Công nghệ sản xuất PCB đồng dày: Thúc đẩy điện tử dòng điện cao

Hình ảnh nhân bản của khách hàng

PCB đồng nặng ốp được xác định bởi các dấu vết đồng và mặt phẳng với độ dày 3oz (105μm) hoặc lớn hơn ốp là xương sống của các hệ thống điện tử công suất cao.Từ biến tần xe điện (EV) đến bộ điều khiển động cơ công nghiệp, các bảng mạch chuyên dụng này cung cấp khả năng mang dòng điện và hiệu suất nhiệt cần thiết cho điện tử công suất hiện đại.tiến bộ trong công nghệ sản xuất đồng nặng đã mở rộng khả năng của họ, cho phép các bảng mỏng hơn với số lượng dòng cao hơn và độ tin cậy được cải thiện.

Hướng dẫn này khám phá các công nghệ sản xuất mới nhất cho PCB đồng nặng, những lợi thế chính của chúng so với các thiết kế đồng tiêu chuẩn,và làm thế nào các nhà sản xuất đang vượt qua những thách thức truyền thống để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng công suất cao.

Những điểm quan trọng
1. PCB đồng nặng (3oz +) xử lý dòng điện nhiều hơn 2 ¢ 5 lần so với PCB đồng 1oz tiêu chuẩn, với độ dẫn nhiệt tốt hơn 40 ¢ 60% để buông nhiệt.
2Các kỹ thuật mạ mạ tiên tiến (động vật hóa trực tiếp, mạ xung) hiện đạt được độ dày đồng nhất (± 5%) trên các tấm lớn, rất quan trọng đối với các đường dẫn điện 50A+.
3.Laser ablation và plasma etching cho phép chiều rộng dấu vết mỏng hơn (0,2mm) trong các thiết kế đồng nặng, cân bằng công suất dòng điện cao với tính toàn vẹn tín hiệu.
4Chi phí sản xuất cho PCB đồng nặng cao gấp 2×4 lần so với PCB tiêu chuẩn, nhưng độ bền của chúng làm giảm chi phí hệ thống 15×25% thông qua tuổi thọ dài hơn và ít thùng dissipator nhiệt hơn.

PCB đồng nặng là gì?
PCB đồng nặng có các dấu vết đồng, mặt phẳng và đường ống với độ dày bắt đầu từ 3oz (105μm), kéo dài đến 20oz (700μm) cho các ứng dụng cực cao.Đồng dày này mang lại hai lợi ích quan trọng:
1Năng lượng điện dòng cao: Đồng dày hơn làm giảm điện trở (luật Ohm), cho phép dòng 30 ∼ 200A mà không bị quá nóng.trong khi một dấu vết 10oz (350μm) mang 80A trong cùng một chiều rộng.
2Độ dẫn nhiệt vượt trội: Độ dẫn nhiệt cao của đồng (401 W / m · K) lan truyền nhiệt từ các thành phần điện (ví dụ: IGBT, MOSFET) trên toàn bộ bảng, giảm điểm nóng 30 ∼ 50 ° C.
Các đặc tính này làm cho PCB đồng nặng trở nên không thể thiếu trong EV, hệ thống năng lượng tái tạo và máy móc công nghiệp, nơi mật độ điện và độ tin cậy là không thể thương lượng.

Công nghệ sản xuất PCB đồng nặng
Sản xuất PCB đồng nặng đòi hỏi các quy trình chuyên biệt để xử lý đồng dày trong khi duy trì độ chính xác. Dưới đây là các công nghệ chính thúc đẩy sản xuất của chúng:
1. Chất lắng đọng đồng: Xây dựng lớp dày, đồng nhất
Việc lắng đọng đồng dày đồng đều là thách thức quan trọng nhất trong sản xuất PCB đồng nặng.:
a. Pulse Plating: Sử dụng dòng xung (chu kỳ bật / tắt) thay vì DC liên tục, giảm "sự tích tụ cạnh" (thùng đồng dày hơn ở các cạnh dấu vết). Điều này đạt được sự đồng nhất độ độ dày ± 5% trên các tấm 18 "× 24".± 15% với lớp phủ thông thường.
b.Direct Metallization: Bỏ qua các lớp hạt đồng không điện truyền thống, sử dụng các polymer dẫn điện để liên kết đồng trực tiếp với dielectric.Điều này loại bỏ các vấn đề gắn kết trong thiết kế đồng 10 20oz, làm giảm delamination bằng 40%.
c. Bảng đồng niêm mạc: Đối với đồng cực dày (10 ′′ 20 oz), các tấm đồng niêm mạc trước (được liên kết với dielectric trong máy in) thay thế mạ.Phương pháp này cắt giảm thời gian sản xuất 50% cho thiết kế 20oz nhưng giới hạn dấu vết mịn đến 0.5mm+.

2- Chữ khắc: Chi tiết trong đồng dày
Chụp đồng dày (≥3oz) để tạo ra dấu vết đòi hỏi các quy trình hung hăng hơn đồng 1oz tiêu chuẩn:
a.Plasma Etching: Sử dụng khí ion hóa (O2, CF4) để khắc đồng, đạt được chiều rộng dấu vết mỏng hơn (0,2mm) trong các thiết kế 3 ′′ 5 oz.Chụp plasma chậm hơn 2 lần so với khắc hóa học nhưng giảm 70% cắt giảm (chụp quá mức dưới kháng), rất quan trọng đối với các dấu vết dòng điện cao, nơi độ chính xác chiều rộng ảnh hưởng đến công suất hiện tại.
b.Laser Ablation: Đối với đồng 510oz, laser (CO2 hoặc sợi) chọn lọc loại bỏ đồng mà không kháng cự, tạo ra các mẫu phức tạp (ví dụ: dấu vết 0,3mm với khoảng cách 0,3mm).Laser ablation là lý tưởng cho các nguyên mẫu hoặc chạy với khối lượng nhỏ, vì nó tránh mặt nạ chụp ảnh đắt tiền.
c. Chất khắc hóa học (Tăng cường): Chất khắc biến đổi (chlorua sắt với phụ gia) tăng tốc độ khắc đồng 3 ̊5 oz, với áp suất phun tối ưu để ngăn ngừa loại bỏ không đồng đều.Đây vẫn là phương pháp hiệu quả nhất về chi phí cho sản xuất khối lượng lớn.

3Thông qua việc lấp đầy và mạ: Đảm bảo kết nối điện cao
Các đường viền trong PCB đồng nặng phải mang dòng điện lớn, đòi hỏi các thùng được lấp đầy hoặc phủ dày:
a. Than qua lấp: Điện áp lấp đầy đường ống hoàn toàn bằng đồng, tạo ra các dây dẫn rắn xử lý 20 ‰ 50A (so với 10 ‰ 20A cho đường ống được mạ tiêu chuẩn).Các đường viền đầy cũng cải thiện độ dẫn nhiệt, chuyển nhiệt từ các lớp bên trong sang các mặt phẳng bên ngoài.
b. Độ dày cao thông qua mạ: Đối với các đường ống quá lớn để lấp đầy, mạ với đồng 75-100μm (3-4x độ dày tiêu chuẩn) đảm bảo dung lượng hiện tại.Bọc xung được sử dụng ở đây để duy trì độ dày thùng đồng đều, ngăn ngừa "đau cổ" (các phần mỏng hơn) gây quá nóng.

4Lamination: Lớp liên kết mà không có delamination
PCB đồng nặng thường sử dụng các thiết kế đa lớp, đòi hỏi lớp phủ mạnh mẽ để ngăn chặn sự tách lớp:
a. Lamination áp suất được kiểm soát: Các máy in có hồ sơ áp suất có thể lập trình (tăng dần lên 300 ∼ 500 psi) đảm bảo liên kết đúng giữa đồng và điện môi, ngay cả với đồng 10oz +.Điều này làm giảm delamination bằng 60% so với. Lamination tiêu chuẩn.
b.Đi điện cao Tg: FR4 với nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh (Tg) ≥ 170 °C (so với 130 °C cho FR4 tiêu chuẩn) chịu được nhiệt độ cao hơn do đồng nặng tạo ra,ngăn ngừa sự phân hủy nhựa trong quá trình sơn và vận hành.

Ưu điểm của các công nghệ sản xuất đồng nặng tiên tiến
Những tiến bộ sản xuất này đã mở ra khả năng mới cho PCB đồng nặng:

1. Mật độ dòng điện cao hơn
Dấu vết mịn hơn, dòng điện nhiều hơn: Laser ablation và plasma etching cho phép dấu vết 0,2 mm trong đồng 3oz 30% hẹp hơn trước đây.lắp đặt nhiều đường dẫn điện hơn trong các hệ thống quản lý pin xe điện nhỏ gọn (BMS).
Phân tích cắt ngang giảm: Bọc cao đạt được độ dày đồng đều, do đó, các nhà thiết kế có thể chỉ định các dấu vết mỏng hơn (với cùng dung lượng hiện tại) để tiết kiệm không gian.Một dấu vết đồng 5oz bây giờ có thể thay thế một dấu vết 7oz, giảm trọng lượng tấm bằng 15%.

2. Tăng hiệu suất nhiệt
Phân bố nhiệt tốt hơn: Các mặt phẳng đồng nhất (được đạt được thông qua sơn xung) phân bố nhiệt bằng 40% đồng đều hơn các lớp không đồng đều, loại bỏ các điểm nóng trong các động cơ công nghiệp 100A +.
Các máy thu nhiệt tích hợp: Các mặt phẳng đồng dày hoạt động như các máy thu nhiệt tích hợp, làm giảm nhu cầu làm mát bên ngoài.

3. Tăng độ tin cậy
Giảm mệt mỏi: Việc kim loại hóa trực tiếp cải thiện độ dính đồng, làm cho các dấu vết chống lại rung động (20G) và chu trình nhiệt (-40 ° C đến 125 ° C).Điều này kéo dài tuổi thọ bằng 2 ¢ 3x trong các ứng dụng ô tô.
Rủi ro thất bại thấp hơn: Các đường viền đầy loại bỏ các lỗ hổng (bộ khí) gây ra vòng cung, giảm 50% thất bại trường trong các hệ thống điện áp cao (600V +).

Các ứng dụng của PCB đồng nặng
Các công nghệ sản xuất tiên tiến đã mở rộng các trường hợp sử dụng PCB đồng nặng trên các ngành công nghiệp:
1Xe điện (EV) và xe điện lai
Inverter: Chuyển đổi điện pin DC thành AC cho động cơ, sử dụng các dấu vết đồng 3 ′′ 10oz để xử lý 100 ′′ 300A. Đồng đâm bảo đảm phân phối dòng đồng đều, ngăn ngừa quá nóng.
Hệ thống quản lý pin (BMS): Các dấu vết đồng 5oz kết nối các tế bào pin, với các ống điền đầy đủ cho phép cân bằng dòng điện cao (20A) trong các mô-đun nhỏ gọn.

2. Năng lượng tái tạo
Inverter mặt trời: PCB đồng 7 ′′ 10 oz xử lý 50 ′′ 100A từ các tấm pin mặt trời, với các mặt phẳng đồng dày phân tán nhiệt từ các chất bán dẫn điện.
Các bộ điều khiển tuabin gió: 10 ′′ 15 oz đồng chịu được dòng điện 150A trong các bộ điều khiển pitch tuabin, với tấm đồng mạ laminated đảm bảo độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.

3Máy chế tạo công nghiệp
Động cơ Động cơ: PCB đồng 3 ′′ 7 oz trong ổ đĩa tần số biến (VFD) mang 30 ′′ 80A, với các dấu vết được khắc bằng plasma phù hợp với vỏ kín.
Thiết bị hàn: 15 ′′ 20 oz đồng xử lý dòng điện 200A + trong nguồn điện hàn, sử dụng kim loại hóa trực tiếp để ngăn ngừa phân mảnh dưới nhiệt độ cao.

4Không gian và Quốc phòng
Đơn vị phân phối điện (PDU): 5 ′′ 10 oz PCB đồng trong máy bay phân phối 50 ′′ 100A, với các đường viền đầy đảm bảo độ tin cậy ở độ cao 40.000 ft.
Hệ thống radar: Máy bay đồng nặng đóng vai trò là hai chất dẫn điện và thùng nhiệt cho các máy phát điện công suất cao, giảm trọng lượng 20% so với các thiết kế truyền thống.

Các cân nhắc về chi phí và ROI
PCB đồng nặng có giá cao hơn 2 ¢ 4 lần so với PCB 1 oz tiêu chuẩn do các vật liệu và quy trình chuyên biệt. Tuy nhiên, tổng chi phí sở hữu của chúng thường thấp hơn:
a.Giảm chi phí thành phần: Phân phối nhiệt tích hợp loại bỏ (5 ̊) 20 thùng thu nhiệt trong các thiết kế công suất cao.
b. Tuổi thọ dài hơn: Tuổi thọ hoạt động dài hơn 2×3 lần làm giảm chi phí thay thế trong các hệ thống công nghiệp và hàng không vũ trụ.
c. Dấu chân nhỏ hơn: Mật độ dòng cao hơn giảm kích thước bảng bằng 20-30%, tiết kiệm chi phí đóng và vận chuyển.
Ví dụ: 1000 đơn vị chạy các biến tần EV đồng 5oz chi phí (20,000 nhiều trước so với PCB 1oz nhưng tiết kiệm) 30,000 trong thùng tản nhiệt và (15,000 trong yêu cầu bảo hành) 25000 tiết kiệm.

FAQ
Q: Độ dày đồng tối đa cho PCB đồng nặng là bao nhiêu?
A: Sản xuất thương mại hỗ trợ lên đến 20oz (700μm), mặc dù các thiết kế tùy chỉnh có thể đạt 30oz (1050μm) cho các ứng dụng quân sự chuyên dụng.

Q: PCB đồng nặng có thể hỗ trợ tín hiệu tốc độ cao không?
Đáp: Vâng, khắc plasma cho phép các dấu vết 0,2 mm với trở kháng được kiểm soát (50Ω/100Ω), làm cho chúng phù hợp với tín hiệu 1Gbps trong các hệ thống điện tử điện với truyền thông (ví dụ: xe buýt EV CAN).

Hỏi: PCB đồng nặng xử lý chu kỳ nhiệt như thế nào?
A: Lamination tiên tiến và kim loại hóa trực tiếp làm giảm căng thẳng đệm đồng, cho phép 1.000 + chu kỳ nhiệt (-40 ° C đến 125 ° C) mà không cần delamination đáp ứng các tiêu chuẩn IPC-6012 lớp 3.

Q: PCB đồng nặng có tương thích với hàn không chì không?
A: Vâng Ống điện cao Tg và gắn kết đồng mạnh mẽ chịu được nhiệt độ tái chảy không chì 260 °C mà không bị phân hủy.

Q: Thời gian thực hiện điển hình cho PCB đồng nặng là bao nhiêu?
A: 4 ′′ 6 tuần cho nguyên mẫu (3 ′′ 5 oz), 6 ′′ 8 tuần cho sản xuất khối lượng lớn (5 ′′ 10 oz).

Kết luận
Công nghệ sản xuất cho PCB đồng nặng đã tiến bộ đáng kể, cho phép các bảng mỏng hơn, đáng tin cậy hơn và hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng công suất cao.Từ sơn xung cho độ dày đồng đều đến cắt bỏ bằng laser cho các dấu vết mỏng, những đổi mới này đã mở rộng vai trò của PCB đồng nặng trong xe điện, năng lượng tái tạo và hệ thống công nghiệp, nơi mật độ điện và độ bền là rất quan trọng.
Trong khi PCB đồng nặng mang lại chi phí ban đầu cao hơn, khả năng giảm kích thước hệ thống, loại bỏ các thùng nhiệt và kéo dài tuổi thọ làm cho chúng trở thành một lựa chọn hiệu quả về chi phí cho độ tin cậy dài hạn.Khi nhu cầu về điện tử dòng điện cao tăng lên, tiến bộ hơn nữa trong lắng đọng, khắc,và lamination sẽ tiếp tục đẩy ranh giới của những gì PCB đồng nặng có thể đạt được, củng cố vị trí của họ như là một công nghệ nền tảng trong tương lai điện tử công suất.