Placas de circuito impreso de cobre gruesoLas PCB, que van de 2 oz a 10 oz y más, se han vuelto esenciales en el mundo actual de la electrónica, que exige una mayor densidad de potencia y fiabilidad térmica. Se utilizan en muchos vehículos eléctricos, sistemas de energías renovables (RE) y de electrónica de potencia (PE). Estos sustratos de alta resistencia pueden soportar cargas de corriente elevadas, proporcionar mejores propiedades mecánicas en aplicaciones de carga estructural y, gracias a la reducción de las pérdidas resistivas, incluso pueden sustituir complejos barras colectoras (busbars).
Sin embargo, las características del material que hacen que el cobre pesado sea muy deseable para la distribución de energía plantean importantes desafíos técnicos en las etapas posteriores.Tecnología de Montaje Superficial (SMT)yTecnología de orificio pasante (THT)procesos de ensamblaje. Para pasar de cobre estándar de 1oz a cobre pesado de 2oz o más, es necesario realizar un cambio fundamental en los parámetros químicos, mecánicos y térmicos sin incurrir en defectos costosos.
Gestión térmica y perfiles de refusión
Efecto de disipador de calor masivo
Las propiedades térmicas son el principal desafío de ensamblaje. El espesor del cobre es el factor más importante para aumentar significativamente la capacidad térmica de la placa. Las pistas de cobre gruesas y los planos internos actúan como potentes disipadores de calor y eliminan rápidamente el calor de las almohadillas de soldadura durante las operaciones de soldadura por refusión. El calentamiento de las almohadillas y el tiempo necesario no se pueden lograr mediante los ajustes convencionales del horno de refusión para alcanzar la temperatura de fusión de 217 °C de la soldadura sin plomo SAC305 de uso general.
Uniones de soldadura en frío graves
La falta de soldadura fundida siempre da lugar a uniones frías, problemas de humectación, microvacíos internos y defectos de tipo “head-in-pillow”. Estas fallas reducen la capacidad de conducción de corriente y la resistencia estructural, y constituyen un peligro silencioso de fallos del equipo durante el funcionamiento a alta corriente.
Estrategias de optimización de perfil
Los ingenieros necesitan desarrollar curvas térmicas de refusión personalizadas para abordar este problema. Se utiliza un tiempo de remojo más largo para proporcionar un equilibrio térmico uniforme a las piezas de cobre gruesas; se emplea una velocidad de calentamiento moderada para evitar dañar las partes electrónicas sensibles al calor. En el caso de placas de cobre extragruesas, se han utilizado sistemas auxiliares de precalentamiento local por infrarrojos o de soldadura en fase de vapor para garantizar un calentamiento uniforme de toda la placa.
Topografía de la máscara de soldadura y cobertura incompleta
Las placas de cobre grueso crean un terreno de superficie irregular, mientras que las PC estándar producen una superficie lisa para facilitar la aplicación de la máscara de soldadura. Las pistas de cobre sobre sustratos dieléctricos son muy prominentes y tienen paredes laterales verticales pronunciadas de 3 oz o 5 oz.
La impresión tradicional de máscara de soldadura fotoimagenable líquida tiene dificultades para adherirse de manera uniforme en los bordes verticales. La tinta de recubrimiento fluirá a través de las esquinas afiladas de las pistas, dejando áreas de cobre expuestas o incluso un recubrimiento muy delgado. La serigrafía también deja huecos de aire junto a las pistas gruesas y oculta vacíos. En las posteriores etapas de exposición y revelado, la exposición insuficiente a la luz ultravioleta provocará un socavado de la máscara, lo que causará grietas, desprendimiento y delaminación a altas temperaturas de refusión. Los fabricantes utilizan imagen directa por láser e impresión multicapa con tintas de impresión optimizadas para lograr una cobertura aislante estable y completa y evitar riesgos de arco eléctrico.
Desalineación de componentes y efecto tumbal
Esto se debe a que la distribución desequilibrada de cobre causada por el diseño del cableado y la colocación de componentes provoca una deformación severa de la placa. La expansión y contracción de las estructuras de cobre grueso son mucho más intensas que las de los materiales base de FR-4 o poliimida. En el proceso de prensado y de refusión, debido a la descoordinación del coeficiente de expansión térmica, se genera una alta tensión interna que afecta la planitud de la placa. La máquina de colocación automática no logra la estabilidad en la colocación de las piezas, lo que provoca el desalineamiento de componentes y la interrupción de circuitos.
El desequilibrio térmico es otra causa del defecto de “tombstoning”. Si una almohadilla del componente está conectada a un plano de potencia de cobre grueso y la otra almohadilla está conectada a una pista de potencia delgada, la pista delgada se calentará y fundirá la soldadura mucho más rápido que el lado de cobre grueso. La tensión superficial de la soldadura no es uniforme, lo que provoca que los componentes se inclinen y se levanten. Estos fallos de ensamblaje pueden reducirse de manera efectiva mediante un diseño racional del cobre ficticio y un diseño estándar de alivio térmico.
Diseño de esténcil y deposición de pasta de soldadura
La superficie de la pasta de soldadura no es regular y contiene componentes grandes y pequeños mezclados, lo que dificulta lograr una deposición estable de la pasta de soldadura. Sin embargo, las plantillas planas ordinarias no pueden ajustarse estrechamente cuando hay fluctuaciones en la superficie de la plantilla, porque al imprimir con la pasta se producirán puentes de soldadura y fallas de cortocircuito.
Se utilizan plantillas especiales escalonadas y mecanizadas en 3D para adaptarse a diferentes elevaciones de superficie, logrando una posición de impresión de pasta precisa y el mismo volumen de recubrimiento. Los tratamientos de acabado de superficie con níquel químico oro de inmersión y plata de inmersión también mejoran la calidad de soldadura de las almohadillas de gran tamaño en placas de cobre grueso.
Desafíos automatizados de fiabilidad de SMT y vías
Cuanto más pesada y gruesa sea la placa de cobre grueso, más difícil será operar el equipo de montaje automático, y esto provocará la vibración del transportador, la reducción de la eficiencia de absorción por vacío y un reconocimiento de posicionamiento inexacto causado por la deformación local de la placa.
Mientras tanto, las capas gruesas de cobre ejercen una presión térmica y mecánica extrema sobre los orificios metalizados y las vías. Las grietas en las paredes de los orificios y los daños en la resina debidos a la contracción y a la estratificación tras los cambios repetidos de temperatura resultan de las diferentes velocidades de expansión entre las paredes del tubo de cobre y la resina circundante. Se utilizan materiales base de alta Tg y baja expansión, así como diseños de vías con baja relación de aspecto y conjuntos de vías térmicas rellenas, para mantener la durabilidad estructural.
Formación de filete de soldadura en orificio pasante
Los conectores de orificio pasante y las barras colectoras todavía se usan ampliamente en productos electrónicos de alta potencia para proteger contra la vibración y las corrientes elevadas. La disipación de calor desigual dificulta el cumplimiento de los requisitos estándar de relleno vertical de soldadura. Las capas internas de cobre grueso conducen el calor rápidamente durante la soldadura por ola y selectiva, lo que provoca que la soldadura líquida se solidifique a mitad de los orificios. Las uniones sin rellenar no producirán buenos filetes de soldadura. El aumento del tiempo de calentamiento, de la temperatura de la soldadura y del precalentamiento ayuda con el efecto de relleno, pero tiene la contrapartida de un mayor riesgo de delaminación de la placa y de daños por sobrecalentamiento de los componentes.
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Recursos útiles
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