Обзор печатных плат с толстым слоем меди.

Технология печатных плат с толстым слоем меди является важной в специфических приложениях с высокой мощностью и большим током, особенно в тех случаях, когда речь идет об источниках питания и оборудовании, требующем высокой токовой нагрузки.

1. Что такое печатная плата с толстым слоем меди?

Короче говоря, печатная плата с толстым слоем медной фольги — это разновидность печатных плат, у которых толщина медной фольги значительно больше, чем у обычных печатных плат:

● Традиционные печатные платы: толщина внешнего медного слоя обычно составляет 1 унцию/фут² (приблизительно 35 мкм), в то время как толщина внутренних слоев, как правило, составляет 0,5 унции/фут² или 1 унцию/фут².

● Печатные платы с толстым слоем меди: печатные платы с толщиной медного слоя ≥ 3 унции/фут² (приблизительно 105 мкм) обычно определяются как печатные платы с толстым слоем меди. Технически толщина медного слоя может достигать 10 унций/фут² (приблизительно 350 мкм) или даже больше.

Преобразование:

1 унция/фут² = 35 мкм (микрометров)

Типичные толщины: 1 унция (35 мкм), 2 унции (70 мкм), 3 унции (105 мкм), 4 унции (140 мкм), 6 унций (210 мкм), 10 унций (350 мкм) и т. д.

2. Основные характеристики и преимущества печатных плат с толстым слоем меди.

1) Высокая токовая нагрузка: это основное назначение. Согласно формуле I = k * ΔT^0,44 * A^0,725 (стандарт IPC-2221), токовая нагрузка проводника положительно коррелирует с площадью поперечного сечения (A) медной фольги. Удвоение толщины медного слоя может значительно увеличить токовую нагрузку, снижая риск перегрева.

2) Превосходное рассеивание тепла: Медь является хорошим проводником, более толстый слой меди может быстрее отводить тепло, выделяемое компонентами (такими как MOSFET, IGBT и т. д.), к радиатору или корпусу, снижая рабочую температуру и повышая надежность и срок службы. 

3) Повышение механической прочности: толстые медные слои обеспечивают большую механическую прочность контактных площадок и переходных отверстий разъема. Это особенно полезно для разъемов, которые требуют постоянного подключения и отключения, а более толстый слой меди обеспечивает большую поддержку тяжелым компонентам.

4) Специальные конструкции:

● Планарные трансформаторы/индукторы: Магнитные компоненты могут быть встроены непосредственно в слой печатной платы, что позволяет достичь высокой удельной мощности за счет использования толстой медной фольги.

● Силовые цепи с низким импедансом: Снижает падение напряжения и энергопотребление на цепях с высокими токами.

3. Основные области применения

● Источники питания: мощные преобразователи переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока (например, блоки питания серверов, промышленные блоки питания), ИБП.

● Новые источники энергии: солнечные фотоэлектрические инверторы, преобразователи энергии для ветроэнергетики, транспортные средства на новых источниках энергии (бортовые зарядные устройства (OBC), контроллеры двигателей, системы управления батареями (BMS)).

● Управление питанием: электроприводы, промышленное управление, сварочное оборудование.

● Аэрокосмическая и военная отрасли: высоконадежное и мощное оборудование для авиации или спутниковой связи.

● Автомобильная промышленность: контроллеры фар, блоки распределения питания.

● Мощное светодиодное освещение: используется для рассеивания тепла и пропускания тока питания.

4. Проблемы проектирования и производства

По сравнению с традиционными печатными платами, платы с большим количеством меди, обеспечивая улучшенные удельные характеристики, предъявляют более высокие требования к проектированию и производству:

Проблемы проектирования:

● Ширина/расстояние между линиями: Травление приводит к «боковому травлению», которое более интенсивно проявляется на более толстых медных платах. Поэтому очень тонкие линии создать невозможно. Линии на печатных платах с толстым слоем меди обычно шире и имеют большее расстояние между ними.

Например, при толщине медного слоя 3 унции минимальная ширина/расстояние между линиями может составлять 8-10 мил (0,2-0,25 мм) или более.

● Требования к медному покрытию: Для обеспечения возможности пропускания высоких токов и механической прочности толщина медного покрытия на внутренних стенках переходных отверстий также должна быть больше (например, 2-3 мил или более).

● Выравнивание при ламинировании: Из-за неравномерной толщины меди и изменяющегося потока во время ламинирования контроль выравнивания затруднен.

● Контроль импеданса: В высокочастотных приложениях толстый слой меди влияет на характеристический импеданс, что усложняет расчеты при проектировании.

Проблемы в производстве:

1) Перенос рисунка/Экспонирование: Толстая медная фольга затрудняет полное покрытие сухим фоторезистом или жидким фоторезистом и формирование однородного рисунка, что требует высокой равномерности экспозиции.

2) Травление: Одна из самых больших проблем. Процесс травления требует больше времени, и может происходить боковое травление, в результате чего получаются трапециевидные поперечные сечения вместо идеальных прямоугольников. Необходимо точно контролировать параметры травления и химические вещества.

3) Ламинирование: Толстые медные узоры создают значительные неровности во время ламинирования, что требует заполнения большим количеством препреговой смолы. Это может привести к таким проблемам, как пузырьки и неравномерное распределение смолы, и требует специальных процессов заполнения и ламинирования.

4) Сверление: Толстые слои меди вызывают быстрый износ сверла, что потенциально может привести к повышению шероховатости стенок отверстия. Требуется корректировка параметров сверления и более тщательная очистка стенок отверстия.

5) Электролитическое осаждение: Обеспечение равномерного нанесения достаточно толстого слоя меди на переходные отверстия и поверхности представляет собой дополнительную сложность.

5. Ключевые производственные процессы

Для решения вышеуказанных проблем производителям необходимо учитывать следующее:

● Ступенчатое травление: травление в несколько этапов, при этом каждый раз обрабатывается часть глубины для уменьшения бокового травления.

● Специальные растворы для травления: Использование растворов с низкой скоростью бокового травления, таких как кислый хлорид меди.

● Прессы большой мощности: Использование высокого давления для обеспечения полного заполнения смолой зазоров между линиями.

● Многослойное ламинирование: Для очень толстых медных плат или плат с многослойной толстой медью может использоваться многослойное ламинирование.

● Лазерная абляция: Для получения толстых медных узоров с чрезвычайно высокой точностью вместо традиционного травления может использоваться прямая лазерная формовка.

6. Как отличить «печатные платы с толстым слоем меди» от «печатных плат с медной подложкой (металлической подложкой)»

Это распространённое заблуждение:

● Печатные платы с толстым слоем меди: Под такими платами подразумевается плата с очень толстым слоем медной фольги на проводящих слоях, в то время как подложка остается изоляционным материалом, таким как FR-4, CEM-3 или PI. Ее основная функция — увеличение пропускной способности по току, а также вторичное преимущество — отличное рассеивание тепла.

● Печатные платы с медной подложкой: это тип металлической подложки, структура которой следующая: верхний слой — медные фольгированные дорожки → изолирующий и теплопроводящий диэлектрический слой → общая металлическая подложка (обычно алюминий или медь). В первую очередь она предназначена для решения проблем рассеивания тепла. Толщина медного слоя может составлять стандартные 1 унцию или быть больше. Главная особенность — цельный металлический элемент, выполняющий функцию радиатора.

Проще говоря: толстая медная печатная плата означает, что сами проводники очень толстые, тогда как медная подложка означает, что это цельный металлический лист.

Краткое содержание:

При выборе типа печатной платы инженеры должны всесторонне оценить требования к току, теплоотводу, пространственным ограничениям, бюджету и плотности проводников, а затем решить, является ли печатная плата с толстым слоем меди оптимальным вариантом и какой толщины должна быть медная фольга. Для высоких требований к току и теплоотводу иногда может рассматриваться комбинация печатной платы с толстым слоем меди и металлической подложкой.

Компания Benlida специализируется на производстве печатных плат уже 14 лет. Обладая богатым опытом и ориентируясь на потребности рынка и клиента, мы постоянно модернизируем производственные мощности и оптимизируем производственные процессы. Если вам необходимо производить печатные платы с большим количеством меди, пожалуйста, свяжитесь с нами!