PCB Teras-Terasan Logam: Peraturan Reka Bentuk yang Mempengaruhi Hasil Pendebuan

Kebanyakan masalah pemasangan pada papan teras logam berpunca daripada tiga keputusan reka bentuk: berapa banyak jisim terma yang anda letakkan di bawah sesuatu komponen, berapa besar pad pateri pada laluan terma, dan di mana lubang pelekap terletak berbanding pad dan tepi. Jika semua itu betul pada lukisan, profil refluks hanya menjadi kerja talaan biasa. Jika tersilap, tiada tetapan ketuhar yang dapat menyelesaikannya sepenuhnya.

Artikel ini merangkumi garis panduan reka bentuk PCB aluminium yang kami semak sebelum fail teras logam dihantar ke barisan pengeluaran, ditulis untuk jurutera yang membina pencahayaan LED dan modul kuasa di mana ketumpatan haba merupakan sebab utama pemilihan substrat tersebut.

Apakah perbezaan papan teras logam daripada FR4 di atas talian?

Tapak logam menyerap haba semasa reflow, dan itu mengubah segala-galanya di peringkat seterusnya. Papan FR4 menjadi panas dengan agak sekata dan cepat. Papan teras logam mempunyai kepingan aluminium atau kuprum yang tebal di bawah dielektrik nipis, jadi ia menjadi panas dengan perlahan, mengekalkan haba itu, dan menyejukkan dengan perlahan. Komponen kecil pada jejakan sempit mencapai suhu cecair dengan cepat manakala pad terma besar di atas tapak yang sama mungkin tertinggal.

Tiga akibat praktikal yang berikut berlaku:

Profil tersebut mesti dibangunkan pada papan sebenar dengan termoskopel, bukan dipinjam daripada kerja FR4.

Papan dengan taburan kuprum dan komponen yang sangat tidak sekata menunjukkan julat suhu yang lebih luas di seluruh panel.

Menangani perkara. Bahagian dasar ialah logam terdedah, jadi papan memerlukan pengangkutan dan lekapan yang disokong. Kami menggunakan lekapan batu sintetik untuk tujuan ini, dan papan yang rata serta stabil sepanjang proses percetakan pes dan penempatan adalah sebahagian daripada usaha mengekalkan konsistensi tompokan pes.

Papan teras logam standard kami dibina mengikut IPC Kelas 2. Bahan asas ialah aluminium 1060 atau kuprum, ketebalan papan antara 0.8 hingga 5.0 mm, dan ketebalan yang anda pilih memberi kesan langsung pada berapa lama papan mengambil masa untuk mencapai suhu. Lebih tebal tidak semestinya lebih baik untuk produk. Jika asas 1.0 mm memenuhi bajet terma anda, menetapkan 3.0 mm semata-mata untuk tujuan keselamatan hanya menjadikan proses refluks lebih sukar tanpa sebarang faedah.

Nombor dielektrik dan terma untuk dimasukkan pada lukisan anda

Letakkan prestasi dielektrik pada nota fabrikasi dan bukannya membiarkannya sebagai nama bahan, kerana itulah yang boleh disahkan oleh kedai fabrikasi dan pemeriksaan masuk anda sendiri. Untuk papan aluminium kami, angka yang boleh anda rujuk ialah:

Dua perkara mengenai pembacaan jadual ini. Pertama, angka kekonduksian terma menerangkan lapisan dielektrik, bukan aluminium. Dielektrik ialah faktor penghalang dalam laluan haba, sebab itulah nombor kekonduksian terma PCB aluminium mendapat begitu banyak perhatian dalam perbandingan helaian data. Kedua, rintangan terma bergantung pada kawasan yang diukur, jadi semak kawasan yang diandaikan oleh model terma anda sebelum membandingkannya dengan jejak pad.

Mengenai kemasan permukaan: ENIG memberikan pad yang rata, yang membantu dengan komponen berpadat jarak halus dan dengan pelepasan pes yang konsisten pada pad kecil. HASL lebih murah dan berfungsi dengan baik untuk jejak LED dan kuasa yang lebih besar, tetapi ia meninggalkan sedikit variasi ketinggian pad, jadi kami tidak akan memilihnya untuk papan yang menggabungkan IC berpadat jarak halus dengan pad termal yang besar. Jika anda tidak pasti kemasan mana yang sepadan dengan campuran komponen anda, hantarkan BOM kepada kami dan kami akan menentukannya.

Untuk melihat dengan lebih menyeluruh tentang cara laluan terma dibina pada papan ini, kamihalaman keupayaan PCB aluminiummenyenaraikan pilihan bahan dan proses penuh.

Berat tembaga, jejakan dan had jarak

Lapisan kuprum siap antara 0.5 hingga 10 oz, dengan lebar dan jarak garisan serendah 4/4 mil. Kedua-dua had ini dalam kebanyakan kes tidak sepatutnya berada pada papan yang sama. Kuprum tebal memerlukan jarak yang lebih lebar, dan itu merupakan realiti fabrikasi serta pemasangan.

Untuk pemasangan, berat kuprum adalah penting kerana ia menambah jisim terma pada pad. Komponen yang terletak pada satah kuprum berat dengan sambungan pepejal akan menjadi panas dengan jauh lebih perlahan berbanding komponen yang sama dengan pelepasan terma atau leher yang sempit. Itu adalah logik yang sama seperti mana-mana papan kuprum tebal, tetapi pada substrat teras logam kesan tersebut ditambah lagi dengan asas yang menyerap haba.

Apa yang biasanya kami cadangkan:

Pilih berat kuprum berdasarkan pengiraan arus dan terma, kemudian hentikan. Meningkatkan daripada 2 oz kepada 4 oz “untuk margin” jarang berbaloi kecuali jika anda benar-benar telah memodelkan laluan arus.

Gunakan pelepasan haba pada pad yang bukan sebahagian daripada laluan haba, seperti pin isyarat bagi IC pemacu, supaya ia melebas pada masa yang lebih kurang sama dengan pad bersebelahan.

Biarkan pelapik terma itu sendiri kekal padu. Itulah laluan haba, dan pelepasan di situ menjejaskan tujuannya.

Pastikan ciri 4/4 mil halus dijauhkan daripada kawasan kuprum paling tebal pada papan yang sama, dan sahkan dengan pasukan kejuruteraan kami sebelum menggabungkan kuprum tebal dengan geometri yang rapat.

Pengagihan kuprum yang tidak sekata juga akan kelihatan sebagai kecerunan suhu. Papan dengan tuangan kuprum yang besar pada satu bahagian dan pengelanan yang jarang pada bahagian yang lain tidak akan mengalami refluks dengan sekata, walaupun kedua-dua bahagian berkongsi asas yang sama.

Lubang, kauntertenggelam dan ciri pemasangan

Papan teras logam biasanya dipasang pada sink haba atau perumahan menggunakan bolt, jadi lubang pemasangan bukanlah perkara yang difikirkan kemudian. Had penggerudian dan pemotongan yang boleh kami rujuk ialah saiz lubang minimum 6 mil dan gelang anulus minimum 4 mil. Lubang kaunter dan lubang skru disokong.

Soalan reka bentuk yang mempengaruhi pemasangan kebanyakannya berkaitan dengan jarak dan ruang kelegaan:

Jarak lubang ke pad.Tapak logam adalah konduktif, dan nilai kerosakan dielektrik ialah > 2 kV DC. Sebarang lubang yang menembusi tapak mendedahkan logam terdedah pada dindingnya, jadi pastikan pad dan jejak kuprum berada cukup jauh dari tepi lubang. Dapatkan daripada kami jarak kelegaan khusus untuk kelas voltan anda dan jangan meneka sendiri.

Gerudi sengkang.Bevel mengubah ketebalan papan setempat dan menanggalkan sokongan dielektrik berhampiran lubang. Jauhkan komponen dan pad pateri daripada zon itu. Bevel yang dilukis terlalu rapat dengan jejak LED adalah sebab biasa kami memulangkan semula soalan reka bentuk.

Lokasi tepi dan lubang pemasangan.Papan dibawa menggunakan lekapan dan penghantar, jadi pastikan lubang perkakas dan fiducial berada pada kedudukan yang boleh digunakan oleh lini pengeluaran, dan elakkan meletakkan komponen berat betul-betul di tepi tempat sokongan adalah lemah. Jika kedudukan skru memaksa komponen diletakkan di tempat yang tidak sesuai, beritahu kami awal-awal, kerana mengalihkan penyambung atau pemacu kemudian lebih mahal daripada mengalihkan lubang sekarang.

Bilangan lubang juga mempengaruhi tingkah laku terma. Beberapa lubang besar berhampiran komponen panas mengubah cara haba keluar daripadanya, yang menjejaskan kedua-dua produk akhir dan hasil refluks.

Apa yang berlaku semasa reflow, dan bagaimana susun atur boleh mencegahnya

Tiga isu yang paling kerap kami lihat pada reka bentuk teras logam ialah pemanasan tidak sekata, rongga di bawah pad terma, dan komponen yang beralih atau menjadi “tombstoning” pada bahagian kecil bersebelahan tembaga berat.

Pemanasan tidak sekata.Jika satu hujung komponen cip kecil terletak pada kawasan kuprum besar dan hujung yang satu lagi pada jejakan nipis, hujung yang nipis akan dibasahi terlebih dahulu dan komponen itu boleh terpacak. Penyelesaiannya adalah pada bahagian susun atur: samakan sambungan kuprum pada kedua-dua pad bagi setiap komponen dua terminal. SPI 3D dan AOI kami mengesan simptomnya, tetapi ia tidak menghapuskan puncanya.

Rongga di bawah pad terma.Sambungan pateri besar memerangkap gas keluar fluks, dan asas logam memperlahankan proses refluks secukupnya hingga menjadikannya lebih teruk. Pereka bentuk boleh membantu dengan beberapa cara:

Pecahkan pad terma besar kepada corak pes tampan atau bersegmen dan bukannya satu bukaan pepejal, dan minta kami mengesahkan corak tersebut untuk komponen anda.

Elakkan kemasan pad atau keadaan permukaan yang dibasahi secara tidak sekata. Ini merupakan satu lagi hujah untuk menggunakan ENIG pada papan di mana prestasi void adalah penting.

Tentukan kriteria penerimaan lebih awal. Kami melakukan pemeriksaan dengan sinar-X luar talian apabila kandungan rongga menjadi kebimbangan, dan had yang anda perlukan hendaklah ditulis pada lukisan atau dipersetujui dengan kami sebelum binaan pertama, bukannya ditemui semasa proses tersebut.

Pemendapan pes pateri juga merupakan sebahagian daripada gambaran keseluruhan. Kami menggunakan pencetak jet MYCRONIC apabila aplikasi memerlukannya, dan 3D SPI untuk mengesahkan isipadu dan kedudukan, tetapi kawalan pemendapan tidak dapat mengimbangi susun atur pad yang secara reka bentuk memerangkap gas.

Kebergantungan profil.Kami menggunakan papan teras logam pada ketuhar reflow JTR-1200D-N, dan profil dibina berdasarkan data termokopel pada papan sebenar. Untuk suhu khusus, had peningkatan suhu dan masa di atas titik leburan bagi substrat serta pes pateri anda, sila sahkan dengan pasukan kejuruteraan kami. Kami tidak menyiarkan satu profil seragam kerana ketebalan asas, taburan kuprum dan campuran komponen mengubah keperluan papan.

Kami juga merekod data proses melalui Smart MES, yang membantu apabila anda perlu menjejak semula sesuatu binaan kepada tetapan yang telah digunakan. Itu ialah ketertelusuran, bukan janji tentang hasil, dan kami lebih suka untuk menjelaskan perbezaan itu dengan jelas.

Jika anda mahukan lebih banyak latar belakang mengenai aspek aliran haba dalam masalah ini, artikel mengenaiisu terma dan penyelesaian untuk PCB teras logammenerangkan dengan lebih terperinci tentang tingkah laku substrat.

Senarai semak reka bentuk

Semak perkara-perkara ini sebelum melepaskan fail. Setiap item adalah sesuatu yang pernah kami perlu tanyakan dalam kerja teras logam sebenar.

Bahan asas (aluminimum 1060 atau kuprum) dan ketebalan (0.8–5.0 mm) dinyatakan pada lukisan fabrikasi, beserta sebab pemilihan ketebalan tersebut.

Kepekondusian terma dielektrik (> 0.8 W/m·K) dan rintangan terma (< 1.2 °C/W) dinyatakan sebagai keperluan, bukan sekadar nama bahan.

Keperluan voltan tembus (> 2 kV DC) dinyatakan, dengan voltan operasi dan sebarang jangkaan jarak pengasingan dinyatakan.

Berat kuprum siap antara 0.5–10 oz, dibenarkan melalui pengiraan arus dan terma.

Jalur/ruang tidak lebih rapat daripada 4/4 mil, dan tidak dicampur dengan kuprum tebal tanpa pengesahan daripada pasukan kejuruteraan kami.

Lubang pada atau melebihi 6 mil, gelang anulus pada atau melebihi 4 mil.

Kedalaman ceruk skru dan lubang skru telah ditentukan dimensinya, dengan pad dan komponen dijauhkan daripada zon ceruk.

Kedua-dua pad bagi setiap komponen dua terminal mempunyai sambungan kuprum yang sepadan.

Pad terma pepejal pada papan, dengan corak pes tampal berbingkai dicadangkan untuk yang bersaiz besar.

Had penerimaan kekosongan ditetapkan sebelum binaan pertama.

Kemasan permukaan dipilih mengikut campuran komponen (HASL, HASL bebas plumbum, atau ENIG).

Fiducial dan lubang perkakas diletakkan di tempat yang boleh digunakan oleh barisan pengeluaran.

Kelas 2 dinyatakan sebagai kelas penerimaan.

Soalan Lazim

1. Adakah tapak aluminium yang lebih tebal sentiasa meningkatkan prestasi terma?

Tidak dengan sendirinya. Lapisan dielektrik biasanya merupakan langkah pengehad dalam laluan haba, jadi ketebalan asas tambahan menambah jisim tanpa mengurangkan rintangan tersebut. Ia memang menjadikan proses reflow lebih perlahan dan papan lebih berat. Pilih ketebalan mengikut keperluan mekanikal dan sentuhan dengan heatsink, kemudian semak model terma.

2. Bolehkah saya menggunakan kedua-dua bahan asas aluminium dan kuprum dalam satu keluarga reka bentuk?

Ya, ramai pasukan berbuat demikian, contohnya aluminium untuk produk utama dan kuprum untuk varian berkuasa lebih tinggi. Profil pemasangan tidak akan sama, kerana kedua-dua tapak menyerap haba secara berbeza, jadi setiap varian memerlukan profil termokopelnya sendiri.

3. Perlukah saya meletakkan komponen pada kedua-dua belah papan teras logam?

Pendekatan piawai ialah komponen di bahagian litar dengan asas logam menghadap ke heatsink. Jika reka bentuk anda memerlukan sesuatu yang berbeza, hantarkan kepada kami konsep lapisan susun (stack-up) dan kami akan menyemaknya sebelum anda membuat keputusan muktamad.

4. Bagaimanakah saya menentukan keperluan rongga (void) untuk pad terma?

Namakan bahagian, pad, dan kandungan rongga maksimum yang boleh anda terima, dan minta pemeriksaan sinar-X pada artikel pertama. Jika anda tidak mempunyai nombor daripada data kebolehpercayaan anda sendiri, bincangkannya dengan pasukan kejuruteraan kami dan bukannya menyalin angka daripada piawaian lain yang tidak berkaitan.

5. Apa yang patut saya hantar untuk semakan reka bentuk?

Fail Gerber, lukisan dengan nota ketebalan dan terma, BOM, dan heatsink sasaran atau susunan pemasangan. Maklumat pemasangan membantu kami mengenal pasti isu lubang dan kelegaan lebih awal.

Dapatkan Sebut Harga PCB Lanjutan

Sumber Berguna
•Pengenalan Komprehensif tentang PCB Aluminium
•Panduan Lengkap kepada Proses Pembuatan PCB Aluminium
•Reka Bentuk PCB Kuasa Tinggi dalam Persekitaran Suhu Tinggi
•Semakan DFM Percuma