Problemas de diseño en PCB de cobre grueso/pesado para aplicaciones militares y aeroespaciales

Requisitos de PCB para productos electrónicos militares/aeroespaciales

Cuando los ingenieros electrónicos se preparan para el diseño de PCB para aplicaciones militares/aeroespaciales (abreviado como "mil/aero"), deben tener en cuenta ciertos detalles y requisitos de rendimiento. Es bien sabido que tanto los productos militares como los aeroespaciales requieren múltiples condiciones de operación y un amplio rango de temperatura de funcionamiento. Deben ser capaces de soportar múltiples entornos rigurosos con calor extremo, como en el desierto, o frío extraordinario, como en el Polo Sur. Además de las temperaturas extremas, la humedad también es una consideración clave. Como resultado, en el proceso de diseño de PCBs para aplicaciones mil/aero, se deben considerar cuidadosamente las condiciones especiales de trabajo de los productos, como la temperatura y la humedad.

La fiabilidad de los productos militares y aeroespaciales ha sido una de las principales preocupaciones en las que los ingenieros de diseño de PCB deben centrarse. Como aspecto clave de la fiabilidad de los productos, la vida útil se ha considerado un criterio de evaluación fundamental. Tomemos como ejemplo un misil. No se le permite explotar hasta que impacta en el objetivo, lo que significa que debe funcionar normalmente en un entorno benigno y presenta una vida útil relativamente corta. Los ingenieros solían preferir reducir la complejidad de las placas de circuito utilizadas en las industrias militar y aeroespacial precisamente debido a la alta fiabilidad de los productos militares/aeroespaciales. Los departamentos militares y aeroespaciales dudaban en conocer las nuevas técnicas de fabricación de productos electrónicos hasta que se hubiera demostrado su viabilidad en las industrias correspondientes. Sin embargo, en la actualidad, los requisitos funcionales de los productos electrónicos militares/aeroespaciales impiden que los ingenieros de diseño electrónico se limiten únicamente a ideas de diseño simples y a la experiencia. Algunos de ellos han empezado a adoptar las técnicas de fabricación de PCB de nueva aparición.

Con el aumento de las técnicas y la complejidad de las PCB, los ingenieros electrónicos deben concentrarse tanto en las reglas de diseño de PCB como en las tecnologías de fabricación de PCB, de modo que los productos alcancen un equilibrio óptimo entre los requisitos de seguridad, costo y rendimiento, lo que conduce al menor riesgo de fabricación.

La fabricación exitosa de PCB depende de una comunicación frecuente y fluida entre los ingenieros de diseño electrónico y los ingenieros de fabricación, lo cual debe tenerse en cuenta. Los ingenieros de diseño deben conocer plenamente las capacidades detalladas del fabricante, como el ancho de pista, el espaciado, el tamaño de las almohadillas y el diámetro de las vías, etc. Además, deben tener en cuenta todos los requisitos en términos de tipo de PCB, material, estructura de orificios pasantes y potencia.

Cuando se trata del diseño de productos militares/aeroespaciales, los ingenieros deben cumplir con las normas MIL. También se pueden aplicar otras normas de calidad como referencia. Por ejemplo, la norma IPC puede utilizarse por sus puntos de inspección y su estándar de calidad.

Actualmente, la gente tiende a mostrar una preferencia por materiales de sustrato de transmisión de alta velocidad, que abarcan una amplia gama de variación en los parámetros de rendimiento. En estructuras de productos electrónicos más complejos, la hoja de datos proporcionada por los proveedores de sustratos solo puede indicar que cierto tipo de material de sustrato funciona mejor que otros tipos. Sin embargo, la experiencia del fabricante de PCB nunca debe subestimarse porque, hasta cierto punto, ellos conocen de manera auténtica el rendimiento del material de sustrato, especialmente de acuerdo con las situaciones prácticas. Por ejemplo, aunque los diseñadores de PCB pueden calcular la impedancia de las pistas, diferentes métodos de fabricación posiblemente harán que la impedancia no sea compatible con los requisitos de diseño.

La estructura también desempeña un papel importante en las PCB militares/aeroespaciales porque ayuda a evitar costos innecesarios o a reducir el riesgo derivado de estructuras complejas. Y para productos electrónicos militares/aeroespaciales más complejos, sus estructuras también influyen en la fabricabilidad de los productos.

Históricamente, el tema de los costos rara vez se consideraba en los productos electrónicos militares y aeroespaciales. Pero hay que admitir que el aumento del costo de fabricación del producto en realidad sería beneficioso para la reducción de riesgos en el proceso de fabricación, lo cual, después de todo, vale la pena. En el procedimiento de introducción de PCB, el riesgo puede reducirse mediante el aumento del período de investigación y desarrollo y la revisión de la integridad de los datos antes de la planificación de la fabricación.

PCB de cobre grueso/pesado para aplicaciones Mi/Aero

• Definición

Los productos electrónicos militares/aeroespaciales de alta potencia generan nuevos requisitos para las PCB, lo que provoca la creación dePCB de cobre grueso/pesadoo incluso PCB de cobre extremo. Los PCB de cobre pesado se refieren a placas de circuito cuyos conductores presentan un espesor de cobre dentro del rango de 137,2 μm a 686 μm, mientras que las placas de circuito cuyo espesor de cobre es superior a 686 μm o alcanza los 6860 μm se denominan PCB de cobre extremo.

Las ventajas estructurales de las PCB de cobre grueso incluyen:
a. Capaz de soportar el estrés térmico con la capacidad antiestrés de la PCB mejorada;
b. Mejora de la capacidad de conducción de corriente de la PCB;
c. Aumentar la capacidad de disipación térmica de la PCB sin necesidad de ensamblar aletas de refrigeración;
d. Mejora de la resistencia mecánica del apilado entre capas y de los orificios metalizados;
e. Aplicable para transformadores planos de alta potencia colocados en la placa.

Cada moneda tiene dos caras. Además de esas ventajas, las PCB de cobre grueso también presentan algunas desventajas. Es importante conocer ambos aspectos relacionados con las estructuras de las PCB de cobre grueso para poder comprender claramente cómo aprovechar sus posibles funciones y aplicaciones.

• Construcción de PCB de cobre pesado

Similar aPCB estándar FR4las PCB de cobre grueso presentan el mismo método de fabricación con tecnologías especiales de grabado y galvanoplastia aplicadas, como el chapado de alta velocidad y el grabado por desviación. Durante algún tiempo en el pasado, se intentó fabricar PCB de cobre grueso solo mediante grabado. Algunas de las placas de circuito fabricadas con este método se desecharon debido a líneas de borde irregulares y sobregrabado del margen. Para evitarlo, posteriormente se aplicaron técnicas avanzadas de galvanoplastia y grabado, de modo que se pudieran lograr bordes rectos y un grabado óptimo del margen.

El recubrimiento en PCB de cobre pesado permite a los fabricantes de PCB engrosar tanto la pared de los orificios pasantes metalizados como la pared de los orificios pasantes, cuyas ventajas incluyen:
a. Disminución del número de capas;
b. Reducción de la distribución de impedancia;
c. Minimización del embalaje;
d. Disminución del costo de fabricación.

La PCB de cobre grueso puede unirse sin problemas a una placa ordinaria. En lo que respecta a las pistas y al espacio mínimo en las placas de circuito, así como al rango dentro de la tolerancia y la capacidad de fabricación, deben determinarse mediante una discusión entre los ingenieros de diseño y los fabricantes antes de la fabricación real.

• Capacidad de corriente actual y aumento de temperatura

¿Cuánta corriente es capaz de soportar una PCB de cobre grueso? Esta cuestión suele depender de los ingenieros de diseño electrónico. Incluye el grosor y el ancho del cobre, así como la determinación del aumento máximo de temperatura que la PCB de cobre grueso es capaz de soportar. Esta pregunta surge porque el calor generado por la PCB de cobre grueso durante su funcionamiento está estrechamente relacionado con la corriente.

A medida que la corriente pasa a través de los conductores, la tasa de consumo de energía durante el funcionamiento es el 12% de la potencia original, de modo que la potencia perdida genera calor de transición localmente, el cual se disipará hacia el entorno por conducción térmica. Es necesario determinar la corriente máxima que las pistas en una PCB de cobre grueso pueden soportar y encontrar un método para evaluar el aumento de temperatura y la corriente correspondiente aplicada. De acuerdo con las directrices de la norma IPC-2221A, se dispone de una fórmula que indica la capacidad de conducción de corriente de las pistas externas:Yo= 0.048 xDT^0,44xWxTh^0,725.

En esta fórmula,Yose refiere a la corriente (unidad: A);DTse refiere al aumento de temperatura (unidad: °C);Wse refiere al ancho de línea (unidad: μin);Thse refiere al espesor de la pista (unidad: μin). La capacidad de conducción de corriente de las pistas internas es el 50% de la de las pistas externas.

De conformidad con la fórmula, la Tabla 1 resume la capacidad de conducción de corriente, indicando la corriente de conducción a la temperatura de 30 °C para diferentes áreas de sección.

Tabla 1 Corriente de transporte (A) a un ancho de traza fijo (el aumento de temperatura es de 30 °C)

Hay disponibles materiales de sustrato con diferentes prestaciones paraFabricantes de PCBy diseñadores, que abarcan desde el material de sustrato de resina epoxi FR-4 ordinario con una temperatura de operación de 130 °C hasta materiales de sustrato de alta Tg. Hasta ahora, se ha desarrollado un conjunto de métodos para probar la calidad de resistencia al calor de los productos de PCB terminados. Debido a la diferencia en cuanto a la expansividad térmica entre el cobre y el material del sustrato, se crea una “fuerza motriz” entre ellos, es decir, en realidad una tensión térmica que posiblemente conduzca a la aparición, acumulación y crecimiento de grietas, lo que finalmente provoca la falla de la PCB.

En la prueba de circulación sobre la capacidad de los orificios pasantes para combatir el choque térmico, se diseña en la placa un conjunto de 32 orificios pasantes metalizados en serie como muestra y su estado se verificará después de la prueba de choque térmico. El primer orificio pasante metalizado que falle se determinará como el esfuerzo térmico que una placa de circuito puede soportar. La aplicación de PCBs de cobre grueso en la circulación de choque térmico reducirá o eliminará las fallas.

• Análisis de disipación térmica

En el funcionamiento de los componentes electrónicos, la pérdida de alta potencia se manifiesta en forma de calor que debe generarse en la fuente térmica (los componentes) y disiparse hacia el entorno. De lo contrario, los componentes sufrirán sobrecalentamiento o incluso fallos. Sin embargo, las PCB de cobre grueso son capaces de disipar el calor de manera más eficaz que otros tipos de placas de circuito, por lo que la tasa de fallos de las placas se reducirá drásticamente.

Para facilitar la disipación del calor, se requiere un tipo de aleta de refrigeración que impulse el calor disipado hacia el aire mediante conducción térmica, radiación o convección. Por lo general, el otro lado de la fuente de calor de la aleta de refrigeración está conectado al área de cobre a través de orificios pasantes con recubrimiento de cobre.

En términos generales, las aletas de refrigeración ordinarias se conectan con el área de recubrimiento de cobre en la PCB mediante conducción térmica. También hay situaciones en las que se utilizan remaches o tornillos para la conexión. La mayoría de las aletas de refrigeración están hechas de cobre o aluminio.

Por lo tanto, es de gran importancia ensamblar aletas de refrigeración durante la fabricación de PCB, lo cual puede lograrse en PCBs de cobre grueso. La capa de cobre en la superficie de la placa de circuito puede engrosarse mediante galvanoplastia, lo que mejora la propiedad de conducción térmica de la superficie de la placa. Otra ventaja de este método radica en que la capa de cobre de los orificios pasantes térmicos puede engrosarse y la resistencia térmica de la PCB de cobre grueso puede reducirse.

Hace tanto tiempo que se emplean PCB de cobre grueso para soportar componentes de gran potencia en las industrias militar y aeroespacial que este tipo de PCB de cobre grueso se aplicará ampliamente en diferentes industrias en un futuro cercano.

Recursos útiles:
•PCB de Cobre Grueso y su Servicio de Fabricación
•Relación entre el peso del cobre, el ancho de la pista y la capacidad de conducción de corriente
•Las reglas clave de diseño de PCB que debes conocer
•Servicio completo de fabricación de PCB de PCBCart - Múltiples opciones de valor añadido
•Servicio avanzado de ensamblaje de PCB de PCBCart - Desde 1 pieza