ประเด็นด้านการออกแบบของแผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา/หนักสำหรับการใช้งานทางทหารและอวกาศ

ข้อกำหนด PCB สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านการทหาร/การบินและอวกาศ

เมื่อวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์กำลังเตรียมการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับการใช้งานด้านการทหาร/อวกาศ (เรียกย่อว่า “mil/aero”) จำเป็นต้องคำนึงถึงรายละเอียดและข้อกำหนดด้านสมรรถนะบางประการ เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าทั้งผลิตภัณฑ์ด้านการทหารและด้านอวกาศต้องรองรับสภาวะการทำงานที่หลากหลายและช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง ต้องสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่เข้มงวดหลายรูปแบบได้ ไม่ว่าจะเป็นความร้อนจัด เช่น ในทะเลทราย หรือความหนาวเย็นผิดปกติ เช่น ขั้วโลกใต้ นอกจากอุณหภูมิสุดขั้วแล้ว ความชื้นก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน ดังนั้น ในกระบวนการออกแบบ PCB สำหรับการใช้งานด้าน mil/aero จึงต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงสภาวะการทำงานพิเศษของผลิตภัณฑ์ เช่น อุณหภูมิและความชื้น

ความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์ทางการทหารและอวกาศเป็นประเด็นหลักที่วิศวกรออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ต้องให้ความสำคัญ ในฐานะที่เป็นปัจจัยสำคัญด้านความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์ อายุการเก็บรักษา (shelf life) จึงถูกมองว่าเป็นมาตรฐานการตัดสินที่สำคัญ ลองยกตัวอย่างกรณีของขีปนาวุธ ขีปนาวุธจะไม่ถูกอนุญาตให้ระเบิดจนกว่าจะพุ่งชนเป้าหมาย ซึ่งหมายความว่ามันต้องทำงานได้ตามปกติในสภาพแวดล้อมที่ไม่รุนแรงและมีอายุการเก็บรักษาค่อนข้างสั้น วิศวกรในอดีตมักนิยมลดความซับซ้อนของแผงวงจรที่ใช้ในอุตสาหกรรมการทหารและอวกาศ เพียงเพราะความเชื่อถือได้สูงของผลิตภัณฑ์ด้านการทหาร/อวกาศ หน่วยงานด้านการทหารและอวกาศมักลังเลที่จะทำความรู้จักกับเทคนิคใหม่ ๆ ในการผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ จนกว่าจะได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถใช้งานได้จริงในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน ข้อกำหนดด้านฟังก์ชันการทำงานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการทหาร/อวกาศ ทำให้วิศวกรออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ไม่สามารถยึดติดอยู่กับแนวคิดการออกแบบที่เรียบง่ายและอาศัยแต่ประสบการณ์เพียงอย่างเดียวได้ บางส่วนได้เริ่มหันมาใช้เทคนิคการผลิต PCB รูปแบบใหม่ที่เพิ่งเกิดขึ้น

ด้วยเทคนิคและความซับซ้อนของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เพิ่มสูงขึ้น วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องให้ความสำคัญทั้งกับกฎการออกแบบ PCB และเทคโนโลยีการผลิต PCB เพื่อให้ผลิตภัณฑ์บรรลุสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความปลอดภัย ต้นทุน และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงในการผลิตให้น้อยที่สุด

การผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ให้ประสบความสำเร็จนั้นขึ้นอยู่กับการสื่อสารที่บ่อยครั้งและราบรื่นระหว่างวิศวกรออกแบบอิเล็กทรอนิกส์กับวิศวกรฝ่ายการผลิต ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงอยู่เสมอ วิศวกรออกแบบควรตระหนักอย่างถ่องแท้ถึงขีดความสามารถโดยละเอียดของผู้ผลิต เช่น ความกว้างลายทองแดง ระยะห่าง ขนาดแพด และเส้นผ่านศูนย์กลางของ via เป็นต้น นอกจากนี้ พวกเขายังต้องคำนึงถึงข้อกำหนดทั้งหมดในด้านประเภทของ PCB วัสดุ โครงสร้างรูทะลุ และกำลังไฟด้วย

เมื่อพูดถึงการออกแบบผลิตภัณฑ์ด้านการทหาร/การบินและอวกาศ วิศวกรควรปฏิบัติตามมาตรฐาน MIL มาตรฐานคุณภาพอื่น ๆ ก็สามารถนำมาใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น มาตรฐาน IPC สามารถใช้สำหรับรายการตรวจสอบและมาตรฐานคุณภาพของมาตรฐานดังกล่าว

ปัจจุบัน ผู้คนมักจะแสดงความชื่นชอบต่อวัสดุแผ่นรองรับการส่งสัญญาณความเร็วสูง ซึ่งครอบคลุมช่วงการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์สมรรถนะที่กว้าง ในโครงสร้างของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากขึ้น แผ่นข้อมูลที่จัดทำโดยซัพพลายเออร์แผ่นรองรับสามารถระบุได้เพียงว่าวัสดุแผ่นรองรับบางประเภทมีสมรรถนะดีกว่าประเภทอื่น อย่างไรก็ตาม ประสบการณ์ของผู้ผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ไม่อาจมองข้ามได้ เพราะในระดับหนึ่ง พวกเขาตระหนักถึงสมรรถนะของวัสดุแผ่นรองรับอย่างแท้จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาตามสภาพการใช้งานจริง ตัวอย่างเช่น แม้ว่านักออกแบบ PCB จะสามารถคำนวณอิมพีแดนซ์ของลายวงจรได้ แต่วิธีการผลิตที่แตกต่างกันอาจทำให้อิมพีแดนซ์ไม่สอดคล้องกับข้อกำหนดการออกแบบ

โครงสร้างยังมีบทบาทสำคัญในแผงวงจรพิมพ์สำหรับงานทหาร/การบินและอวกาศ เนื่องจากสามารถช่วยหลีกเลี่ยงต้นทุนที่ไม่จำเป็นหรือช่วยลดความเสี่ยงที่เกิดจากโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ และสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านทหาร/การบินและอวกาศที่มีความซับซ้อนมากขึ้น โครงสร้างของผลิตภัณฑ์เหล่านี้ยังส่งผลต่อความสามารถในการผลิตของผลิตภัณฑ์ด้วย

ในอดีต ประเด็นด้านต้นทุนแทบไม่เคยถูกนำมาพิจารณาในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการทหารและอวกาศ แต่ก็ต้องยอมรับว่าการเพิ่มต้นทุนการผลิตผลิตภัณฑ์นั้นสามารถเป็นประโยชน์ต่อการลดความเสี่ยงในกระบวนการผลิตได้จริง ซึ่งท้ายที่สุดแล้วก็ถือว่าคุ้มค่า ในขั้นตอนการนำแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มาใช้ สามารถลดความเสี่ยงได้ด้วยการเพิ่มระยะเวลาวิจัยและพัฒนา และการทบทวนความครบถ้วนของข้อมูลก่อนการจัดเตรียมกระบวนการผลิต

แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา/หนักสำหรับการใช้งานด้านการทหาร/การบินและอวกาศ

• คำจำกัดความ

ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านการทหาร/การบินและอวกาศที่มีกำลังไฟสูงได้นำมาซึ่งความต้องการใหม่ต่อแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งก่อให้เกิดการสร้างสรรค์ของแผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา/หนักหรือแม้กระทั่งแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาพิเศษ แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา (Heavy copper PCBs) หมายถึงแผงวงจรที่มีความหนาของตัวนำทองแดงอยู่ในช่วง 137.2μm ถึง 686μm ในขณะที่แผงวงจรที่มีความหนาทองแดงมากกว่า 686μm หรือหนาถึง 6860μm จะเรียกว่าแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาพิเศษ (Extreme copper PCBs)

ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของแผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา ได้แก่:
a. สามารถทนต่อความเครียดจากความร้อนได้ โดยมีการเพิ่มขีดความสามารถในการต้านทานความเครียดของ PCB
b. การเพิ่มความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์ (PCB);
c. เพิ่มความสามารถในการกระจายความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยไม่จำเป็นต้องติดตั้งครีบระบายความร้อน;
d. การเพิ่มความแข็งแรงทางกลของการวางซ้อนระหว่างชั้นและรูชุบผ่านบอร์ด;
e. ใช้ได้กับทรานส์ฟอร์เมอร์แบบแบนที่มีกำลังไฟสูงซึ่งติดตั้งบนบอร์ด

เหรียญทุกเหรียญย่อมมีสองด้าน นอกจากข้อดีเหล่านั้นแล้ว แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนายังมีข้อเสียบางประการด้วยเช่นกัน การตระหนักถึงทั้งสองด้านที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนามีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้สามารถเข้าใจได้อย่างชัดเจนว่าจะใช้ประโยชน์จากฟังก์ชันและการประยุกต์ใช้งานที่เป็นไปได้อย่างไร

• การผลิตแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา

คล้ายกับแผ่นวงจรพิมพ์ FR4 มาตรฐานแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาใช้วิธีการผลิตแบบเดียวกัน โดยมีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการกัดและการชุบพิเศษ เช่น การชุบความเร็วสูงและการกัดชดเชย ในช่วงระยะเวลาหนึ่งในอดีต เคยมีการพยายามผลิตแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาโดยใช้เพียงกระบวนการกัดเพียงอย่างเดียว แผงวงจรบางส่วนที่ผลิตด้วยวิธีนี้กลายเป็นของเสียเนื่องจากเส้นขอบไม่สม่ำเสมอและการกัดเกินบริเวณขอบ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าว จึงได้มีการนำเทคนิคการชุบและการกัดขั้นสูงมาใช้ในภายหลัง เพื่อให้ได้เส้นขอบที่ตรงและการกัดบริเวณขอบที่เหมาะสมที่สุด

การชุบบนแผ่น PCB ทองแดงหนา ช่วยให้ผู้ผลิตแผ่น PCB สามารถเพิ่มความหนาของผนังรูทะลุแบบชุบและผนังรูทะลุได้ ซึ่งมีข้อดีดังต่อไปนี้:
a. จำนวนเลเยอร์ลดลง;
b. การลดการกระจายของอิมพีแดนซ์;
c. การลดปริมาณบรรจุภัณฑ์
d. ต้นทุนการผลิตลดลง

แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนาสามารถเชื่อมต่อกับแผ่นวงจรทั่วไปได้อย่างไร้รอยต่อ เมื่อกล่าวถึงลายวงจรและระยะห่างที่เล็กที่สุดบนแผ่นวงจร ตลอดจนช่วงค่าที่อยู่ในความคลาดเคลื่อนและขีดความสามารถในการผลิต จำเป็นต้องกำหนดโดยการหารือระหว่างวิศวกรออกแบบและผู้ผลิตก่อนการผลิตจริง

• ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าปัจจุบันและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนาสามารถรองรับกระแสได้มากเท่าใด? คำถามนี้มักขึ้นอยู่กับวิศวกรออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยเกี่ยวข้องกับความหนาและความกว้างของทองแดง รวมถึงการกำหนดค่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิสูงสุดที่แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนาสามารถทนได้ คำถามนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความร้อนที่เกิดจากแผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนาระหว่างการทำงานนั้นมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกระแสไฟฟ้า

เมื่อมีกระแสไหลผ่านลวด อัตราการใช้พลังงานขณะทำงานจะเท่ากับ 12% ของกำลังไฟเดิม ทำให้พลังงานที่สูญเสียไปก่อให้เกิดความร้อนจากการเปลี่ยนผ่านในตำแหน่งเฉพาะ ซึ่งจะถูกระบายออกสู่สภาพแวดล้อมโดยการนำความร้อน ต้องหาค่ากระแสสูงสุดที่ลวดบนแผ่น PCB ทองแดงหนาสามารถทนได้ และต้องค้นหาวิธีการประเมินการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและกระแสที่จ่ายให้สอดคล้องกัน ตามแนวทางของมาตรฐาน IPC-2221A มีสูตรที่ใช้ระบุความสามารถในการรับกระแสของลวดภายนอกอยู่แล้ว:ฉัน= 0.048 ×ดีที^0.44xดับบลิวxธ^0.725.

ในสูตรนี้ฉันหมายถึงค่าปัจจุบัน (หน่วย: A)ดีทีหมายถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ (หน่วย: °C);ดับเบิลยูหมายถึงความกว้างของเส้น (หน่วย: μin)ธหมายถึงความหนาของลายทองแดง (หน่วย: μin) ความสามารถในการรับกระแสของลายทองแดงภายในมีค่า 50% ของลายทองแดงภายนอก

ตามสูตร ตารางที่ 1 ได้สรุปความสามารถในการพากระแส โดยแสดงค่ากระแสที่พาได้ที่อุณหภูมิ 30°C สำหรับพื้นที่หน้าตัดขนาดต่าง ๆ

ตารางที่ 1 กระแสไฟฟ้าที่รองรับ (A) ที่ความกว้างลายทองแดงคงที่ (อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 30°C)

มีวัสดุแผ่นรองรับที่มีสมรรถนะต่างกันให้เลือกใช้สำหรับผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์และนักออกแบบ ตั้งแต่วัสดุแผ่นรองพื้นเรซินอีพ็อกซี FR-4 ทั่วไปที่มีอุณหภูมิการทำงาน 130°C ไปจนถึงวัสดุแผ่นรองพื้นแบบ Tg สูง จนถึงปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาชุดวิธีการสำหรับทดสอบคุณภาพการทนความร้อนของผลิตภัณฑ์ PCB สำเร็จรูปแล้ว เนื่องจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างทองแดงกับวัสดุแผ่นรองพื้น จึงเกิด “แรงขับเคลื่อน” ระหว่างกัน ซึ่งแท้จริงแล้วคือความเค้นทางความร้อนที่อาจทำให้เกิดรอยร้าว การรวมตัวและการเติบโตของรอยร้าว ซึ่งท้ายที่สุดจะทำให้ PCB ล้มเหลว

ในการทดสอบการหมุนเวียนเพื่อประเมินความสามารถของรูทะลุในการต้านทานช็อกความร้อน ได้ออกแบบชุดรูทะลุชุบทองแดงแบบอนุกรมจำนวน 32 รูเป็นตัวอย่างบนแผ่นวงจร และจะตรวจสอบสภาพของรูเหล่านี้หลังการทดสอบช็อกความร้อน รูทะลุชุบทองแดงรูแรกที่เกิดความล้มเหลวจะถูกกำหนดให้เป็นค่าความเค้นความร้อนสูงสุดที่แผ่นวงจรพิมพ์สามารถทนได้ การใช้แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา (Heavy Copper PCB) ในการทดสอบการหมุนเวียนช็อกความร้อนจะช่วยลดหรือขจัดความล้มเหลวได้

• การวิเคราะห์การกระจายความร้อน

ในระหว่างกระบวนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การสูญเสียกำลังไฟฟ้าจำนวนมากจะเกิดขึ้นในรูปของความร้อน ซึ่งต้องถูกสร้างขึ้นจากแหล่งกำเนิดความร้อน (อุปกรณ์) และแผ่กระจายออกสู่สภาพแวดล้อม มิฉะนั้น อุปกรณ์จะประสบปัญหาความร้อนสูงเกินไปหรือแม้กระทั่งล้มเหลว อย่างไรก็ตาม แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา (Heavy Copper PCB) สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแผ่นวงจรประเภทอื่น ๆ ทำให้อัตราความล้มเหลวของแผ่นวงจรลดลงอย่างมาก

เพื่อให้ความร้อนระบายออกได้อย่างง่ายดาย จึงต้องใช้ครีบระบายความร้อนชนิดหนึ่งเพื่อผลักดันให้ความร้อนถูกระบายออกสู่บรรยากาศผ่านการนำความร้อน การแผ่รังสี หรือการพาความร้อน โดยทั่วไปแล้ว ด้านตรงข้ามกับแหล่งกำเนิดความร้อนของครีบระบายความร้อนจะเชื่อมต่อกับพื้นที่ทองแดงผ่านรูชุบด้วยทองแดง

โดยทั่วไปแล้ว ครีบระบายความร้อนทั่วไปจะเชื่อมต่อกับพื้นที่เคลือบทองแดงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ผ่านการนำความร้อน นอกจากนี้ยังมีกรณีที่ใช้หมุดย้ำหรือสกรูในการเชื่อมต่อ ครีบระบายความร้อนส่วนใหญ่ทำจากทองแดงหรืออะลูมิเนียม

ดังนั้น การประกอบครีบระบายความร้อนระหว่างกระบวนการผลิตแผ่น PCB จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งสามารถทำได้ในแผ่น PCB ทองแดงหนา โดยสามารถทำให้ชั้นทองแดงบนผิวหน้าของแผงวงจรมีความหนามากขึ้นผ่านกระบวนการชุบไฟฟ้า ซึ่งช่วยเพิ่มสมบัติการนำความร้อนของผิวแผง อีกทั้งข้อดีอีกประการหนึ่งของวิธีนี้คือสามารถเพิ่มความหนาของชั้นชุบทองแดงในรูทะลุระบายความร้อน และช่วยลดความต้านทานความร้อนของแผ่น PCB ทองแดงหนาได้

เป็นเวลานานมากแล้วที่มีการใช้แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาในการรองรับชิ้นส่วนกำลังสูงในอุตสาหกรรมการทหารและการบินอวกาศ และแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาประเภทนี้จะถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายอุตสาหกรรมในอนาคตอันใกล้นี้

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์:
•แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนาและบริการการผลิต
•ความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักทองแดง ความกว้างลายวงจร และความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้า
•กฎสำคัญในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่คุณต้องรู้
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น