Circuits imprimés à cuivre épaisLes circuits imprimés (PCB) allant de 2 oz à 10 oz et au-delà sont devenus essentiels dans le monde actuel de l’électronique, qui exige une densité de puissance accrue et une fiabilité thermique élevée. Ils sont utilisés dans de nombreux véhicules électriques, systèmes d’énergies renouvelables (RE) et d’électronique de puissance (PE). Ces substrats à haute résistance peuvent supporter des charges de courant élevées, offrir de meilleures propriétés mécaniques dans les applications porteuses de charge et, grâce à la réduction des pertes résistives, peuvent même remplacer des jeux de barres complexes.
Cependant, les caractéristiques des matériaux qui rendent le cuivre épais très recherché pour la distribution d’énergie posent des défis techniques importants en aval.Technologie de montage en surface (SMT)etTechnologie à trous traversants (THT)processus d’assemblage. Pour passer d’un cuivre standard de 1 oz à un cuivre épais de 2 oz ou plus, il est nécessaire d’apporter une modification fondamentale aux paramètres chimiques, mécaniques et thermiques, sans entraîner de défauts coûteux.
Gestion thermique et profils de refusion
Effet de dissipateur thermique massif
Les propriétés thermiques constituent le principal défi lors de l’assemblage. L’épaisseur du cuivre est le facteur le plus important pour augmenter de manière significative la capacité thermique de la carte. Les larges pistes en cuivre et les plans internes agissent comme de puissants dissipateurs thermiques et évacuent rapidement la chaleur des pastilles de brasage pendant les opérations de refusion. Le chauffage des pastilles et le temps nécessaire ne peuvent pas être obtenus avec des réglages classiques de fours de refusion pour atteindre la température de liquidus de 217 °C de l’alliage sans plomb SAC305 le plus courant.
Soudures froides graves
Un manque de soudure fondue entraîne toujours des soudures froides, des problèmes de mouillage, ainsi que des microvides internes et des défauts de type « head-in-pillow ». Ces défauts réduisent la capacité de transport de courant et la résistance mécanique, et constituent un risque silencieux de défaillance des équipements lors d’un fonctionnement à fort courant.
Stratégies d’optimisation de profil
Les ingénieurs doivent développer des courbes thermiques de refusion personnalisées pour résoudre ce problème. Un temps de trempe plus long est utilisé afin de fournir un équilibre thermique uniforme aux parties en cuivre épaisses ; une vitesse de chauffage modérée est utilisée pour éviter d’endommager les composants électroniques sensibles à la chaleur. Dans le cas de circuits imprimés en cuivre extra épais, des systèmes auxiliaires de préchauffage infrarouge local ou de brasage en phase vapeur ont été utilisés pour garantir un chauffage uniforme de l’ensemble de la carte.
Topographie du vernis épargne et couverture incomplète
Les circuits à cuivre épais créent une topographie de surface irrégulière, tandis que les circuits imprimés standards produisent une surface lisse facilitant l’application du vernis épargne. Les pistes de cuivre sur les substrats diélectriques sont très proéminentes et présentent des parois latérales verticales abruptes de 3 oz ou 5 oz.
L’impression traditionnelle de vernis épargne photosensible liquide a du mal à adhérer uniformément sur les arêtes verticales. L’encre de revêtement s’écoule au niveau des angles vifs des pistes, exposant des zones de cuivre ou ne formant qu’une couche mince. L’impression sérigraphique laisse également des vides d’air à côté des pistes épaisses et masque des cavités. Lors des étapes ultérieures d’exposition et de développement, une exposition insuffisante aux rayons ultraviolets entraîne un sous-découpe du vernis, ce qui provoque fissuration, écaillage et délamination à haute température de refusion. Les fabricants utilisent l’imagerie directe par laser et l’impression en plusieurs couches avec des encres d’impression optimisées afin d’obtenir une couverture isolante stable et complète et d’éviter les risques d’arc électrique.
Mauvais Alignement des Composants et Effet Tombstone
Cela est dû au fait que la disposition déséquilibrée du cuivre, causée par la conception du câblage et l’implantation des composants, entraîne un grave gauchissement de la carte. L’expansion et la contraction des structures en cuivre épais sont beaucoup plus importantes que celles des matériaux de base FR-4 ou polyimide. Lors des processus de pressage et de refusion, en raison du décalage du coefficient de dilatation thermique, de fortes contraintes internes apparaissent, ce qui affecte la planéité de la carte. La machine de placement automatique ne parvient pas à garantir la stabilité du positionnement des composants, ce qui entraîne un mauvais positionnement des pièces et des coupures de circuit.
Le déséquilibre thermique est une autre cause de défaillance de type « tombstoning ». Si une pastille de composant est reliée à un large plan d’alimentation en cuivre et l’autre pastille à une fine piste d’alimentation, la piste fine chauffe et fait fondre la soudure beaucoup plus rapidement que le côté en cuivre épais ne se réchauffe. La tension de surface de la soudure devient inégale, provoquant l’inclinaison et le soulèvement des composants. De telles défaillances d’assemblage peuvent être efficacement réduites par une disposition rationnelle du cuivre factice et une conception standard de décharges thermiques.
Conception de pochoir et dépôt de pâte à braser
La surface de la pâte à braser n’est pas régulière et contient un mélange de composants de grande et de petite taille, ce qui rend difficile l’obtention d’un dépôt de pâte à braser stable. Cependant, les pochoirs plats ordinaires ne peuvent pas s’adapter étroitement lorsque la surface du pochoir présente des irrégularités, car il se produira des ponts de soudure et des courts-circuits lors de l’impression avec la pâte.
Des pochoirs spéciaux à marches et usinés en 3D sont utilisés pour s’adapter aux différentes élévations de surface, afin d’assurer un positionnement précis de l’impression de pâte et un volume de revêtement identique. Les traitements de finition de surface au nickel chimique avec or par immersion et à l’argent par immersion améliorent également la qualité de soudure des pastilles de grande taille sur les circuits imprimés à forte épaisseur de cuivre.
Défis de fiabilité des vias et de la SMT automatisée
Plus le circuit imprimé en cuivre épais est lourd et épais, plus il sera difficile de faire fonctionner l’équipement d’assemblage automatique, ce qui entraînera des vibrations du convoyeur, une réduction de l’efficacité d’aspiration sous vide et une reconnaissance de positionnement imprécise causée par la déformation locale de la carte.
Entre-temps, les couches épaisses de cuivre exercent une pression thermique et mécanique extrême sur les trous métallisés et les vias. Les fissures des parois de trous et les dommages à la résine dus au retrait et au délaminage après des variations répétées de température résultent des vitesses d’expansion différentes entre les parois tubulaires en cuivre et la résine environnante. Des matériaux de base à Tg élevée et à faible coefficient de dilatation, ainsi qu’une conception de vias à faible rapport d’aspect et des réseaux de vias thermiques remplis, sont utilisés pour maintenir la durabilité structurelle.
Formation de congé de soudure traversant
Les connecteurs traversants et les barres omnibus sont encore largement utilisés dans les produits électroniques de forte puissance pour se protéger contre les vibrations et les courants élevés. Une dissipation thermique inégale rend difficile le respect des exigences standard de remplissage vertical des soudures. Les couches internes en cuivre épais conduisent rapidement la chaleur lors de la soudure à la vague et de la soudure sélective, ce qui provoque la solidification de la soudure liquide à mi-parcours des trous. Des joints non remplis ne produiront pas de bons congés de soudure. L’augmentation du temps de chauffage, de la température de soudure et du préchauffage améliore l’effet de remplissage, mais présente comme contrepartie un risque accru de délamination du circuit imprimé et de détérioration des composants par surchauffe.
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Ressources utiles
•Processus de fabrication des PCB : guide étape par étape
•Processus d’assemblage des circuits imprimés
•Exigences relatives aux fichiers de conception de circuits imprimés pour un devis rapide d’assemblage de PCB et la production
•Comment évaluer un fabricant de PCB ou un assembleur de PCB
•Comparaison entre la soudure à la vague et la refusion
