Sestava silných měděných desek plošných spojů pro elektroniku s vysokým proudem

Společnost Highleap Electronics poskytuje služby v oblasti montáže silnoproudých měděných desek plošných spojů pro elektroniku s vysokým proudem, řídicí desky napájení, desky BMS, elektroniku pro nabíječky elektromobilů, průmyslové napájecí moduly a aplikace pro tepelný management. Silnoproudé měděné desky plošných spojů vyžadují koordinaci mezi výrobou desek plošných spojů, procesem pájení, výběrem součástek, cestou proudu, tepelným návrhem a kontrolou. Highleap vyrábí a montuje desky dle souborů, výkresů, kusovníků a zkušebních požadavků schválených zákazníkem.

Těžká měď se obecně vztahuje na konstrukce desek plošných spojů s použitím silnější mědi než standardní signálové desky. Přesná hmotnost mědi by měla být vždy definována v rozložení po vrstvách. Těžká měděná deska není automaticky bezpečná pro daný proud; proudová kapacita závisí na tloušťce mědi, šířce vodivých drah, ploše roviny, povoleném nárůstu teploty, proudění vzduchu, poloze vrstev, materiálu substrátu a prostředí produktu. Vlastník produktu by měl ověřit elektrický a tepelný výkon na úrovni systému.

Související stránky projektů naleznete v částech sestava desek plošných spojů výkonové elektroniky, sestava desek plošných spojů BMS a sestava desek plošných spojů nabíječek elektromobilů.

Možnost montáže silných měděných desek plošných spojů

Role ve výrobě těžké mědi

Společnost Highleap může podporovat výrobu a montáž těžkých měděných desek plošných spojů, pokud je konstrukce jasně definována a sestavení splňuje dohodnuté požadavky. Výkres by měl uvádět hmotnost mědi po vrstvách, konečnou tloušťku, povrchovou úpravu, pájecí masku, pokovení otvorů, kritické rozměry, oblasti vedoucí proud a požadavky na kontrolu. Pokud je součástí dodávky montáž, měl by balíček také identifikovat komponenty pro vysoký proud, svorky, konektory, součásti generující teplo a mechanická rozhraní.

Typické použití těžkých měděných desek plošných spojů (PCBA)

Koordinace výroby a montáže

Těžká měď mění jak výrobu holých desek plošných spojů, tak i jejich montáž. Leptání silné mědi vyžaduje větší konstrukční přídavky než leptání jemné signální mědi. Velké plochy mědi ovlivňují rovnováhu přetavení. Průchozí svorky mohou vyžadovat kontrolované pájení. Tepelné podložky mohou v případě potřeby vyžadovat rentgenovou nebo speciální kontrolu. Pro dosažení nejlepších výsledků by měla být těžká měď posuzována jako kompletní proces výroby desek plošných spojů a desek plošných spojů, spíše než jako jednoduchá modernizace materiálu.

Tloušťka mědi a požadavky na vedení proudu

Proudová kapacita závisí na celkovém návrhu

Hmotnost mědi je pouze jednou částí proudové zatížitelnosti. Konstruktér by měl také zvážit šířku vodivých drah, plochu mědi, počet vrstev, množství propojení, povolený nárůst teploty, okolní teplotu, chladicí podmínky, tloušťku desky, blízké zdroje tepla a proudění vzduchu v pouzdře. Standard IPC-2152 se běžně používá jako reference pro proudovou zatížitelnost při návrhu desek plošných spojů, ale konečné ověření produktu zůstává odpovědností vlastníka produktu.

Dopad silnější mědi na design

Silnější měď může zlepšit vedení proudu a rozvod tepla, ale také ovlivňuje minimální stopy a mezery, kompenzaci leptání, definici pájecí masky, tloušťku desky a náklady. Součástky s jemnou roztečí umístěné v blízkosti silných měděných oblastí mohou způsobit problémy s montáží. Pokud deska kombinuje řídicí obvody a měď pro vysoký proud, mělo by rozvržení pokud možno oddělit citlivé součástky od oblastí s vysokým zahříváním a vysokou hmotností.

Sdílení letadla a cestování

Proud se může pohybovat mezi vrstvami přes pole propojovacích otvorů nebo pokovené prvky. Počet propojovacích otvorů, průměr, tloušťka pokovení a rozvržení určují, jak se proud a teplo rozdělují. Pokud je pole propojovacích otvorů součástí proudové cesty, nemělo by se s ním zacházet jako s běžným sešíváním. Výkres by měl identifikovat kritické skupiny propojovacích otvorů a veškeré požadavky na výplň, zakončení nebo kontrolu.

Tepelný management a odvod tepla

Šíření tepla mědí

Těžká měď může odvádět teplo od napájecích komponent, ale nenahrazuje kompletní tepelný návrh. Teplo musí z desky odcházet měděnými rovinami, průchodkami, chladiči, prouděním vzduchu, kontakty v pouzdře nebo tepelnými materiály. Pokud se deska opírá o základní desku nebo šasi, musí být mechanické rozhraní zahrnuto v poznámkách k montáži.

Tepelné průchodky a odkryté kontaktní plošky

Napájecí zařízení s odkrytými kontaktními ploškami mohou vyžadovat tepelné průchodky pod pouzdrem nebo v jeho blízkosti. Konstrukce průchodek by měla vyvážit přenos tepla, uvolňování pájky a vyrobitelnost. Otevřené průchodky pod kontaktními ploškami mohou způsobit nasávání pájky; vyplněné nebo zakryté průchodky mohou zvýšit náklady, ale zlepšit konzistenci sestavy. Zákazník by měl definovat strategii propojení průchodek na základě požadavků na produkt.

Rozteče součástí kolem zdrojů tepla

Součástky citlivé na teplo, jako jsou elektrolytické kondenzátory, senzory, optočleny a malé signálové integrované obvody, by měly být umístěny s ohledem na tepelnou zátěž. Z výrobního hlediska rozestupy také usnadňují kontrolu a přístup k opravám. Těžké měděné desky mají často velké součástky a vysokou tepelnou hmotnost, takže přeplněné umístění může zvýšit jak spolehlivost, tak i riziko montáže.

SMT a montáž do otvorů na silných měděných deskách

Tepelná bilance přetavování

Silné měděné oblasti absorbují teplo odlišně od lehkých měděných signálních oblastí. To může vytvářet nerovnoměrné podmínky pájení na desce. Je třeba zkontrolovat návrh šablony, výběr pájecí pasty, profil přetavování, geometrii kontaktních plošek a umístění součástek. Velké měděné kontaktní plošky mohou vyžadovat tepelné odlehčení nebo plánování procesu v závislosti na elektrických a tepelných požadavcích.

Výkonové součástky s průchozími otvory

Těžké měděné desky běžně používají konektory s průchozími otvory, svorky, relé, transformátory a velké kondenzátory. Tyto součástky mohou v závislosti na provedení a množství vyžadovat pájení vlnou, selektivní pájení nebo řízené ruční pájení. Velikost otvoru, prstenec, tloušťka mědi a tepelný odlehčení ovlivňují plnění pájkou. Pokud je povinné procento plnění pájkou nebo požadavek na kontrolu, měl by být uveden ve výkresu nebo v poznámkách k montáži.

Problémy s inspekcí

Silná měď může zvýšit důležitost vizuální kontroly a někdy ji i ztížit. Velké pájené spoje, skryté kontaktní plošky, tepelné podložky a silné měděné hrany mohou vyžadovat specifické pokyny pro kontrolu. Pro vybrané skryté spoje lze na vyžádání zákazníka použít rentgenové vyšetření. Pokud to odůvodňují požadavky na spolehlivost, lze pro vyhodnocení pokovených otvorů požadovat mikroskopické řezy.

Problémy s pájením, reflow a tepelnou rovnováhou

Velký měděný chladič

Velké měděné plochy mohou během pájení reflow nebo skrz otvor odvádět teplo z pájených spojů. Pokud není proces upraven, může to způsobit nedostatečné smáčení. Zároveň může kompenzace přehřátí menších součástek představovat riziko poškození. Vyvážený proces využívá spíše kontrolu návrhu a nastavení procesu než nadměrné teplo.

Plánování šablon a pájecí pasty

Napájecí zařízení, tepelné podložky a velké terminály mohou vyžadovat speciální otvory pro šablony nebo kontrolu pasty. Cílem je zajistit dostatečné množství pájky pro tepelnou a mechanickou spolehlivost a zároveň se vyhnout přemostění, plovoucímu povrchu, dutinám nebo pájení. Pokud má výrobek přísné limity dutin, měl by zákazník definovat přijatelný limit a metodu kontroly.

Meze ručního pájení

Ruční pájení může být vhodné pro prototypy nebo vybrané díly, ale nemělo by se předpokládat, že bude schopno dosáhnout opakovatelnosti při velkém objemu výroby, pokud není proces řízen a zdokumentován. Velké svorky, silná měď a vysoká tepelná hmotnost mohou vyžadovat dovednosti obsluhy a tepelnou kontrolu. Pro výrobu může být selektivní pájení nebo nástroje opakovatelnější, pokud to konstrukce umožňuje.

Inspekce a kontroly spolehlivosti

Oblasti zaměření inspekce

• Kvalita vysokoproudých tras a měděných ploch.
• Kvalita pokovení pro průchozí otvory pro terminály a propojovací pole.
• Pájení a smáčení pro výkonové součástky s průchozími otvory.
• Kvalita pájky s tepelnou podložkou pro výkonové polovodiče.
• Usazení, orientace a mechanická vůle konektoru.
• Rovinnost desky, obrys a montážní rozhraní.

Požadavky na dokumentaci

Dokumentace může zahrnovat záznam o materiálu, potvrzení o stohování, elektrický test, inspekční zprávu, mikroskopický řez, zprávu o prvním výrobku nebo zákazníkem definovaný protokol o funkčním testu. Tyto dokumenty by měly být vyžádány před cenovou nabídkou. Pokud bude deska použita ve vysoce spolehlivém produktu, měla by dokumentace odrážet úroveň rizika, nikoli pouze nejnižší výrobní náklady.

Aspekty spolehlivosti

Spolehlivost závisí na konstrukci produktu, provozním proudu, teplotních cyklech, mechanické podpoře, kvalitě pájeného spoje, jmenovitých hodnotách součástek a prostředí. Silná měď sice může vést proud a rozptylovat teplo, ale sama o sobě nezaručuje spolehlivost. Celá sestava by měla být zkontrolována a validována za podmínek zamýšleného použití zákazníkem.