Circuiti stampati in rame pesanteI circuiti stampati (PCB) con spessori compresi tra 2oz e 10oz e oltre sono diventati essenziali nell’odierno mondo dell’elettronica, che richiede una densità di potenza crescente e un’elevata affidabilità termica. Vengono impiegati in numerosi veicoli elettrici, sistemi di energia rinnovabile (RE) e sistemi di elettronica di potenza (PE). Questi substrati ad alta resistenza possono sopportare carichi di corrente elevati, offrire migliori proprietà meccaniche nelle applicazioni portanti e, grazie alla ridotta perdita resistiva, possono persino sostituire complessi condotti sbarre (busbar).
Tuttavia, le caratteristiche del materiale che rendono il rame pesante altamente desiderabile per la distribuzione di energia pongono notevoli sfide tecniche nelle fasi successiveTecnologia a Montaggio Superficiale (SMT)eTecnologia a foro passante (THT)processi di assemblaggio. Per passare dal rame standard da 1 oz al rame pesante da 2 oz o più, è necessario apportare un cambiamento fondamentale ai parametri chimici, meccanici e termici senza incorrere in difetti costosi.
Gestione termica e profili di rifusione
Effetto dissipatore di calore massiccio
Le proprietà termiche rappresentano la principale sfida di assemblaggio. Lo spessore del rame è il fattore più importante per aumentare in modo significativo la capacità termica della scheda. Tracce in rame spesso e piani interni agiscono come potenti dissipatori di calore e rimuovono rapidamente il calore dai pad di saldatura durante le operazioni di rifusione. Il riscaldamento del pad e il tempo necessario non sono ottenibili tramite le impostazioni convenzionali del forno di rifusione per raggiungere la temperatura di liquidus di 217°C della comune lega senza piombo SAC305.
Giunzioni di saldatura fredde gravi
La mancanza di saldatura fusa provoca sempre giunti freddi, problemi di bagnabilità, microvuoti interni e difetti di tipo head-in-pillow. Questi difetti riducono la capacità di conduzione della corrente e la resistenza strutturale, e rappresentano un pericolo silenzioso di guasti alle apparecchiature durante il funzionamento ad alta corrente.
Strategie di ottimizzazione del profilo
Gli ingegneri devono sviluppare curve termiche di rifusione personalizzate per affrontare questo problema. Si utilizza un tempo di ammollo più lungo per fornire un bilanciamento termico uniforme alle parti in rame spesso; si impiega una velocità di riscaldamento moderata per evitare di danneggiare i componenti elettronici sensibili al calore. Nel caso di schede in rame extra spesse, sono stati utilizzati sistemi ausiliari di preriscaldamento locale a infrarossi o di saldatura in fase vapore per garantire un riscaldamento uniforme dell’intera scheda.
Topografia della solder mask e copertura incompleta
Le schede in rame pesante creano una superficie irregolare, mentre i PCB standard producono una superficie liscia che facilita l’applicazione della solder mask. Le tracce di rame sui substrati dielettrici sono molto pronunciate e presentano pareti laterali verticali ripide da 3oz o 5oz.
La tradizionale stampa della solder mask fotoimpressionabile liquida presenta difficoltà nell’aderire in modo uniforme sui bordi verticali. L’inchiostro di rivestimento fluirà attraverso gli angoli acuti delle piste, esponendo aree di rame o formando persino un rivestimento sottile. La serigrafia lascia inoltre vuoti d’aria accanto alle piste spesse e nasconde cavità. Nelle successive fasi di esposizione e sviluppo, l’insufficiente esposizione alla luce ultravioletta provoca un sottosquadro della maschera, che causerà fessurazioni, distacco e delaminazione alle alte temperature di rifusione. I produttori utilizzano l’immagine diretta laser e la stampa multistrato con inchiostri di stampa ottimizzati per ottenere una copertura isolante stabile e completa ed evitare rischi di arco elettrico.
Disallineamento dei componenti e tombstoning
Ciò è dovuto al fatto che il layout sbilanciato del rame causato dalla progettazione del cablaggio e dal posizionamento dei componenti provoca una grave deformazione della scheda. L’espansione e la contrazione delle strutture in rame spesso sono molto più marcate rispetto a quelle dei materiali di base in FR-4 o poliimmide. Nel processo di pressatura e rifusione, a causa della mancata corrispondenza del coefficiente di espansione termica, si generano elevate tensioni interne che influiscono sulla planarità della scheda. La macchina di posizionamento automatico non garantisce la stabilità del posizionamento dei componenti, causando lo spostamento dei componenti e l’interruzione dei circuiti.
Lo squilibrio termico è un altro motivo del difetto di “tombstoning”. Se un pad del componente è collegato a un ampio piano di alimentazione in rame spesso e l’altro pad è collegato a una sottile pista di alimentazione, la pista sottile si scalda e fonde la saldatura molto più rapidamente rispetto al lato in rame spesso. La tensione superficiale della saldatura non è uniforme, causando l’inclinazione e il sollevamento dei componenti. Tali difetti di assemblaggio possono essere efficacemente ridotti tramite una disposizione razionale del rame fittizio e un adeguato design dei sollievi termici standard.
Progettazione dello stencil e deposizione della pasta saldante
La superficie della pasta saldante non è regolare e presenta una miscela di componenti grandi e piccoli, il che rende difficile ottenere una deposizione stabile della pasta saldante. Tuttavia, le normali maschere piane non possono aderire perfettamente in presenza di fluttuazioni della superficie della maschera, poiché durante la stampa con la pasta si verificheranno ponti di saldatura e guasti di cortocircuito.
Vengono utilizzati stencil speciali a gradini e lavorati in 3D per adattarsi alle diverse altezze delle superfici, garantendo una posizione precisa di stampa della pasta e lo stesso volume di rivestimento. I trattamenti di finitura superficiale con nichel chimico oro immersione e argento a immersione migliorano inoltre la qualità di saldatura dei pad di grandi dimensioni su circuiti stampati in rame pesante.
Sfide di affidabilità automatizzata di SMT e via
Quanto più pesante e spesso è il circuito stampato in rame pesante, tanto più difficile sarà azionare le apparecchiature di assemblaggio automatico, e ciò porterà a vibrazioni del trasportatore, a una riduzione dell’efficienza di aspirazione del vuoto e a un riconoscimento di posizionamento impreciso causato dalla deformazione locale della scheda.
Nel frattempo, gli spessi strati di rame esercitano un’estrema pressione termica e meccanica sui fori metallizzati passanti e sulle vias. Le crepe sulle pareti dei fori e i danni alla resina dovuti al ritiro e alla delaminazione dopo i ripetuti cambiamenti di temperatura derivano dalle diverse velocità di espansione tra le pareti dei tubi di rame e la resina circostante. Materiali di base ad alta Tg e a bassa espansione, insieme a un design delle vias con basso rapporto d’aspetto e a matrici di vias termiche riempite, vengono utilizzati per mantenere la durabilità strutturale.
Formazione del cordone di saldatura a foro passante
I connettori a foro passante e le barre collettrici sono ancora ampiamente utilizzati nei prodotti elettronici ad alta potenza per proteggere dalle vibrazioni e dalle correnti elevate. Una dissipazione del calore non uniforme rende difficile soddisfare i requisiti standard di riempimento verticale della saldatura. Gli strati interni in rame pesante conducono rapidamente il calore durante la saldatura a onda e selettiva, causando l’indurimento della saldatura liquida a metà dei fori. I giunti non riempiti non produrranno buoni cordoni di saldatura. L’aumento del tempo di riscaldamento, della temperatura della saldatura e del preriscaldamento migliora l’effetto di riempimento, ma comporta lo svantaggio di un maggior rischio di delaminazione del circuito stampato e di danni da surriscaldamento dei componenti.
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Risorse utili
•Processo di produzione PCB Guida passo dopo passo
•Processo di assemblaggio di circuiti stampati
•Requisiti dei file di progettazione PCB per preventivo rapido di assemblaggio PCB e produzione
•Come valutare un produttore di PCB o un assemblatore di PCB
•Confronto tra saldatura a onda e saldatura a rifusione
