжелой медью могут выдержать, должен быть найден, и метод суждения повышения температуры и соответствующего наложенного тока должен быть выкопан. Согласно руководству IPC-2221A, доступна формула, указывающая токоносящую способность внешних проводов: I = 0,048 × DT^0,44 × W × Th^0,725.

В этой формуле: I — ток (единица: А); DT — повышение температуры (единица: °C); W — ширина линии (единица: мкдюйм); Th — толщина трассы (единица: мкдюйм). Токоносящая способность внутренних трасс составляет 50% от внешних трасс.

В соответствии с формулой, таблица 1 обобщила токоносящую способность, указывающую несущий ток при температуре 30 °C для разных поперечных сечений.

Таблица 1: Токоносящая способность (А) при фиксированной ширине трассы (повышение температуры 30 °C)

Материалы подложки с разной производительностью доступны для производителей и дизайнеров печатных плат, от обычного эпоксидного смоляного материала подложки FR-4 с рабочей температурой 130 °C до высокотемпературных Tg-материалов подложки. До сих пор набор методов был разработан для тестирования теплостойкого качества готовых продуктов печатных плат. Из-за разницы в термическом расширении между медью и материалом подложки, «двигающая сила» создается между ними, то есть фактически термическое напряжение, возможно приводящее к трещине, накоплению и росту, которое в конечном счете ведет печатную плату к отказу.

В циркуляционном тесте на способность сквозных отверстий бороться с термическим шоком, набор из 32 последовательных металлизированных сквозных отверстий проектируется как образец на плате, и их ситуации будут проверены после теста термического шока. Первое неудавшееся металлизированное сквозное отверстие будет решено как термическое напряжение, которое печатная плата может выдержать. Применение печатных плат с тяжелой медью в термической шоковой циркуляции снизит или устранит отказы.

Анализ теплоотвода

В процессе работы электронных компонентов высокие потери мощности происходят в форме нагрева, который должен быть сгенерирован термическим источником (компонентами) и излучен в окружение. Иначе компоненты пострадают от перегрева или даже отказа. Печатные платы с тяжелой медью, однако, способны отводить тепло более эффективно, чем другие типы печатных плат, поэтому частота отказов плат будет драматически снижена.

Для того чтобы тепло легко рассеивалось, тип охлаждающего ребра требуется для передачи тепла в воздух через термическую проводимость, излучение или конвекцию. Обычно другая сторона теплового источника охлаждающего ребра соединена с медной областью через металлизированные сквозные отверстия.

Обычно обычные охлаждающие ребра соединяются с медной областью покрытия на печатной плате через термическую проводимость. Также есть ситуации, когда ниты или винты используются для соединения. Большинство охлаждающих ребер сделаны из меди или алюминия.

Поэтому это такая значимость собирать охлаждающие ребра во время производства печатных плат, что может быть достигнуто в печатных платах с тяжелой медью. Медный слой на поверхности печатной платы может быть утолщен через гальваническую металлизацию, что улучшает теплопроводящее свойство поверхности платы. Другим преимуществом этого метода лежит в том, что медный слой термического сквозного отверстия может быть утолщен и термическое сопротивление печатной платы с тяжелой медью может быть снижено.

Прошло уже много времени, منذ печатные платы с тяжелой медью были задействованы для несущих крупномощных компонентов в военной и авиационной промышленности, что этот тип печатных плат с тяжелой медью будет широко применяться среди разных отраслей в ближайшем будущем.

Полезные ресурсы

• Печатные платы с толстой медью и их сервис производства
• Соотношение между весом меди, шириной трассы и токоносящей способностью
• Ключевые правила проектирования печатных плат, которые вы должны знать
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки