Thiết kế PCB đồng nặng cho các ứng dụng dòng điện cao: Hướng dẫn toàn diện

Hình ảnh nhân bản của khách hàng

Trong các thiết bị điện tử công suất cao, từ biến tần xe điện (EV) đến động cơ công nghiệp, PCB đồng 1 oz tiêu chuẩn không đủ.Các hệ thống này yêu cầu PCB có thể xử lý dòng 30A đến 200A mà không quá nóng, chống lại chu kỳ nhiệt, và duy trì tính toàn vẹn tín hiệu.chúng được thiết kế để giải quyết những thách thức độc đáo của thiết kế dòng điện cao.

Thiết kế PCB đồng nặng không chỉ là sử dụng đồng dày hơn, nó đòi hỏi phải xem xét cẩn thận hình học dấu vết, khả năng tương thích vật liệu, quản lý nhiệt và khả năng sản xuất.Hướng dẫn này giải quyết các nguyên tắc quan trọng của thiết kế PCB đồng nặng cho các ứng dụng dòng điện cao, từ lựa chọn vật liệu đến thiết kế thực tiễn tốt nhất, và giải thích cách tránh những cạm bẫy phổ biến.tài nguyên này sẽ giúp bạn tạo ra đáng tin cậy, bảng hiệu suất cao.

Những điểm quan trọng
1Các dấu vết đồng nặng (3oz +) xử lý 2 ′′ 5 lần nhiều dòng điện hơn đồng 1oz tiêu chuẩn: một dấu vết 3oz (105μm) mang 30A, trong khi một dấu vết 10oz (350μm) hỗ trợ 80A trong cùng một chiều rộng.

2Các yếu tố thiết kế quan trọng bao gồm chiều rộng / độ dày dấu vết (theo tiêu chuẩn IPC-2221), mô hình giảm nhẹ nhiệt (giảm điểm nóng 40%),và thông qua lấp đầy (các đường ống đồng rắn mang dòng 3 lần nhiều hơn các đường ống bọc).

3Các chất nền Tg cao (≥ 170 °C) và các lớp lót chứa gốm không thể trao đổi cho các thiết kế dòng điện cao, vì chúng chịu được nhiệt độ hoạt động 150 °C+.

4So với PCB tiêu chuẩn, thiết kế đồng nặng làm giảm sức đề kháng nhiệt 60% và kéo dài tuổi thọ của các thành phần gấp 2 lần trong các hệ thống công suất cao.

Điều gì làm cho PCB đồng nặng lý tưởng cho các ứng dụng dòng điện cao?
Các mạch dòng điện cao tạo ra nhiệt đáng kể (theo Luật Joule: P = I2R), và PCB tiêu chuẩn phải vật lộn để tiêu hao năng lượng này.

a. Kháng điện thấp hơn: Đồng dày hơn làm giảm kháng (R = ρL / A, nơi A = diện tích cắt ngang), giảm thiểu mất điện và tạo ra nhiệt.Một vết đồng 3oz có 66% ít kháng hơn một vết 1oz của cùng một chiều rộng.
b. Chế độ dẫn nhiệt cao hơn: Chế độ dẫn nhiệt của đồng (401 W/m·K) cao hơn 1,300 lần so với FR4 (0,3 W/m·K).phân tán nhiệt ra khỏi các thành phần như IGBT và MOSFET.
c. Cải thiện độ bền cơ học: Đồng dày (đặc biệt là 5oz +) chống lại sự mệt mỏi từ chu kỳ nhiệt (-40 °C đến 125 °C) và rung động, giảm vết nứt - điểm thất bại phổ biến trong PCB tiêu chuẩn.

Độ dày đồng nặng so với khả năng chịu điện
Mối quan hệ giữa độ dày đồng và dòng không tuyến tính.Dưới đây là một tài liệu tham khảo thực tế cho các thiết kế dòng điện cao (dựa trên IPC-2221 và thử nghiệm công nghiệp, giả sử 25 °C môi trường xung quanh và chiều dài dấu vết 10cm):

Lưu ý: Đối với dòng > 100A, sử dụng các dấu vết song song (ví dụ, hai dấu vết 10oz, 1,5mm cho 200A) để tránh chiều rộng dấu vết quá lớn và các thách thức sản xuất.

Nguyên tắc thiết kế quan trọng cho PCB đồng nặng
Thiết kế PCB đồng nặng cho dòng điện cao đòi hỏi phải cân bằng hiệu suất điện, quản lý nhiệt và khả năng sản xuất.

1. Tính toán Trace Width và Thickness cho Target Current
Nền tảng của thiết kế dòng điện cao là kích thước các dấu vết để xử lý dòng điện dự kiến mà không quá nóng.

a. Theo tiêu chuẩn IPC-2221: Thông số kỹ thuật IPC-2221 cung cấp công thức cho chiều rộng dấu dựa trên dòng, nhiệt độ tăng và độ dày đồng.Để tăng nhiệt độ 10 °C (thường xảy ra trong các thiết kế đáng tin cậy cao):
3oz đồng: 0.8mm chiều rộng = 25A
5oz đồng: 0.8mm chiều rộng = 38A
b.Đánh giá nhiệt độ xung quanh: Trong môi trường nóng (ví dụ: khoang động cơ EV, 85 °C), giảm dòng điện 30~40% (xem bảng trên).
c. Tránh quá kích thước: Trong khi đồng dày hơn là tốt hơn cho hiện tại, đồng 15oz + trở nên khó khắc và mài ốp ốp 10oz tối đa cho hầu hết các ứng dụng thương mại.

Đề xuất công cụ: Sử dụng máy tính trực tuyến như Máy tính PCB Trace Width (từ Sierra Circuits) hoặc công cụ xếp hạng dòng tích hợp của Altium để xác nhận kích thước.

2Ưu tiên quản lý nhiệt
Ngay cả với đồng dày, các thành phần dòng điện cao (ví dụ: IGBT, điện kháng cự) tạo ra điểm nóng.

a. Thermal Relief Pads: Kết nối các thành phần năng lượng với các máy tính đồng nặng bằng cách sử dụng các mô hình thermal relief pads có khe cắm cân bằng chuyển nhiệt và khả năng hàn.Một 5mm × 5mm đệm cứu nhiệt cho một TO-220 thành phần giảm nhiệt độ điểm nóng bằng 40% so với. một miếng đệm rắn.
b.Cốp máy bay để lan truyền nhiệt: Sử dụng 3 ′′ 5oz máy bay đồng (không chỉ là dấu vết) dưới các thành phần điện. Một máy bay đồng 5oz lan truyền nhiệt nhanh hơn 2x so với một máy bay 3oz.
c. Các đường nhiệt: Thêm các đường nhiệt chứa đồng (0,3 ∼ 0,5 mm đường kính) xung quanh các thành phần nóng để chuyển nhiệt đến các mặt phẳng bên trong / bên ngoài.Các đường ống không gian cách nhau 1-2mm để đạt hiệu quả tối đa 10 đường ống nhiệt làm giảm nhiệt độ thành phần 15-20 °C.
d. Tránh khắt khe dấu vết: Thu hẹp dấu vết 10oz, 1,5mm xuống 0,8mm cho một đầu nối tạo ra một nút thắt, tăng nhiệt độ 25 °C. Sử dụng các cones dần dần (tỷ lệ 1: 3) nếu cần thay đổi chiều rộng.

Nghiên cứu trường hợp: Một nguồn điện công nghiệp 50A sử dụng 5 oz đồng và 12 đường nhiệt đã làm giảm nhiệt độ nối IGBT từ 120 ° C xuống 85 ° C, kéo dài tuổi thọ của thành phần từ 3 năm lên 7 năm.

3. Tối ưu hóa thông qua thiết kế cho dòng điện cao
Các đường vi thường bị bỏ qua trong thiết kế dòng điện cao, nhưng chúng rất quan trọng để kết nối các lớp và vận chuyển dòng điện:

a. Sử dụng các đường viền chứa đồng: Các đường viền được mạ tiêu chuẩn (25μm đồng) mang 10 ̊15A; các đường viền chứa đồng (trọng lượng đồng rắn) mang 30 ̊50A, tùy thuộc vào đường kính. A 0.5mm được lấp đầy thông qua các ổ 35A Ưu tiên cho các kết nối liên kết EV BMS.
b.Tăng đường kính đường dẫn: Đối với dòng > 50A, sử dụng nhiều đường dẫn (ví dụ, bốn đường dẫn đầy 0,5mm cho 120A) hoặc đường dẫn lớn hơn (0,8mm đường kính = 50A mỗi đường dẫn đầy).
c. Tránh Via Stubs: Không sử dụng via stubs (thường xảy ra trong đường ống thông qua lỗ) tạo ra sự không phù hợp trở lại và nhiệt.

4. Chọn các tài liệu tương thích
PCB đồng nặng đòi hỏi vật liệu chịu được nhiệt độ cao và căng thẳng cơ học:

a. Substrate (vật liệu cốt lõi):
FR4 Tg cao (Tg ≥170 °C): Tiêu chuẩn cho hầu hết các thiết kế dòng điện cao (ví dụ: EV BMS).
FR4 chứa gốm (ví dụ, Rogers RO4835): Độ dẫn nhiệt 0,6 W / m · K (2 lần cao hơn FR4 tiêu chuẩn) làm cho nó lý tưởng cho các hệ thống 70A + như biến tần mặt trời.
PCB lõi kim loại (MCPCBs): Kết hợp đồng nặng với lõi nhôm / đồng cho độ dẫn nhiệt 1 ′′ 5 W / m · K ′′ được sử dụng trong các trình điều khiển LED công suất cao và các mô-đun sạc EV.
b. Loại tấm đồng:
Đồng điện phân: Hiệu quả về chi phí cho độ dày 3 ̊7 oz; phù hợp với hầu hết các ứng dụng.
Đồng cuộn: Độ dẻo cao hơn (chống nứt) cho đồng 10oz + và PCB đồng nặng linh hoạt (ví dụ: cáp sạc EV có thể gập lại).
c. Mặt nạ hàn: Sử dụng mặt nạ hàn nhiệt độ cao (Tg ≥ 150 °C) như DuPont PM-3300, chống lại dòng chảy 260 °C và ngăn ngừa oxy hóa đồng.

Bảng so sánh vật liệu:

5. Layout Best Practices for Manufacturability (Các thực hành tốt nhất cho khả năng sản xuất)
Đồng nặng (đặc biệt là 7oz +) khó khắc và lót hơn đồng tiêu chuẩn. Tránh những sai lầm bố trí phổ biến này:

a. Khoảng cách dấu vết: duy trì chiều rộng dấu vết ≥ 2x giữa các dấu vết đồng nặng để ngăn ngừa các vấn đề khắc. Đối với dấu vết 1,0 mm, 5 oz, sử dụng khoảng cách 2,0 mm.
b. Khả năng làm sạch cạnh: Giữ các dấu vết đồng nặng ≥1,5 mm từ các cạnh PCB để tránh phân mảnh trong quá trình phân mảnh.
c. Bồi thường khắc: Sắt đồng nặng khắc chậm hơn ✓ thêm 0,05 ✓ 0,1 mm vào chiều rộng dấu vết trong thiết kế của bạn để tính toán tổn thất khắc (ví dụ: thiết kế dấu vết 1,05 mm cho chiều rộng cuối cùng 1,0 mm).
d. Đặt thành phần: Tránh đặt các thành phần SMD (ví dụ, kháng cự 0402) trong phạm vi 2mm của các dấu vết đồng nặng. Nhiệt từ dấu vết có thể làm hỏng các thành phần nhỏ trong khi hàn.

Layout Error vs. Solution Table:

Chiến lược thiết kế tiên tiến cho hệ thống dòng cực cao (100A+)
Đối với các hệ thống như biến tần EV (150A +) và máy chỉnh sửa công nghiệp (200A +), thiết kế đồng nặng cơ bản là không đủ.

1. Đường dẫn theo dõi song song
Thay vì một dấu vết rộng duy nhất (ví dụ, 3mm 10oz), sử dụng 2 ′′ 4 dấu vết song song (ví dụ, hai dấu vết 1,5mm 10oz) để:

a. Giảm khó khăn khắc (dấu vết rộng có xu hướng giảm giá).
b. Cải thiện phân phối dòng (dấu vết song song giảm thiểu biến đổi kháng cự).
c. Cho phép đặt thành phần dễ dàng hơn (các dấu vết hẹp hơn giải phóng không gian trên tàu).

Quy tắc cơ bản: Các dấu vết song song không gian ≥ 1 lần chiều rộng của chúng để tránh nóng lẫn nhau 2 dấu vết 1,5 mm 10 oz cách nhau 1,5 mm mang 160A (so với 80A cho một dấu vết 1,5 mm).

2. Bus Bars tích hợp
Đối với dòng 200A +, tích hợp các thanh bus đồng nặng (15oz + đồng, dày 2 ′′ 3mm) vào PCB:

a. Các thanh xe buýt đóng vai trò là "đường cao tốc năng lượng", mang dòng điện qua toàn bộ bảng mà không bị hạn chế.
b. Tích các thanh bus vào PCB thông qua các đường viền chứa đồng (0,8mm đường kính, cách nhau 5mm) để đảm bảo sự ổn định cơ học và điện.

Ví dụ: Một ổ động cơ công nghiệp 250A sử dụng một thanh bus đồng 20oz với 12 vias đầy, giảm mất điện 25% so với thiết kế chỉ theo dõi.

3Các vật liệu giao diện nhiệt (TIM)
Kết hợp PCB đồng nặng với TIM để chuyển nhiệt đến các tản nhiệt bên ngoài:

a. Sử dụng dầu mỡ nhiệt (khả năng dẫn nhiệt 3?? 6 W/m·K) giữa PCB và thùng tản nhiệt cho các hệ thống 50?? 100A.
b.Đối với hệ thống 100A +, sử dụng đệm nhiệt (ví dụ, Bergquist Gap Pad) với độ dẫn 8 ¢ 12 W / m · K. Chúng lấp đầy khoảng trống không khí và xử lý áp suất cao hơn.

Tác động: Một biến tần EV 100A với TIM làm giảm nhiệt độ PCB 20 °C so với không có TIM, kéo dài tuổi thọ của biến tần gấp 3 lần.

Những cạm bẫy phổ biến về thiết kế và cách tránh chúng
Ngay cả những nhà thiết kế có kinh nghiệm cũng mắc sai lầm với PCB đồng nặng.
1. Đánh giá thấp sự gia tăng nhiệt độ
Bẫy: Sử dụng một dấu vết 3oz, 1.0mm cho 35A ( vượt quá 30A) dẫn đến tăng nhiệt độ 30 °C và oxy hóa dấu vết.
Sửa chữa: Sử dụng dấu vết 5oz, 1.0mm (đồng độ 45A) hoặc dấu vết 3oz, 1.2mm (đồng độ 35A) để giữ nhiệt độ tăng <10 °C.

2. Bỏ qua áp lực chu kỳ nhiệt
Rắc rối: Đồng dày (10oz +) và FR4 tiêu chuẩn có hệ số mở rộng nhiệt (CTE) không phù hợp, gây ra vết nứt sau 500 chu kỳ nhiệt.
Sửa chữa: Sử dụng đồng cuộn (khả năng ductility cao hơn) và FR4 Tg cao (CTE gần đồng hơn) để chịu đựng hơn 1.000 chu kỳ.

3- Thảm thơi nhiệt.
Bẫy: Kết nối một máy tính đồng 5oz với một thành phần với một miếng đệm rắn bẫy nhiệt, dẫn đến thất bại khớp hàn.
Sửa chữa: Sử dụng một miếng đệm cứu nhiệt với 4 ′′ 6 khe (mỗi khe rộng 0,2 mm) để cân bằng chuyển nhiệt và khả năng hàn.

4. Ngắm nhìn Soldability
Bẫy: 10oz + dấu vết đồng có khối lượng nhiệt lớn, làm cho hàn lạnh quá nhanh và hình thành các khớp lạnh.
Sửa chữa: Nâng nhiệt PCB lên 120 °C trong quá trình hàn và sử dụng hàn nhiệt độ cao (ví dụ, SAC305, điểm nóng chảy 217 °C) với hồ sơ tái chảy dài hơn.

Ứng dụng thực tế của PCB đồng nặng trong các hệ thống dòng điện cao
PCB đồng nặng là sự biến đổi trong các ngành công nghiệp nơi mà dòng điện cao và độ tin cậy là rất quan trọng:
1Xe điện (EV) và xe điện lai
a.EV Inverters: Chuyển đổi năng lượng pin DC thành AC cho động cơ (150 ¢ 300A). Một Inverter Tesla Model Y sử dụng dấu vết đồng 5oz và đường ống chứa đồng, giảm mất điện 18% so với thiết kế 3oz.
b. Hệ thống quản lý pin (BMS): Giám sát và cân bằng các tế bào pin (2050A). 3 oz đồng trong một Chevrolet Bolt BMS đảm bảo phân phối điện đồng đều, kéo dài tuổi thọ pin 2 năm.
c. Các mô-đun sạc: Các hệ thống sạc nhanh (100 ~ 200A) sử dụng các thanh bus đồng 7oz và MCPCB nhôm để xử lý dòng điện cao và phân tán nhiệt.

2. Năng lượng tái tạo
a. Máy biến tần mặt trời: Chuyển đổi năng lượng mặt trời DC thành AC (50100A). 5oz PCB FR4 chứa gốm trong một máy biến tần mặt trời 10kW làm giảm nhiệt độ điểm nóng 25 °C, cải thiện hiệu quả 3%.
b.Điều khiển tuabin gió: Quản lý độ cao và công suất tuabin (80 ∼ 120A). PCB đồng cuộn 10oz chịu rung động (20G) và biến động nhiệt độ (-40 °C đến 85 °C), giảm chi phí bảo trì 20 đô la,000 mỗi tua-bin mỗi năm.

3Máy chế tạo công nghiệp
a. Động cơ điều khiển: Kiểm soát tốc độ động cơ AC (3080A). Một ổ Siemens Sinamics V20 sử dụng 5 oz đồng và đường nhiệt, cắt giảm kích thước ổ bằng 30% so với thiết kế PCB tiêu chuẩn.
b. Thiết bị hàn: Cung cấp các vòng cung điện cao (150 ~ 200A). 15oz thanh bus đồng trong tay cầm máy hàn Lincoln Electric 200A mà không quá nóng, đảm bảo chất lượng hàn nhất quán.

4Các thiết bị y tế
a. Thiết bị chống rung động di động: cung cấp các cú sốc 300A (tạm thời). PCB đồng nặng với dấu vết 10oz và ống dẫn chứa đồng đảm bảo cung cấp năng lượng đáng tin cậy, rất quan trọng cho việc sử dụng khẩn cấp.
b. Máy lọc máu: Máy bơm và máy sưởi (2040A). 3oz PCB FR4 Tg cao chống lại hóa chất khử trùng và duy trì sự ổn định, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 13485.

Câu hỏi thường gặp về thiết kế PCB đồng nặng cho dòng điện cao
Hỏi: Độ dày đồng tối đa mà tôi có thể sử dụng cho PCB đồng nặng là bao nhiêu?
A: Các nhà sản xuất thương mại hỗ trợ đến 20oz (700μm) đồng, mặc dù 10oz là giới hạn thực tế cho hầu hết các thiết kế (15oz + yêu cầu thiết bị khắc chuyên dụng).Thiết kế quân sự / hàng không vũ trụ tùy chỉnh có thể đạt 30oz (1050μm) cho các nhu cầu hiện tại cực kỳ cao.

Q: PCB đồng nặng có thể hỗ trợ tín hiệu tốc độ cao (ví dụ: 5G) không?
A: Vâng, với thiết kế cẩn thận. Sử dụng 3 ′′ 5 oz đồng cho đường dẫn điện và 1 oz đồng cho các dấu vết tốc độ cao (để duy trì trở ngại được kiểm soát).1mm cho tín hiệu 1Gbps+.

Q: Làm thế nào tôi kiểm tra một PCB đồng nặng cho hiệu suất hiện tại cao?
A: Thực hiện các xét nghiệm sau:

Chu trình dòng điện: áp dụng 120% dòng điện định giá trong 1.000 chu kỳ (-40 °C đến 125 °C) để kiểm tra vết nứt.
Hình ảnh nhiệt: Sử dụng máy ảnh hồng ngoại để lập bản đồ các điểm nóng, nhiệt độ nên ở < 125 ° C cho 85 ° C xung quanh.
đo kháng cự: Theo dõi kháng cự theo thời gian; sự gia tăng > 10% cho thấy oxy hóa hoặc tổn thương.

Q: Phần mềm thiết kế nào là tốt nhất cho PCB đồng nặng?
A: Altium Designer và Cadence Allegro có các công cụ tích hợp cho đồng nặng:

Altium: ¢ Heavy Copper ¢ kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) và máy tính xếp hạng hiện tại.
Cadence: Các mô-đun phân tích nhiệt để mô phỏng phân phối nhiệt.

Q: Một PCB đồng nặng có giá bao nhiêu so với một PCB tiêu chuẩn?
A: 3oz đồng chi phí 2x nhiều hơn 1oz; 10oz đồng chi phí 4x5x nhiều hơn. khoản phí được bù đắp bởi giảm chi phí tản nhiệt (30x50% tiết kiệm) và tuổi thọ thành phần dài hơn.

Kết luận
Thiết kế PCB đồng nặng cho các ứng dụng dòng điện cao là một hành động cân bằng giữa công suất hiện tại và khả năng sản xuất, quản lý nhiệt và chi phí, độ bền và tính toàn vẹn tín hiệu.Bằng cách tuân thủ các tiêu chuẩn IPC, chọn đúng vật liệu, và ưu tiên giảm nhiệt và thông qua thiết kế, bạn có thể tạo ra các bảng xử lý 30A đến 200A dòng điện đáng tin cậy.

PCB đồng nặng không chỉ là một "cải tiến" so với PCB tiêu chuẩn mà còn là một điều cần thiết cho thế hệ điện tử công suất cao tiếp theo, từ xe điện đến các hệ thống năng lượng tái tạo.nhu cầu về thông minh, thiết kế đồng nặng hiệu quả sẽ chỉ tăng lên làm cho nó trở thành một kỹ năng quan trọng cho các kỹ sư và nhà sản xuất.

Chìa khóa thành công: Đừng quá kỹ thuật (ví dụ, sử dụng 10oz đồng cho một thiết kế 20A) hoặc kỹ thuật thấp (ví dụ, 3oz cho 40A).,với một nhà sản xuất có kinh nghiệm trong sản xuất đồng nặng với những bước này, bạn sẽ xây dựng PCB hoạt động dưới áp suất