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Cuivre lourd et extrême pour la fiabilité maximum dans la conception et la fabrication de carte
Jul 05, 2018

Différents produits d'électronique de puissance sont conçus chaque jour pour une gamme d'applications. Ces projets tirent de plus en plus parti d'une tendance croissante dans l'industrie des circuits imprimés: le cuivre lourd et les PCB de cuivre extrême.

Qu'est-ce qui définit un circuit de cuivre lourd? La plupart des circuits imprimés disponibles dans le commerce sont fabriqués pour des applications basse tension / faible puissance, avec des traces / plans en cuivre constitués de poids de cuivre allant de ½ oz / pi2 à 3 oz / pi2. Un circuit de cuivre lourd est fabriqué avec des poids de cuivre entre 4 oz / pi2 et 20 oz / pi2. Des poids de cuivre supérieurs à 20 oz / pi2 et jusqu'à 200 oz / pi2 sont également possibles et sont appelés cuivre extrême.

Pour les besoins de cette discussion, nous nous concentrerons principalement sur le cuivre lourd. Le poids de cuivre accru combiné avec un substrat approprié et un placage plus épais dans les trous traversants transforme la carte de circuit faible et peu fiable en une plate-forme de câblage durable et fiable.

La construction d'un circuit en cuivre lourd confère à une planche des avantages tels que:

Endurance accrue aux contraintes thermiques

Augmentation de la capacité de transport de courant

Résistance mécanique accrue aux emplacements des connecteurs et dans les trous PTH

Matériaux exotiques utilisés à leur plein potentiel (c.-à-d. Haute température) sans défaillance du circuit

Réduction de la taille du produit en incorporant plusieurs poids de cuivre sur la même couche de circuit (Figure 1)

Les vias lourds plaqués de cuivre transportent un courant plus élevé à travers la carte et aident à transférer la chaleur vers un dissipateur thermique externe

Dissipateurs thermiques intégrés directement plaqués sur la surface de la carte à l'aide d'avions cuivre jusqu'à 120 oz

Transformateurs planaires à haute densité de puissance embarqués

Bien que les inconvénients soient peu nombreux, il est important de comprendre la construction de base du circuit de cuivre lourd pour apprécier pleinement ses capacités et ses applications potentielles.

Figure 1: Échantillon présentant des caractéristiques de cuivre de 2 oz, 10 oz, 20 oz et 30 oz sur la même couche.

Construction de circuit de cuivre lourd

Les PCB standard, qu'ils soient à double face ou multicouches, sont fabriqués en utilisant une combinaison de procédés de gravure et de placage au cuivre. Les couches de circuit commencent comme de minces feuilles de cuivre (généralement 0.5 oz / ft2 à 2 oz / ft2) qui sont gravées pour éliminer le cuivre indésirable, et plaquées pour ajouter de l'épaisseur de cuivre aux plans, traces, plaquettes et trous traversants plaqués. Toutes les couches de circuit sont stratifiées dans un emballage complet en utilisant un substrat à base d'époxy, tel que FR-4 ou polyimide.

Les cartes incorporant des circuits en cuivre lourd sont produites exactement de la même manière, bien qu'avec des techniques spécialisées de gravure et de placage, telles que le placage à grande vitesse / étagé et la gravure différentielle. Historiquement, les caractéristiques du cuivre lourd étaient entièrement formées par gravure d'un matériau de panneau stratifié revêtu de cuivre épais, provoquant des bords de piste irréguliers et une sous-coupe inacceptable. Les progrès de la technologie de placage ont permis de former de lourdes caractéristiques de cuivre avec une combinaison de placage et de gravure, ce qui a donné lieu à des parois latérales droites et à une contre-dépouille négligeable.

Le placage d'un circuit de cuivre lourd permet au fabricant de panneaux d'augmenter la quantité d'épaisseur de cuivre dans les trous plaqués et par les parois latérales. Il est maintenant possible de mélanger du cuivre lourd avec des caractéristiques standard sur une seule carte. Les avantages comprennent un nombre de couches réduit, une distribution d'énergie à faible impédance, des empreintes de pas plus petites et des économies de coûts potentielles.

Normalement, les circuits à haute intensité / haute puissance et leurs circuits de commande ont été produits séparément sur des cartes séparées. Le plaquage de cuivre lourd permet d'intégrer des circuits à haute intensité et des circuits de commande pour réaliser une structure de panneau très dense et simple.

Les fonctionnalités lourdes en cuivre peuvent être connectées en toute transparence aux circuits standards. Le cuivre lourd et les caractéristiques standard peuvent être placés avec une restriction minimale à condition que le concepteur et le fabricant discutent des tolérances et des capacités de fabrication avant la conception finale (Figure 2).

Figure 2: les fonctions de 2 onces connectent les circuits de contrôle tandis que les fonctionnalités de 20 onces transportent des charges de courant élevé.

Capacité de transport actuelle et augmentation de la température

Combien de courant un circuit en cuivre peut-il transporter en toute sécurité? C'est une question souvent exprimée par les concepteurs qui souhaitent intégrer des circuits lourds en cuivre dans leur projet. Habituellement, on répond à cette question par une autre question: quelle est l'augmentation de chaleur que votre projet peut supporter? Cette question est posée parce que la montée en température et le flux de courant vont de pair. Essayons de répondre ensemble à ces deux questions.

Lorsque le courant circule le long d'une trace, il y a un I2R (perte de puissance) qui entraîne un chauffage localisé. La trace se refroidit par conduction (dans les matériaux voisins) et par convection (dans l'environnement). Par conséquent, pour trouver le courant maximal qu'une trace peut transporter en toute sécurité, nous devons trouver un moyen d'estimer l'échauffement associé au courant appliqué. Une situation idéale serait d'atteindre une température de fonctionnement stable où le taux de chauffage est égal au taux de refroidissement. Heureusement, nous avons une formule IPC que nous pouvons utiliser pour modéliser cet événement.

IPC-2221A: calcul de la capacité actuelle d'une voie externe [1]:

I = 0,048 * DT (0,44) * (W * Th) (725)

Lorsque I est courant (ampères), DT est l'élévation de température (° C), W est la largeur de la trace (mil) et Th est l'épaisseur de la trace (mil). Les traces internes doivent être diminuées de 50% (estimation) pour le même degré de chauffage. En utilisant la formule IPC, nous avons généré la Figure 3, montrant la capacité de transport de courant de plusieurs traces de différentes sections transversales avec une élévation de température de 30 ° C.

Figure 3: Courant approximatif pour des dimensions de voie données (élévation de température de 20 ° C).

Ce qui constitue une quantité acceptable de chaleur différera d'un projet à l'autre. La plupart des matériaux diélectriques de carte de circuit imprimé peuvent supporter des températures de 100 ° C au-dessus de la température ambiante, bien que ce changement de température soit inacceptable dans la plupart des cas.

Force de carte de circuit et capacité de survie

Les fabricants de circuits imprimés et les concepteurs peuvent choisir parmi une variété de matériaux diélectriques, de la norme FR-4 (température de fonctionnement 130 ° C) au polyimide haute température (température de fonctionnement 250 ° C). Une situation d'environnement extrême ou à haute température peut nécessiter un matériau exotique, mais si les traces de circuit et les vias plaqués sont standard de 1 oz / pi2, survivront-ils aux conditions extrêmes? L'industrie des circuits imprimés a mis au point une méthode d'essai pour déterminer l'intégrité thermique d'un produit de circuit fini. Les contraintes thermiques proviennent de divers processus de fabrication, d'assemblage et de réparation, où les différences entre le coefficient de dilatation thermique (CTE) du cuivre et le stratifié PWB fournissent la force motrice pour la nucléation et la croissance de la fissure. L'essai de cycle thermique (TCT) vérifie l'augmentation de la résistance d'un circuit lorsqu'il subit un cycle thermique air-air de 25 ° C à 260 ° C.

Une augmentation de la résistance indique une rupture de l'intégrité électrique via des fissures dans le circuit de cuivre. Une conception de coupon standard pour ce test utilise une chaîne de 32 trous traversants plaqués, qui a longtemps été considérée comme le point le plus faible dans un circuit lorsqu'il est soumis à une contrainte thermique.

Des études de cycles thermiques effectuées sur des panneaux standards FR-4 avec un placage de cuivre de 0,8 mil à 1,2 mil ont montré que 32% des circuits échouent après huit cycles (une augmentation de 20% de la résistance est considérée comme une défaillance). Les études de cycles thermiques réalisées sur des matériaux exotiques montrent des améliorations significatives de ce taux d'échec (3% après huit cycles pour l'ester de cyanate), mais sont prohibitivement coûteuses (5 à 10 fois le coût du matériau) et difficiles à traiter. Un assemblage de technologie moyenne à montage en surface voit un minimum de quatre cycles thermiques avant l'expédition, et pourrait voir deux cycles thermiques supplémentaires pour chaque réparation de composant.

Il n'est pas déraisonnable pour une carte SMOBC qui a subi un cycle de réparation et de remplacement d'atteindre un total de neuf ou 10 cycles thermiques. Les résultats du TCT montrent clairement que le taux de défaillance, quel que soit le matériel utilisé, peut devenir inacceptable. Les fabricants de circuits imprimés savent que l'électrodéposition du cuivre n'est pas une science exacte - les changements de densité de courant dans une carte et les nombreuses tailles de trou / via entraînent des variations d'épaisseur de cuivre allant jusqu'à 25% ou plus. La plupart des zones de «cuivre mince» se trouvent sur des murs à trous plaqués - les résultats du TCT montrent clairement que c'est le cas.

L'utilisation de circuits de cuivre lourds permettrait de réduire ou d'éliminer complètement ces défaillances. Le placage de 2 oz / pi2 de cuivre dans un trou réduit le taux de défaillance à presque zéro (les résultats du TCT montrent un taux d'échec de 0,57% après huit cycles pour le FR-4 standard avec un minimum de 2,5 mils). En effet, le circuit de cuivre devient imperméable aux contraintes mécaniques exercées sur lui par le cycle thermique.

Gestion de la chaleur

À mesure que les concepteurs s'efforcent d'obtenir la valeur et la performance maximales de leurs projets, les circuits imprimés deviennent de plus en plus complexes et entraînent des densités de puissance plus élevées. La miniaturisation, l'utilisation de composants de puissance, les conditions environnementales extrêmes et les exigences de courant élevé augmentent l'importance de la gestion thermique. Les pertes plus élevées de chaleur, souvent générées par le fonctionnement de l'électronique, doivent être dissipées de leur source et rayonnées dans l'environnement; sinon, les composants pourraient surchauffer et des pannes pourraient en résulter. Cependant, les circuits de cuivre lourds peuvent aider en réduisant les pertes de I2R et en conduisant la chaleur loin des composants précieux, en réduisant les taux de défaillance de façon spectaculaire.

Afin d'obtenir une bonne dissipation de chaleur à partir des sources de chaleur dans et sur la surface d'une carte de circuit imprimé, des dissipateurs thermiques sont utilisés. Le but de tout radiateur est de dissiper la chaleur de la source de génération par conduction et d'émettre cette chaleur par convection vers l'environnement. La source de chaleur d'un côté de la carte (ou des sources de chaleur internes) est connectée par des vias de cuivre (parfois appelés «vias de chaleur») à une grande zone de cuivre nu de l'autre côté de la carte.

Généralement, les dissipateurs thermiques classiques sont collés à cette surface de cuivre nu au moyen d'un adhésif thermoconducteur ou, dans certains cas, sont rivetés ou boulonnés. La plupart des dissipateurs thermiques sont en cuivre ou en aluminium. Le processus d'assemblage requis pour les dissipateurs thermiques classiques consiste en trois étapes fastidieuses et coûteuses.

Pour commencer, le métal servant de dissipateur thermique doit être perforé ou coupé à la forme requise. La couche adhésive doit également être découpée ou estampée pour un ajustement précis entre la carte de circuit imprimé et le dissipateur thermique. Dernier point, mais non des moindres, le dissipateur thermique doit être correctement positionné sur le circuit imprimé et l'ensemble du paquet doit être enduit pour une résistance électrique et / ou à la corrosion avec une laque ou une couche de finition appropriée.

Normalement, le processus ci-dessus ne peut pas être automatisé et doit être fait à la main. Le temps et le travail requis pour compléter ce processus sont importants, et les résultats sont inférieurs à un processus mécaniquement automatisé. En revanche, les dissipateurs thermiques intégrés sont créés pendant le processus de fabrication des circuits imprimés et ne nécessitent aucun assemblage supplémentaire. La technologie des circuits lourds en cuivre rend cela possible. Cette technologie permet l'ajout de dissipateurs en cuivre épais pratiquement n'importe où sur les surfaces extérieures d'une carte. Les dissipateurs thermiques sont électrodéposés sur la surface et sont ainsi connectés aux vias conducteurs de chaleur sans aucune interface qui entrave la conductivité thermique.

Un autre avantage est le placage de cuivre ajouté dans les vias de chaleur, ce qui réduit la résistance thermique de la conception de la carte, en réalisant qu'ils peuvent s'attendre au même degré de précision et de répétabilité inhérent à la fabrication de PCB. Parce que les enroulements planaires sont en réalité des traces conductrices plates formées sur un stratifié gainé de cuivre, ils améliorent la densité de courant globale par rapport aux conducteurs cylindriques. Cet avantage est dû à la minimisation de l'effet de la peau et à une plus grande efficacité de transport du courant.

Les planaires embarqués réalisent une excellente isolation diélectrique primaire-secondaire et secondaire-secondaire car le même matériau diélectrique est utilisé entre toutes les couches, assurant une encapsulation complète de tous les enroulements. En outre, les enroulements primaires peuvent être déversés de sorte que les enroulements secondaires sont pris en sandwich entre les primaires, obtenant une faible inductance de fuite. Les techniques de stratification de PCB standard, en utilisant un choix d'une variété de résines époxy, peuvent prendre en sandwich jusqu'à 50 couches de bobines de cuivre aussi épaisses que 10 oz / ft2.

Lors de la fabrication de circuits lourds en cuivre, nous avons généralement affaire à des épaisseurs de placage importantes; par conséquent, des limites doivent être faites pour définir les séparations de traces et les tailles de pastille. Pour cette raison, les concepteurs sont invités à avoir le fabricant de la planche à bord au début du processus de conception.

Les produits d'électronique de puissance utilisant des circuits de cuivre lourds sont utilisés depuis de nombreuses années dans l'industrie militaire et aérospatiale et gagnent en puissance en tant que technologie de choix dans les applications industrielles. On croit que les exigences du marché étendront l'application de ce type de produit dans un proche avenir.

Les références:

1. IPC -2221A