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Cobre pesado y extremo para máxima confiabilidad en el diseño y fabricación de PCB
Jul 05, 2018

Diversos productos de electrónica de potencia se diseñan todos los días para una variedad de aplicaciones. Cada vez más, estos proyectos aprovechan una tendencia creciente en la industria de placas de circuito impreso: cobre pesado y PCB de cobre extremo.

¿Qué define un circuito de cobre pesado? La mayoría de los PCB disponibles en el mercado se fabrican para aplicaciones de baja / baja potencia, con trazas / planos de cobre compuestos de pesos de cobre que van desde ½-oz / ft2 a 3-oz / ft2. Un circuito de cobre pesado se fabrica con pesos de cobre en cualquier lugar entre 4-oz / ft2 a 20-oz / ft2. También son posibles los pesos de cobre superiores a 20 onzas / pie2 y hasta 200 onzas / pie2, que se conocen como cobre extremo.

Para los fines de esta discusión, nos enfocaremos principalmente en el cobre pesado. El aumento de peso del cobre combinado con un sustrato adecuado y un chapado más grueso en los orificios pasantes transforman la poco fiable placa de circuito débil en una plataforma de cableado duradera y confiable.

La construcción de un circuito de cobre pesado dota a una placa con beneficios tales como:

Mayor resistencia a las tensiones térmicas

Aumento de la capacidad de carga de corriente

Mayor resistencia mecánica en sitios de conectores y en agujeros PTH

Materiales exóticos utilizados en todo su potencial (es decir, alta temperatura) sin falla de circuito

Reducción del tamaño del producto mediante la incorporación de múltiples pesos de cobre en la misma capa de circuitos (Figura 1)

Las vías pesadas de cobre llevan una corriente más alta a través del tablero y ayudan a transferir calor a un disipador de calor externo

Disipadores de calor integrados directamente en la superficie de la placa con planos de cobre de hasta 120 onzas

Transformadores planar de alta densidad incorporados a bordo

Aunque las desventajas son pocas, es importante entender la construcción básica del circuito de cobre pesado para apreciar plenamente sus capacidades y aplicaciones potenciales.

Figura 1: muestra con características de cobre de 2 onzas, 10 onzas, 20 onzas y 30 onzas en la misma capa.

Construcción de circuito de cobre pesado

Los PCB estándar, ya sean de doble cara o multicapa, se fabrican mediante una combinación de procesos de grabado y chapeado de cobre. Las capas de circuito comienzan como láminas delgadas de lámina de cobre (generalmente de 0.5 oz / ft2 a 2 onzas por pie2) que se graban para eliminar el cobre no deseado y se platean para agregar espesor de cobre a los planos, trazas, almohadillas y agujeros pasantes plateados. Todas las capas del circuito se laminan en un paquete completo utilizando un sustrato a base de epoxi, como FR-4 o poliimida.

Las placas que incorporan circuitos pesados de cobre se producen exactamente de la misma manera, aunque con técnicas de grabado y chapeado especializadas, como chapado de alta velocidad / paso y grabado diferencial. Históricamente, las características de cobre pesado se formaron completamente mediante el grabado de un material grueso de tablero laminado revestido de cobre, lo que causó trazas irregulares en los flancos y un corte excesivo inaceptable. Los avances en la tecnología de enchapado han permitido que se formen pesadas características de cobre con una combinación de chapado y grabado, lo que resulta en paredes laterales rectas y un corte inferior despreciable.

El recubrimiento de un circuito de cobre pesado permite al fabricante de la placa aumentar la cantidad de espesor de cobre en los orificios plateados y a través de las paredes laterales. Ahora es posible mezclar cobre pesado con características estándar en una sola placa. Las ventajas incluyen un conteo reducido de capas, distribución de energía de baja impedancia, huellas más pequeñas y ahorros potenciales de costos.

Normalmente, los circuitos de alta corriente / alta potencia y sus circuitos de control se producen por separado en placas separadas. El cobreado pesado permite integrar circuitos de alta corriente y circuitos de control para realizar una estructura de tablero muy densa y simple.

Las características de cobre pesado se pueden conectar sin problemas a los circuitos estándar. El cobre pesado y las características estándar se pueden colocar con una restricción mínima siempre que el diseñador y el fabricante debatan las tolerancias y capacidades de fabricación antes del diseño final (Figura 2).

Figura 2: características de 2 onzas conectan circuitos de control mientras que las características de 20 onzas llevan cargas de alta corriente.

Capacidad de carga actual y subida de temperatura

¿Cuánta corriente puede transportar un circuito de cobre con seguridad? Esta es una pregunta a menudo expresada por diseñadores que desean incorporar circuitos pesados de cobre en su proyecto. Esta pregunta generalmente se responde con otra pregunta: ¿cuánto aumento de calor puede soportar su proyecto? Esta pregunta se plantea porque el aumento de calor y el flujo de corriente van de la mano. Intentemos responder ambas preguntas juntas.

Cuando la corriente fluye a lo largo de una traza, hay un I2R (pérdida de potencia) que produce calentamiento localizado. La traza se enfría por conducción (en los materiales vecinos) y por convección (en el medio ambiente). Por lo tanto, para encontrar la corriente máxima que una huella puede transportar con seguridad, debemos encontrar una manera de estimar el aumento de calor asociado con la corriente aplicada. Una situación ideal sería alcanzar una temperatura de funcionamiento estable donde la velocidad de calentamiento sea igual a la velocidad de enfriamiento. Afortunadamente, tenemos una fórmula de IPC que podemos usar para modelar este evento.

IPC-2221A: cálculo de la capacidad actual de una pista externa [1]:

I = .048 * DT (.44) * (W * Th) (.725)

Donde I es la corriente (amperios), DT es el aumento de temperatura (° C), W es el ancho de la traza (mil) y Th es el espesor de la traza (mil). Las huellas internas deben reducirse en un 50% (estimación) para el mismo grado de calentamiento. Usando la fórmula IPC generamos la Figura 3, que muestra la capacidad de transporte de varias trazas de diferentes áreas transversales con un aumento de temperatura de 30 ° C.

Figura 3: Corriente aproximada para las dimensiones de seguimiento dadas (aumento de temperatura de 20 ° C).

Lo que constituye una cantidad aceptable de aumento de calor difiere de un proyecto a otro. La mayoría de los materiales dieléctricos para placas de circuitos pueden soportar temperaturas de 100 ° C por encima de la temperatura ambiente, aunque esta cantidad de cambio de temperatura sería inaceptable en la mayoría de las situaciones.

Resistencia y supervivencia de la placa de circuito

Los fabricantes y diseñadores de placas de circuito pueden elegir entre una variedad de materiales dieléctricos, desde el estándar FR-4 (temperatura de funcionamiento 130 ° C) hasta la poliimida de alta temperatura (temperatura de funcionamiento 250 ° C). Una situación ambiental de alta temperatura o extrema puede requerir un material exótico, pero si los rastros del circuito y las vías plateadas son estándar de 1 oz / ft2, ¿sobrevivirán a las condiciones extremas? La industria de placas de circuito ha desarrollado un método de prueba para determinar la integridad térmica de un producto de circuito terminado. Las tensiones térmicas provienen de varios procesos de fabricación, ensamblaje y reparación de tableros, donde las diferencias entre el coeficiente de expansión térmica (CTE) de Cu y el laminado PWB proporcionan la fuerza motriz para la nucleación de grietas y el crecimiento hasta la falla del circuito. La prueba de ciclo térmico (TCT) verifica un aumento en la resistencia de un circuito a medida que se somete a ciclos térmicos aire-aire de 25 ° C a 260 ° C.

Un aumento en la resistencia indica una falla en la integridad eléctrica a través de grietas en el circuito de cobre. Un diseño de cupón estándar para esta prueba utiliza una cadena de 32 agujeros pasantes chapados, que durante mucho tiempo se ha considerado como el punto más débil de un circuito cuando se somete a un estrés térmico.

Los estudios de ciclo térmico realizados en tableros estándar FR-4 con placas de cobre de 0,8 a 1,2 mil han demostrado que el 32% de los circuitos falla después de ocho ciclos (un aumento del 20% en la resistencia se considera una falla). Los estudios de ciclos térmicos realizados con materiales exóticos muestran mejoras significativas en esta tasa de fallas (3% después de ocho ciclos para el éster de cianato), pero son prohibitivamente costosos (de cinco a 10 veces el costo del material) y difíciles de procesar. Un conjunto de tecnología de montaje superficial promedio ve un mínimo de cuatro ciclos térmicos antes del envío, y podría ver dos ciclos térmicos adicionales por cada reparación de componente.

No es irracional que una placa SMOBC haya pasado por un ciclo de reparación y reemplazo para alcanzar un total de nueve o 10 ciclos térmicos. Los resultados de TCT muestran claramente que la tasa de fallas, sin importar el material de la placa, puede volverse inaceptable. Los fabricantes de placas de circuito impreso saben que la galvanoplastia de cobre no es una ciencia exacta: los cambios en las densidades de corriente a través de un tablero y a través de numerosos orificios / tamaños de vía dan como resultado variaciones de espesor de cobre de hasta 25% o más. La mayoría de las áreas de "cobre delgado" están en las paredes con orificios plateados: los resultados de TCT muestran claramente que este es el caso.

El uso de circuitos pesados de cobre reduciría o eliminaría estas fallas por completo. El recubrimiento de 2 oz / ft2 de cobre en una pared reduce la tasa de falla a casi cero (los resultados de TCT muestran una tasa de falla de 0.57% después de ocho ciclos para FR-4 estándar con un mínimo de recubrimiento de cobre de 2.5 mil). En efecto, el circuito de cobre se vuelve impermeable a las tensiones mecánicas que le impone el ciclo térmico.

Gestión térmica

A medida que los diseñadores se esfuerzan por obtener el máximo valor y rendimiento de sus proyectos, los circuitos impresos se vuelven más complejos y se dirigen a mayores densidades de potencia. La miniaturización, el uso de componentes de potencia, las condiciones ambientales extremas y los requisitos de alta corriente aumentan la importancia de la gestión térmica. Las mayores pérdidas en forma de calor, que a menudo se generan en el funcionamiento de la electrónica, se deben disipar de su fuente e irradiarse al medio ambiente; de lo contrario, los componentes podrían recalentarse y podrían producirse fallas. Sin embargo, los circuitos pesados de cobre pueden ayudar reduciendo las pérdidas de I2R y alejando el calor de los componentes valiosos, reduciendo dramáticamente las tasas de fallas.

Con el fin de lograr una disipación de calor adecuada de las fuentes de calor en y sobre la superficie de una placa de circuito, se emplean disipadores de calor. El propósito de cualquier disipador de calor es disipar el calor de la fuente de generación por conducción y emitir este calor por convección al medio ambiente. La fuente de calor en un lado de la placa (o fuentes de calor internas) está conectada por conductos de cobre (a veces denominados "vías de calor") a una gran área de cobre desnudo en el otro lado de la placa.

Generalmente, los disipadores de calor clásicos están unidos a esta superficie de cobre desnudo por medio de un adhesivo térmicamente conductivo o, en algunos casos, están remachados o atornillados. La mayoría de los disipadores están hechos de cobre o aluminio. El proceso de ensamblaje requerido para los disipadores de calor clásicos consta de tres pasos costosos y de gran intensidad de mano de obra.

Para comenzar, el metal que sirve como el disipador de calor debe ser perforado o cortado a la forma requerida. La capa de adhesivo también se debe cortar o estampar para un ajuste de precisión entre la placa de circuito y el disipador de calor. Por último, pero no menos importante, el disipador térmico debe estar posicionado correctamente en la PCB y todo el paquete debe estar recubierto para resistencia eléctrica y / o contra la corrosión con una laca o capa protectora adecuada.

Normalmente, el proceso anterior no puede automatizarse y debe hacerse a mano. El tiempo y el trabajo requeridos para completar este proceso es significativo, y los resultados son inferiores a un proceso mecánicamente automatizado. En contraste, los disipadores de calor incorporados se crean durante el proceso de fabricación de PCB y no requieren ensamblaje adicional. La tecnología de circuito de cobre pesado lo hace posible. Esta tecnología permite la adición de disipadores de calor de cobre grueso prácticamente en cualquier lugar en las superficies externas de una placa. Los disipadores térmicos están galvanizados en la superficie y, por lo tanto, están conectados a las vías conductoras de calor sin ninguna interfaz que impida la conductividad térmica.

Otro beneficio es el cobreado añadido en las vías de calor, que reduce la resistencia térmica del diseño de la placa, al darse cuenta de que pueden esperar el mismo grado de precisión y repetibilidad inherente en la fabricación de PCB. Debido a que los devanados planos son en realidad trazas conductoras planas formadas en el laminado revestido de cobre, mejoran la densidad de corriente general en comparación con los conductores de alambre cilíndricos. Este beneficio se debe a la minimización del efecto de la piel y la mayor eficiencia de transporte de corriente.

Los planificadores a bordo logran un excelente aislamiento dieléctrico de primario a secundario y de secundario a secundario, ya que se utiliza el mismo material dieléctrico entre todas las capas, asegurando la encapsulación completa de todos los devanados. Además, los devanados primarios se pueden derramar de modo que los devanados secundarios estén intercalados entre los primarios, logrando una baja inductancia de fuga. Las técnicas estándar de laminación de PCB, que utilizan una variedad de resinas epoxi, pueden interconectar con seguridad hasta 50 capas de devanados de cobre de hasta 10 onzas / pie2.

Durante la fabricación de circuitos pesados de cobre, generalmente estamos lidiando con espesores de chapado significativos; por lo tanto, se deben hacer concesiones al definir separaciones de trazas y tamaños de parches. Por esta razón, se aconseja a los diseñadores que tengan al fabricante de la placa a bordo al principio del proceso de diseño.

Los productos de electrónica de potencia que utilizan circuitos pesados de cobre han estado en uso durante muchos años en la industria militar y aeroespacial y están ganando impulso como una tecnología de elección en aplicaciones industriales. Se cree que los requisitos del mercado extenderán la aplicación de este tipo de productos en el futuro cercano.

Referencias

1. IPC -2221A