แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนาและกระแสสูงสำหรับขั้นตอนกำลังของอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ระดับสาธารณูปโภค

ข้อจำกัดสองประการ: กระแสสูงและการแยกแรงดันไฟฟ้าสูง

บอร์ดสเตจพาวเวอร์ภายในอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ระดับสาธารณูปโภคมักต้องรองรับกระแสต่อสตริงหรือโมดูลมากกว่า 100 A ขณะเดียวกันบอร์ดเดียวกันต้องคงไว้ซึ่งฉนวนไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ตลอดแนวบัส DC ที่มีแรงดันไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นเกิน 1500 V ในสถาปัตยกรรมอินเวอร์เตอร์แบบสตริงและแบบเซ็นทรัลระดับกริด ข้อกำหนดเหล่านี้ดึงทิศทางการออกแบบบอร์ดไปคนละทาง: ความสามารถในการรองรับกระแสผลักดันให้ไปสู่ทองแดงหนา(3–6 ออนซ์ บางครั้งมากกว่านี้ในเลเยอร์บัสบาร์อินเตอร์คอนเนกต์) ในขณะที่ข้อกำหนดด้านฉนวนแรงดันไฟฟ้าทำให้ต้องจัดการระยะคลาน/ระยะห่างให้เข้มงวดขึ้น และควบคุมความหนาของไดอิเล็กทริกอย่างแม่นยำ

พารามิเตอร์ SMT มาตรฐาน — ความหนาของสเตนซิล โปรไฟล์รีโฟลว์ ปริมาตรของครีมประสานที่คำนวณมาสำหรับทองแดง 1–2 ออนซ์ — ไม่สามารถนำมาใช้กับโครงสร้างเลเยอร์แบบนี้ได้โดยตรง ระนาบทองแดงหนาทำหน้าที่เป็นมวลความร้อนขนาดใหญ่ระหว่างการรีโฟลว์ ดูดความร้อนจากชิ้นส่วนระยะพิชละเอียดที่อยู่ใกล้เคียงและทำให้ความชันของอุณหภูมิที่โปรไฟล์ถูกออกแบบมาสำหรับมันแบนลง หากไม่แก้ไข จะทำให้เกิดจุดบัดกรีเย็นบนแผ่นแพดกำลังขนาดใหญ่ควบคู่ไปกับการขาดแคลนหรือการลัดของตะกั่วบัดกรีบนชิ้นส่วนระยะพิชละเอียดที่อยู่ใกล้กัน ดังนั้นบอร์ดภาคจ่ายกำลังจึงกลายเป็นสองปัญหางานประกอบที่อยู่ร่วมกันบนแผงเดียว: บริเวณไดรเวอร์/ควบคุมระยะพิชละเอียด และบริเวณภาคกำลังทองแดงหนา ซึ่งแต่ละส่วนมีความต้องการปริมาตรครีมประสานและเงื่อนไขทางความร้อนที่แตกต่างกัน

การออกแบบสเตนซิลแบบขั้นบันไดสำหรับบอร์ดจ่ายไฟความหนาแน่นผสม

การตอบสนองเชิงปฏิบัติต่อความไม่สอดคล้องกันนี้คือการใช้สเตนซิลแบบหลายระดับความหนาแทนฟอยล์แบบหนาเท่ากันทั้งแผ่น โซนไดรเวอร์/ควบคุม — ไดรเวอร์เกต, ไอซีไดรเวอร์เกตแบบแยก, แอมพลิฟายเออร์วัดกระแส, ชิ้นส่วนพาสซีฟระยะพิชชิ่งละเอียด — จะใช้ส่วนของสเตนซิลที่บางกว่า ซึ่งกฎมาตรฐานของอัตราส่วนพื้นที่ยังคงใช้ได้เพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยครีมประสานไม่เพียงพอบนช่องเปิดขนาดเล็ก ส่วนโซนกำลัง — แพดของอุปกรณ์กำลัง SiC/Si แบบดิสครีต (TO-247, D2PAK/TO-263, power QFN/DFN), แพดลงบัสบาร์, วงแหวนแพด THT ทองแดงหนา — จะใช้ส่วนที่หนากว่าและช่องเปิดขนาดใหญ่กว่า โดยยกระดับขึ้นเพื่อให้ปริมาตรครีมประสานเพียงพอต่อแพดที่มีมวลความร้อนสูง โดยไม่ทำให้เกิดการพิมพ์เกินบนฟีเจอร์ขนาดเล็กที่อยู่ใกล้เคียง

ความแตกต่างของอัตราส่วนรูเปิดระหว่างสองโซนคือปัจจัยคานงัดที่สำคัญ: การพิมพ์โซนกำลังไฟต่ำกว่าที่กำหนดจะทำให้เกิดโพรงอากาศและการไม่เปียกบนแผ่นแพดขนาดใหญ่ แม้ว่าโซนไดรเวอร์จะพิมพ์ได้อย่างถูกต้องก็ตาม ในขณะที่การพิมพ์เกินจะเสี่ยงต่อการลัดวงจรกับฟีเจอร์ระยะพิทช์ละเอียดใกล้เคียงกัน เนื่องจากสเตนซิลแบบไล่ระดับสร้างความสูงเป้าหมายของครีมประสานสองระดับที่แตกต่างกันบนแผงเดียว ความสม่ำเสมอของการพิมพ์จึงต้องได้รับการตรวจสอบแยกตามแต่ละโซน แทนที่จะใช้ค่าเฉลี่ยทั้งแผงเพียงค่าเดียว — การฝากครีมประสานจากทั้งสองโซนจะถูกวัดด้วยเครื่องตรวจสอบครีมประสานแบบสามมิติ (3D SPI) ทันทีหลังการพิมพ์ โดยเทียบกับเกณฑ์ความสูงและปริมาตรเฉพาะของแต่ละโซน 3D SPI ที่นี่เป็นการตรวจสอบควบคุมกระบวนการบนสายการผลิตสำหรับความสูงและปริมาตรของการพิมพ์เทียบกับค่าเป้าหมายที่ตั้งโปรแกรมไว้ — เป็นความสามารถในการผลิต ไม่ใช่บริการวัดหรือสอบเทียบที่ได้รับการรับรอง — และคุณค่าของมันอยู่ในวงปิด: ความคลาดเคลื่อนของความสูงครีมประสานในโซนใดโซนหนึ่งจะถูกตรวจพบและแก้ไขก่อนการรีโฟลว์ แทนที่จะไปปรากฏภายหลังในรูปของตำหนิบัดกรีบนภาพเอ็กซเรย์

อาร์เรย์เวียระบายความร้อนและการถมทองแดงสำหรับแผงวงจรไดรเวอร์อุปกรณ์กำลัง

ส่วนนี้ใช้กับอุปกรณ์กำลัง SiC/Si แบบดิสครีตที่ถูกรีโฟลว์หรือเวฟโซลเดอร์โดยตรงลงบนบอร์ด — แพ็กเกจ TO-247, D2PAK/TO-263 และ power QFN/DFN ที่มีแผ่นระบายความร้อน (thermal pad) แบบเปิดโล่ง — ไม่ได้ใช้กับโมดูลกำลัง IGBT/SiC แบบยึดด้วยสกรูที่มีเพลตฐาน (baseplate) ของตัวเอง โมดูลขนาดใหญ่จะถูกยึดติดกับฮีตซิงด้วยวิธีเชิงกล ผ่านสกรูหรือตัวเทอร์มินัลแบบอัดเข้า (press-fit) และเส้นทางการระบายความร้อนหลักจะผ่านเพลตฐานของโมดูลเองแทนที่จะผ่านแผ่น PCB; การยึดเชิงกลลักษณะนี้อยู่นอกขอบเขตมาตรฐานของการประกอบ PCBA สำหรับอุปกรณ์ดิสครีตนั้น เส้นทางเดียวของแผ่นระบายความร้อนที่จะไปยังฮีตสเปรดเดอร์หรือคอปเปอร์พัวร์คือผ่านบอร์ด ซึ่งทำให้กลยุทธ์การวางเวียด้านล่างเป็นส่วนแกนกลางของการประกอบ แทนที่จะเป็นตัวเลือกเสริมเพิ่มเติม

Theผ่านอาร์เรย์บริเวณใต้แผ่นระบายความร้อนที่เปิดโล่งของอุปกรณ์จำเป็นต้องมีความหนาแน่นของรูผ่านที่เพียงพอเพื่อให้พื้นที่หน้าตัดรวมกันโดยประมาณเท่ากับรอยเท้าของแผ่นระบายความร้อน แทนที่จะเป็นตารางรูผ่านที่เบาบางเฉพาะบริเวณขอบแผ่น รูผ่านใต้รอยเท้าที่รองรับกำลังไฟสูงเหล่านี้มักจะถูกเติมด้วยทองแดงและปิดฝา แทนที่จะปล่อยให้เปิดโล่งหรืออุดด้วยเรซิน เพราะรูผ่านที่เปิดจะทำให้ตะกั่วบัดกรีไหลออกจากจุดเชื่อมต่อระหว่างการรีโฟลว์และทำให้ปริมาณตะกั่วบัดกรีไม่เพียงพอ ทั้งหมดนี้จะใช้ไม่ได้เลยหากไม่มีความต่อเนื่องของเพลน: เพลนทองแดงภายในที่ต่อร่วมกับสนามรูผ่านระบายความร้อนต้องมีพื้นที่ต่อเนื่องเพียงพอสำหรับการกระจายความร้อนในแนวระนาบ เนื่องจากแถวรูผ่านที่ต่อไปยังเกาะทองแดงขนาดเล็กที่แยกตัวไม่สามารถทำหน้าที่เป็นฮีตซิงก์ได้ ไม่ว่ารูผ่านจะถูกเติมได้ดีเพียงใดก็ตาม คุณภาพการเติมรูผ่านและความสมบูรณ์ของจุดบัดกรีเหนือบริเวณรูผ่านเป็นสิ่งที่กระบวนการประกอบต้องตรวจสอบ ไม่ใช่สมมติฐานจากไฟล์ออกแบบที่ปล่อยให้ค้างคาโดยไม่ผ่านการทดสอบ

การบัดกรีคลื่นแบบเลือกตำแหน่งด้วยไนโตรเจนสำหรับขั้วต่อ THT ทองแดงหนา

ในสเตจจ่ายกำลังของอินเวอร์เตอร์ระดับยูทิลิตี้มักยังคงใช้คอมโพเนนต์แบบทะลุรูบนเส้นทางกำลังอยู่เสมอ ไม่ว่าจะเป็นเทอร์มินัลบัสบาร์ อินดักเตอร์กระแสสูง บล็อกคอนเน็กเตอร์ ซึ่งมีมวลทองแดงของแพดและบาร์เรลมากจนการบัดกรีด้วยมือหรือการรีโฟลว์มาตรฐานไม่สามารถทำให้บาร์เรลเต็มได้อย่างน่าเชื่อถือ

ทองแดงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ง่ายที่อุณหภูมิสูงในอากาศ และพื้นผิวที่เกิดออกซิเดชันจะทำให้มุมสัมผัสระหว่างบัดกรีหลอมเหลวกับโลหะฐานเพิ่มขึ้น — ในเชิงปฏิบัติแล้ว บัดกรีจะเกาะเป็นเม็ดแทนที่จะเปียกและไต่ขึ้นไปตามรูถัง ในลักษณะ THT ที่ใช้ทองแดงหนา ผลกระทบนี้จะรุนแรงขึ้น: มวลความร้อนที่มากกว่าจะทำให้จุดเชื่อมคงอยู่ที่อุณหภูมิการบัดกรีนานกว่า ทำให้ปฏิกิริยาออกซิเดชันมีเวลาดำเนินต่อไปมากขึ้นหากไม่ควบคุมบรรยากาศการบัดกรีแบบคลื่นเชื่อมเลือกเฉพาะจุดภายใต้การปกป้องด้วยไนโตรเจนแทนที่ออกซิเจนในบรรยากาศระหว่างการสัมผัสกับคลื่นบัดกรี ช่วยปรับปรุงมุมการเปียกและความสม่ำเสมอของการเติมเนื้อโลหะในรูบาร์เรล โดยไม่ต้องใช้ฟลักซ์ในปริมาณมากขึ้นซึ่งปกติจะถูกใช้เพื่อชดเชยการเปียกที่ไม่ดี และยังช่วยให้สามารถกำหนดช่วงเวลาแช่คลื่นที่แคบกว่าและทำซ้ำได้สม่ำเสมอยิ่งขึ้น เนื่องจากกระบวนการไม่ได้ต้องต่อสู้กับการเกิดออกไซด์แบบเรียลไทม์ บนบอร์ดทองแดงหนา ขั้นตอนนี้ถือเป็นแนวปฏิบัติมาตรฐานบนอุปกรณ์ ZSWHPS-11-2 ไม่ใช่ตัวเลือกเสริม — มวลของทองแดงและขนาดของขั้วต่อในที่นี้ทำให้ความล้มเหลวของการเปียกที่เกิดจากการออกซิเดชันเป็นผลลัพธ์ที่เป็นไปได้จริงของกระบวนการคลื่นบัดกรีในบรรยากาศอากาศ

เกณฑ์การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์และการยอมรับช่องว่าง

โหมดข้อบกพร่องสองรูปแบบนี้เป็นลักษณะเฉพาะของบอร์ดประเภทนี้และไม่สามารถตรวจจับได้อย่างน่าเชื่อถือด้วย AOI เพียงอย่างเดียว เนื่องจากทั้งสองอย่างอยู่ใต้ผิวหน้า: การเกิดโพรงภายในวัสดุอัดเติมเทอร์มอลเวียใต้แผ่นรองระบายความร้อนของอุปกรณ์กำลังแบบดิสครีต และการเกิดโพรงในรอยประสานใต้ชิปควบคุมและไดรเวอร์แบบ BGA/QFN บนบอร์ดเดียวกัน การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์แบบออฟไลน์ที่สามารถเอียงมุมได้จะใช้ประเมินทั้งสองกรณี — อัตราการเติมเทอร์มอลเวียใต้แผ่นรองระบายความร้อนของอุปกรณ์ดิสครีต เนื่องจากการเติมไม่เต็มจะลดเส้นทางการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ แม้รอยประสานบนผิวหน้าจะดูยอมรับได้ก็ตาม และการเกิดโพรงในรอยประสานของ BGA/QFN เทียบกับIPC-7095Dแนวทาง ควรระบุให้ชัดเจนตรงนี้: IPC-7095D เป็นเอกสารว่าด้วยกระบวนการและระเบียบวิธีการตรวจสอบ — อธิบายว่ารูโพรง (void) เกิดขึ้นได้อย่างไร วิธีการวัดด้วยเอกซเรย์ วิธีจัดโครงสร้างแผนการสุ่มตรวจ — ไม่ใช่แหล่งที่มาของตัวเลขเกณฑ์รับ/คัดออกโดยตรง เกณฑ์พื้นที่รูโพรงที่มักอ้างถึงกัน (ประมาณ 25% ต่อบอลประสานหนึ่งลูกภายใต้แนวทางปัจจุบัน) นั้นมาจาก IPC-A-610 ซึ่งนำมาใช้เหมือนกันทั้ง Class 2 และ Class 3; สิ่งที่เปลี่ยนไปตามคลาสคือ “ความครอบคลุมในการตรวจสอบ” โดยเปลี่ยนจากการสุ่มตรวจเป็นการเอกซเรย์ 100% แทน ไม่ใช่การใช้เปอร์เซ็นต์ที่แตกต่างกัน

เนื่องจากบอร์ดเหล่านี้ผสมผสานโซนที่มีความสำคัญต่อกำลังไฟและความเชื่อถือได้เข้ากับโซนที่มีความสำคัญต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ วิธีการยอมรับในทางปฏิบัติจึงไม่เป็นแบบเดียวกันทั้งแผง: via ระบายความร้อนใต้ชิ้นส่วนกำลังไฟมักถูกกำหนดให้มีเกณฑ์อัตราการเติมที่เข้มงวดกว่า via ทั่วไป ในขณะที่แพ็กเกจ BGA/QFN จะได้รับการตรวจ X-ray 100% แทนการสุ่มตรวจเมื่อการผลิตกำหนดให้เป็น Class 3 ข้อมูล X-ray จะถูกส่งกลับไปยังพารามิเตอร์ของสเตนซิลและการเติม via ข้างต้น — รูปแบบการเกิดโพรงซ้ำ ๆ ในโซนใดโซนหนึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นต้องปรับปริมาณครีมบัดกรีหรือลำดับการเติม ไม่ใช่แค่บอร์ดที่ต้องปฏิเสธเท่านั้น

เหตุใดการทำซ้ำต้นแบบจึงมีความสำคัญบนบอร์ดประเภทนี้

การออกแบบสเตจจ่ายไฟแบบทองแดงหนามักจะไม่สามารถกำหนดโซนของสเตนซิล พารามิเตอร์การอัดเติมรูผ่าน และการตั้งค่าการบัดกรีแบบคลื่นได้อย่างลงตัวตั้งแต่การประกอบรอบแรก — โดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้จะถูกปรับจูนผ่านการรันต้นแบบสองหรือสามรอบ โดยอาศัยข้อมูลจาก SPI และเอกซเรย์ของรอบก่อนหน้า ไม่ได้คำนวณได้อย่างถูกต้องจากเพียงแค่สกีแมติกและสแต็กอัปเท่านั้น นั่นทำให้ผู้รับจ้างประกอบที่เชี่ยวชาญงานแบบ high-mix, low-volume (HMLV) ได้เปรียบ: สามารถส่งมอบบอร์ดจำนวนน้อยได้อย่างรวดเร็ว มีการให้คำแนะนำ DFM ระหว่างรอบการทำต้นแบบ และมีข้อมูลการตรวจสอบที่นำไปใช้ปรับพารามิเตอร์กระบวนการของชุดถัดไปได้โดยตรง — แทนที่จะเป็นไลน์การผลิตที่ถูกปรับเพียงครั้งเดียวสำหรับดีไซน์เดียวที่ผ่านการยืนยันแล้วและผลิตในปริมาณมาก ในฐานะผู้ประกอบแบบ HMLV ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 วงจรการทำซ้ำลักษณะนี้ใกล้เคียงกับรูปแบบการทำงานปกติของ PCBCart มากกว่าการรันแบบปริมาณมากครั้งเดียว และมีความสำคัญมากกว่าในช่วงเฟสการตรวจสอบยืนยันดีไซน์ใหม่ มากกว่าหลังจากที่ดีไซน์ถูกตรึงตายแล้ว

รายการตรวจสอบ DFM สำหรับบอร์ดกำลังทองแดงหนา

●        ยืนยันแพ็คเกจของอุปกรณ์กำลัง: ชนิดดิสครีต SMD/THT (สามารถบัดกรีบนไลน์นี้ได้) เทียบกับโมดูลแบบขันสกรูที่มีแผ่นฐานในตัวเอง (ยึดเชิงกล อยู่นอกขอบเขตของ PCBA)

●        น้ำหนักทองแดงและเป้าหมายกระแสไฟฟ้าที่รองรับถูกบันทึกตามเน็ต/เพลน

● สเตนซิลแบ่งโซนด้วยรูเปิด/ความหนาสำหรับบริเวณไดรเวอร์และบริเวณพาวเวอร์ โดยแต่ละส่วนมีเป้าหมายความสูงของครีมประสานเป็นของตนเอง

●        แถวของรูผ่านระบายความร้อนที่ปรับขนาดให้ตรงกับรอยสัมผัสของอุปกรณ์แต่ละชิ้น โดยระบุวิธีการเติม/ปิดรู

●        เทอร์มินัล THT และอินดักเตอร์บนเส้นทางจ่ายไฟถูกระบุให้ใช้การบัดกรีแบบคลื่นไนโตรเจน ไม่ใช่เฉพาะการรีโฟลว์

●        ความเสี่ยงการโก่งงอของแผงได้รับการแก้ไขในระดับฟิกซ์เจอร์สำหรับเลย์เอาต์ขนาดใหญ่ที่มีลายทองแดงไม่สมมาตร

●        แผนการยอมรับผล X-ray ถูกกำหนดแยกต่างหากสำหรับการเติมรูเทอร์มอลเวียใต้ชิ้นส่วนกำลังไฟฟ้า เทียบกับการพิจารณาฟองอากาศใน BGA/QFN ตามมาตรฐาน IPC-A-610/IPC-7095D โดยให้ความครอบคลุมของการตรวจสอบ (การสุ่มตรวจเทียบกับการตรวจ 100%) สอดคล้องกับระดับชั้นของการผลิต

●        ระยะห่างฉนวน/ระยะคลานได้รับการตรวจสอบซ้ำโดยอ้างอิงจากเลย์เอาต์ทองแดงสุดท้าย ไม่ใช่เพียงแค่ตามเจตนาจากสเกแมติก

หากคุณกำลังกำหนดขอบเขตโครงการโซลาร์หรือโครงการอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่กว้างขึ้นซึ่งมีภาคจ่ายกำลังแบบทองแดงหนาและกระแสสูง โปรดส่งไฟล์บอร์ดและข้อกำหนดด้านกระแส/แรงดันไฟฟ้าสำหรับการตรวจสอบ DFM และความสามารถของกระบวนการ

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์

●ความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักทองแดง ความกว้างลายวงจร และความสามารถในการรองรับกระแส

●เอกสารอ้างอิง ROI สำหรับการบัดกรีแบบเลือกจุด: การเปรียบเทียบต้นทุน THT แบบแมนนวลกับแบบอัตโนมัติ

●การจัดการความเชื่อถือได้ด้านความร้อนในแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ของเครื่องมือวินิจฉัย