Linee guida per la progettazione di PCB in rame pesante: piste, spaziatura, rifusione

Il rame pesante modifica le tue regole di progettazione in due aspetti. Sul lato della fabbricazione, ogni oncia aggiuntiva aumenta la larghezza minima di piste e spazi: uno strato esterno da 4 oz richiede almeno 9/9 mil (0,23/0,23 mm) presso PCBCart, e uno strato esterno da 15 oz richiede 32/40 mil (0,81/1,02 mm). Sul lato dell’assemblaggio, il rame extra funge da dissipatore di calore, quindi i pad collegati a piani spessi rifluiscono per ultimi e determinano l’intero profilo di saldatura.

Questa guida illustra entrambi gli aspetti, utilizzando i limiti pubblicati sul nostropagina sulle capacità del rame pesante. Tutti i pesi del rame qui si riferiscono al rame finito, che è ciò a cui si riferiscono tali limiti. Quando un valore non è pubblicato, lo indichiamo chiaramente e ti indirizziamo al nostro team di ingegneria invece di indovinare.

Quando vale la pena usare il rame pesante?

Il rame spesso vale la pena quando la corrente o il calore fissano il limite e l’allargamento delle piste su un circuito da 1 oz o 2 oz non rientra più nello spazio disponibile. Se il vero vincolo è la densità di instradamento, un rame più spesso di solito peggiora le cose.

La capacità di corrente aumenta con la sezione trasversale del conduttore, che è la larghezza moltiplicata per lo spessore, ma la sua relazione con l’aumento di temperatura non è lineare. Il nostro articolo sucapacità di corrente nominalecopre la formula IPC-2221 e spiega perché raddoppiare l’area non raddoppia la corrente ammessa. In pratica, spesso puoi ottenere la sezione trasversale necessaria in due modi: aumentando la larghezza con rame standard oppure aumentando lo spessore e mantenendo l’ingombro ridotto.

Una prima domanda utile: la corrente elevata è confinata a poche net oppure attraversa un’intera sezione di alimentazione?

Per alcune piste, come tracce più larghe, la stessa pista duplicata su due strati o una sbarra collettrice meccanica, spesso rappresentano la soluzione più economica. Quando un’intera sezione conduce corrente, quando la scheda deve dissipare il calore dai dispositivi di potenza in un piano, o quando le aree dei connettori richiedono rame più robusto, il rame pesante inizia a ripagare il suo costo.

Considera anche gli effetti a catena. Qualsiasi scheda con 3 oz o più di rame finito è realizzata solo su FR4 High Tg 170, le caratteristiche minime aumentano come mostrato sotto e i componenti a passo fine diventano difficili da posizionare su strati esterni pesanti. Molti progettisti collocano il rame pesante sugli strati di potenza interni (fino a 12 oz con noi) e mantengono gli strati esterni più leggeri per i pad dei componenti.

Quanto aumentano larghezza delle piste e spaziatura con lo spessore del rame?

Entrambi aumentano con ogni oncia e, oltre le 6 oz, la spaziatura minima cresce più rapidamente della larghezza minima. Il motivo è l’incisione. Il rame spesso rimane più a lungo nell’incisore, il reagente incide lateralmente mentre incide verso il basso e il conduttore finisce per essere più largo alla base che in cima. L’opera grafica viene compensata per questo, e l’intervallo deve essere sufficientemente ampio affinché le basi di due conduttori adiacenti non si tocchino mai.

Valori minimi del rame spesso di PCBCart in mil, come pubblicato; i valori in mm e µm sono conversioni arrotondate. Per pesi non elencati, confermare con il nostro team di ingegneria.

Tre cose in questa tabella traggono in inganno le persone.

Gli strati interni richiedono più spaziatura rispetto agli strati esterni allo stesso spessore di rame: 12 mil contro 9 mil a 4 oz. Il rame interno deve essere incapsulato dal prepreg durante la laminazione, quindi la resina deve fluire in ogni interstizio tra le caratteristiche spesse. I canali stretti e profondi sono i punti in cui si manifesta la carenza di resina, e la regola per gli strati interni lascia spazio alla resina per penetrare.

Questi sono valori minimi, non obiettivi. Le piste che portano corrente saranno comunque molto più larghe. Il valore minimo diventa davvero critico intorno ai pad dei componenti, nel fanout dai pin dei dispositivi di potenza e tra le lunghe piste parallele. Soprattutto negli strati interni, un progetto con un certo margine al di sopra del minimo è più facile da realizzare rispetto a uno che vi si appoggia esattamente.

La regola di spaziatura limita anche il passo dei pad. Un rapido controllo di coerenza è larghezza minima più spazio minimo: 18 mil (circa 0,46 mm) su uno strato esterno da 4 oz, 26 mil (circa 0,66 mm) su uno strato esterno da 6 oz. Se il componente con il passo più fine su uno strato esterno pesante si avvicina a quel valore, invia l’impronta al nostro team di ingegneria prima di finalizzare il layout.

Tieni presente che i valori minimi del produttore di PCB non corrispondono alle distanze di isolamento elettrico. Se la tua scheda funziona ad alta tensione, le distanze di isolamento in aria (clearance) e superficiale (creepage) richieste dalla IPC-2221 o dalla norma di sicurezza del tuo prodotto possono essere molto maggiori di qualsiasi valore presente in questa tabella, e tale requisito ha sempre la precedenza.

Anello anulare, dimensione della foratura e scelte dei materiali

L’anello anulare minimo per il rame spesso è di 6 mil e il foro di foratura minimo è di 10 mil, ma su un circuito stampato spesso con rame pesante è di solito lo spessore della scheda a determinare la via pratica più piccola prima che intervenga uno dei due limiti.

Le schede in rame pesante tendono ad essere spesse; il nostro range va da 0,6 a 6,5 mm. Un foro da 10 mil (0,25 mm) vicino al limite superiore di questo intervallo rappresenta una sfida di placcatura, perché il rame deve essere depositato in modo uniforme lungo un condotto profondo e stretto. Se prevedi vias di piccole dimensioni su una scheda spessa, conferma la combinazione di dimensione del foro e spessore della scheda con il nostro team di ingegneria prima di procedere al layout.

Per l’anello anulare, consigliamo di superare il minimo di 6 mil (0,15 mm) sui pad che portano corrente o fissano connettori. L’anello fa parte del percorso di corrente tra il foro metallizzato e la traccia e, sugli strati pesanti, lo stesso sottosquadro di incisione che amplia le spaziature rimuove anche materiale dal bordo dell’anello.

Per il materiale, la regola è semplice: 3 oz o più di rame finito richiedono FR4 High Tg 170. Al di sotto di 3 oz, Tg 140 e Tg 170 sono entrambi disponibili. Il requisito High Tg non è una formalità. I circuiti con rame pesante rimangono caldi più a lungo in ogni ciclo termico e l’espansione sull’asse Z della resina esercita una trazione sui fori metallizzati ogni volta. I fori passanti in schede spesse con piani interni pesanti sono il punto in cui tale sollecitazione si concentra.

Gli ordini per rame pesante vengono realizzati sul nostro stackup di layer predefinito. Se il tuo progetto dipende da uno stackup specifico, dallo spessore del dielettrico o da una particolare combinazione di rame per strato, contatta il nostro team di ingegneria prima di effettuare l’ordine. In ogni caso, mantieni bilanciata la distribuzione del rame: rame pesante su un lato e rame leggero sull’altro comportano una scheda sbilanciata che tende a imbarcarsi durante la laminazione e il riflusso.

Cosa cambia sulla catena di montaggio?

La scheda si riscalda in modo non uniforme. I pad collegati a piani massicci sono gli ultimi a raggiungere la temperatura di rifusione, quindi il profilo è impostato in base a quei pad e il rischio si sposta verso i componenti piccoli che si trovano accanto a loro.

Massa termica e profilo di rifusione

Una scheda con rame da 1 oz e pochi componenti di potenza rifluisce più o meno come qualsiasi altra scheda. Una scheda con 4 oz o più su diversi strati si comporta in modo diverso: i piani assorbono il calore dai pad sopra di essi e l’intera scheda impiega più tempo a raggiungere la temperatura. Se si utilizza un profilo standard, i piccoli componenti passivi rifluiscono correttamente mentre la piazzola di potenza sul grande piano potrebbe non bagnarsi completamente.

Il profilo di rifusione deve portare il pad più lento, di solito quello sul rame più spesso, alla corretta rifusione senza surriscaldare il componente più sensibile alla temperatura. Questo spesso richiede una fase di soak più lunga affinché la zona pesante possa recuperare prima del picco, ed è proprio qui che le otto zone di riscaldamento del nostro forno di rifusione NS800II ci offrono margine per modellare il profilo. Il limite invalicabile sono le specifiche dei componenti: qualunque cosa richieda il pad pesante deve rimanere entro quanto consentito dal componente più sensibile. Quando questi requisiti non possono essere conciliati, la soluzione va cercata nel layout, non nel forno.

Giunzioni di saldatura su ampie aree di rame

Le piazzole di grande dimensione su componenti pesanti, come i tab D2PAK e TO-263, i pad esposti dei power QFN e i grossi morsettiere, mostrano due difetti tipici: bagnatura incompleta, quando il giunto non ha mai raggiunto una temperatura sufficiente, e vuoti sotto il pad termico. I depositi di pasta vengono controllati con il nostro sistema InSPIre 510B 3D SPI, che misura volume, area e altezza, e i giunti di saldatura passano attraverso l’AOI ALD515 dopo il riflusso. I giunti nascosti sotto componenti di potenza con terminazione inferiore non sono visibili otticamente, ed è per questo che utilizziamo il nostro sistema a raggi X VIEW X2000. Tuttavia, l’ispezione individua i problemi, non corregge una piazzola che è termicamente penalizzata dalla progettazione. Il volume di pasta sulle piazzole grandi e la connessione in rame intorno a esse sono aspetti che vale la pena definire nella fase di DFM.

Gli altri componenti soggetti a problemi sono i piccoli elementi a due terminali. Un 0402 o 0603 con un pad collegato a un piano pesante e l’altro a una pista sottile vede fondere prima il lato della pista, e la tensione superficiale può far rizzare il componente in verticale. La soluzione progettuale è l’equilibrio termico: un collegamento con termico sul lato del piano oppure rame equivalente su entrambi i pad. Il problema è che un termico limita anche la corrente, quindi su un resistore di misura di corrente o si dimensionano i raggi in funzione della corrente oppure si instradano entrambi i pad verso una quantità di rame equivalente.

Controllare i limiti di assemblaggio così come i limiti di fabbrica

Un circuito stampato in rame pesante può rientrare nei limiti di fabbricazione ma risultare comunque fuori specifica per la linea di assemblaggio. Produciamo circuiti stampati fino a 6,5 mm di spessore, mentre la nostra stampante per pasta saldante G5 accetta schede da 0,2 a 6 mm di spessore con un’area massima di 400 × 310 mm. Se la tua scheda è più spessa di 6 mm o più grande di tale area e richiede anche l’assemblaggio SMT, conferma con il nostro team di ingegneria prima di congelare il profilo.

Pesi di rame misti e componenti a foro passante

I pin passanti saldati in piani di rame estesi sono le giunzioni più difficili da riempire su queste schede, perché il piano dissipa il calore dal foro metallizzato. I pin che non portano corrente dovrebbero avere dei “thermal relief”. I pin che invece portano corrente spesso richiedono connessioni piene; segnali questi pin quando invii il progetto, così potranno essere verificati prima della prima produzione.

Sulla nostra linea, i componenti a foro passante vengono saldati su una macchina a saldatura a onda GSD-WD300T o su un sistema di saldatura selettiva JADE MK II. Quale dei due sia più adatto a un circuito stampato a rame spesso dipende da come sono disposti i componenti a foro passante e SMT, e questo viene definito durante la revisione DFM, non alla prima produzione.

Pesi misti si manifestano anche come deformazioni. Una scheda con rame pesante concentrato su un lato, o un piano pesante sotto solo una parte della scheda, può incurvarsi durante il reflow, sollecitando le giunzioni dei componenti di grandi dimensioni e rendendo più difficile il posizionamento a passo fine. La soluzione è nel layout: distribuisci il rame nel modo più uniforme possibile consentito dal circuito e utilizza il bilanciamento del rame nelle aree poco popolate.

Quali finiture superficiali sono disponibili?

Per le schede in rame pesante offriamo HASL, HASL senza piombo ed ENIG. Scegli ENIG se la scheda presenta componenti a passo fine o con terminazione inferiore; le opzioni HASL sono adatte a schede dominate da grandi componenti di potenza e connettori a foro passante.

Finiture superficiali disponibili per i circuiti stampati a rame pesante di PCBCart.

Le finiture OSP e a immersione non sono incluse nell’elenco delle opzioni per rame spesso. Se il tuo progetto attuale ne prevede una, verifica se il motivo è ancora valido una volta che la scheda passa al rame spesso oppure conferma con il nostro team di ingegneria.

Lista di controllo per la progettazione in rame pesante

Scorri questo elenco prima di inviare i file Gerber. Ogni riga rappresenta qualcosa che altrimenti segnaleremmo durante la revisione DFM.

Elenco di controllo DFM pre-invio per circuiti stampati ad alto spessore di rame.

Domande frequenti

Devo specificare il rame di partenza o il rame finito sul disegno?

Specificare il rame finito, per strato. Gli strati esterni acquisiscono rame durante la placcatura, quindi un peso del foil indicato nel disegno lascia lo spessore finale aperto a interpretazioni, e ogni limite in questo articolo si riferisce al peso finito. Se il tuo calcolo attuale presupponeva un determinato spessore, indica quello spessore invece di limitarti a specificare il nome del foil.

Una scheda da 3 oz è considerata rame pesante?

In parte. La nostra tabella per piste e spazi in rame pesante parte da 4 oz, ma la regola sui materiali parte da 3 oz: qualsiasi circuito con 3 oz o più di rame finito è realizzato su FR4 High Tg 170. Per piste e spazi a 3 oz, conferma con il nostro team di ingegneria invece di interpolare dalla tabella.

Posso instradare segnali a impedenza controllata su un circuito stampato in rame spesso?

Controlla con il nostro team di ingegneria prima di impegnarti. Gli ordini con rame pesante utilizzano il nostro stackup predefinito e l’impedenza su uno strato da 4 oz o più è difficile da prevedere perché il conduttore inciso è trapezoidale. Se il tuo progetto richiede impedenza controllata, invia le specifiche insieme ai file così possiamo dirti in anticipo se la produzione può soddisfarle.

A quale classe di qualità vengono realizzate le schede in rame pesante?

La classe IPC 2 è il nostro standard per i circuiti stampati con rame pesante. Se il tuo disegno di fabbricazione richiede qualsiasi altro requisito di accettazione, includilo nella richiesta di preventivo affinché il nostro team di ingegneria possa esaminarlo prima che tu effettui l’ordine.

Il rame spesso rende il rilavoro più difficile?

Sì. La massa termica che rallenta il riflusso rende anche difficile rimuovere o sostituire un componente su un grande piano usando solo aria calda o saldatore, perché il piano continua a sottrarre calore, quindi di solito è necessario un preriscaldamento dal lato inferiore. Se è probabile che un componente venga sostituito durante il bring-up, come un MOSFET di potenza che potresti cambiare dopo i test, dagli un po’ di isolamento termico nel layout laddove la corrente lo consente.

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