Wysoka grubość miedzi w PCB: jakie są pułapki?

Musimy przewodzić wysokie prądy na płytce drukowanej (podtrzymywane ~ 30 A), więc prawdopodobnie zamówimy nasze płytki o dużej grubości miedzi. Do tej pory używaliśmy tylko 35 mikronów (1 uncja) w naszych projektach, więc „wysoka grubość” oznacza dla nas 70 (2 uncje) lub 105 (3 uncje).

Nie wiemy, na co należy zwrócić uwagę przy grubości miedzi. Będziemy wdzięczni za wszelkie doświadczenia. Ponieważ jest to bardzo szeroki temat, zacznę zadawać konkretne pytania:

1. Wydaje się, że w wielu domach produkcyjnych 105 mikronów jest tak wysokie, jak to tylko możliwe. Czy to jest poprawne czy możliwa jest większa grubość?

2. Czy miedź w wewnętrznych warstwach może być tak gruba jak miedź na górze i na dole płyty?

3. Jeśli przepycham prąd przez kilka warstw płytki, czy konieczne lub preferowane (a nawet możliwe?) Jest równomierne rozprowadzenie prądu między warstwami?

4. O zasadach IPC dotyczących szerokości śladów: czy wytrzymają one w prawdziwym życiu? Aby uzyskać 30 A i wzrost temperatury o 10 stopni, jeśli poprawnie czytam wykresy, potrzebuję około 11 mm szerokości śladu na górnej lub dolnej warstwie.

5. Jaka jest lepsza praktyka przy łączeniu wielu warstw śladów wysokoprądowych: Umieszczanie szyku lub siatki przelotek blisko bieżącego źródła lub umieszczanie przelotek w ścieżce wysokiego prądu?

Spóźniłem się na grę, ale spróbuję:

1- Wydaje się, że w wielu domach produkcyjnych 105 mikronów jest tak wysokie, jak to tylko możliwe. Czy to jest poprawne czy możliwa jest większa grubość?

Niektóre sklepy mogą nakładać wewnętrzne warstwy. Kompromisem jest zwykle większa tolerancja w ogólnej grubości płyty, np. 20% zamiast 10%, wyższy koszt i późniejsze daty wysyłki.

2- Czy miedź w wewnętrznych warstwach może być tak gruba jak miedź na górze i na dole płyty?

Tak, chociaż warstwy wewnętrzne nie rozpraszają ciepła, podobnie jak warstwy zewnętrzne, a jeśli używasz kontroli impedancji, są bardziej prawdopodobne, że są paskami niż mikropaskami (tj. Używają dwóch płaszczyzn odniesienia zamiast jednej). Linie paskowe są trudniejsze do uzyskania impedancji celu; mikropask na zewnętrznych warstwach można po prostu pokryć, aż impedancja będzie wystarczająco bliska, ale nie można tego zrobić z wewnętrznymi warstwami po laminowaniu warstw.

3 - Jeśli przepycham prąd przez kilka warstw płytki, czy jest to konieczne lub preferowane (a nawet możliwe?) Rozprowadzanie prądu tak równo, jak to możliwe między warstwami?

Tak, jest preferowane, ale jest również trudne. Zwykle dzieje się tak tylko w przypadku płaszczyzn podłoża, łącząc przelotki i nakazując, aby dziury i przelotki łączyły się ze wszystkimi płaszczyznami tej samej sieci.

4- Informacje o zasadach IPC dotyczących szerokości śladów: czy utrzymują się w prawdziwym życiu? Aby uzyskać 30 A i wzrost temperatury o 10 stopni, jeśli poprawnie czytam wykresy, potrzebuję około 11 mm szerokości śladu na górnej lub dolnej warstwie.

Nowy standard IPC dotyczący obecnej pojemności (IPC-2152) dobrze sprawdza się w prawdziwym życiu. Jednak nigdy nie zapominaj, że standard nie uwzględnia pobliskich śladów generujących również porównywalne ilości ciepła. Na koniec sprawdź również spadki napięcia na swoich śladach, aby upewnić się, że są one dopuszczalne.

Ponadto norma nie uwzględnia zwiększonej rezystancji spowodowanej efektem naskórkowym w obwodach o wysokiej częstotliwości (np. Przełączana pętla mocy). Głębokość skóry dla 1 MHz wynosi około 2 uncje. (70 µm) miedź. 10 MHz to mniej niż 1/2 uncji. miedź. Obie strony miedzi są używane tylko wtedy, gdy prądy powrotne płyną w równoległych warstwach po obu stronach danej warstwy, co zwykle nie ma miejsca. Innymi słowy, prąd woli stronę zwróconą w stronę ścieżki odpowiedniego prądu powrotnego (zwykle płaszczyznę uziemienia).

5- Kiedy łączysz wiele warstw śladów wysokoprądowych, jaka jest lepsza praktyka: Umieszczanie tablicy lub siatki przelotek blisko źródła prądu, lub umieszczanie przelotek wzdłuż ścieżki wysokoprądowej?

Najlepiej (i zwykle łatwiej z praktycznego punktu widzenia) rozłożyć przelotki. Należy również pamiętać o ważnej rzeczy: wzajemna indukcyjność. Jeśli umieścisz przelotki, które przenoszą prąd przepływający w tym samym kierunku zbyt blisko siebie, nastąpi wzajemna indukcyjność między nimi, zwiększając całkowitą indukcyjność przelotek (możliwe, że siatka 4x4 przelotek będzie wyglądać jak 2x2 lub 1x2 przy kondensatorze odsprzęgającym częstotliwości). Zasadą jest utrzymywanie tych przelotek w odległości co najmniej jednej grubości deski (łatwiej) lub co najmniej dwukrotności odległości między płaszczyznami, które łączą przelotki (więcej matematyki).

Wreszcie, rozsądnie jest zachować symetryczność kopii zapasowej warstwy płyty, aby zapobiec jej wypaczeniu. Niektóre wspaniałe sklepy mogą chcieć podjąć dodatkowy wysiłek, aby walczyć z wypaczeniem z asymetrycznego stacka, zwykle przez zwiększenie czasu realizacji i kosztów, ponieważ muszą podjąć kilka prób, aby uzyskać odpowiedni dla twojej stacka.

$\mu$$^2$

Czy to jest prąd stały? Przy prądzie zmiennym możesz być ograniczony efektem skóry.

$\mu$

Myślę, że nieoczekiwaną gorączką nr 1 może być: marketingowcy PCB fantastyczni reklamują, że potrafią wytwarzać bardzo wąskie szerokości ścieżek / szczelin, a także reklamują, że mogą mierzyć grubość miedzi 35, 71 i 105 um (powszechnie nazywaną 1, 2 i 3 uncje miedzi), ale nie mogą zrobić obu na tej samej planszy. Jeśli chcesz grubszej miedzi, musisz rozstawić ślady bardziej od siebie niż na zwykłych płytkach drukowanych.

1. Zawsze możesz zadzwonić do fab PCB i zapytać, czy poradzą sobie z grubszą miedzią. Ale upewnij się i zapytaj, ile to będzie kosztowało. Nawet jeśli mogą wytworzyć grubszą miedź, możesz nie chcieć płacić sumy kosztów.

2. Miedź na 2 warstwach zewnętrznych jest zawsze grubsza niż warstwy wewnętrzne. Fabryki PCB zazwyczaj kupują „puste” płyty pokryte miedzią o grubości 17,5 μm lub 35 μm, wytrawiając je i dodając przekładki między nimi i sklejając je ze sobą, więc taka jest grubość każdej warstwy wewnętrznej. Następnie wiercą otwory i wrzucają płytkę drukowaną do kąpieli galwanicznej, w której rośnie warstwa miedzi w każdym otworze i na warstwach zewnętrznych. W rezultacie wszystkie warstwy wewnętrzne mają tę samą grubość, a obie warstwy zewnętrzne mają tę samą grubość, grubszą niż warstwy wewnętrzne.

3. Podczas przepychania wysokich prądów zwykle potrzebujesz szerokich, krótkich śladów, aby zmniejszyć rezystancję, a tym samym ciepło I2R generowane w tych śladach. Jeśli masz 2 nierówne ślady na różnych warstwach „równolegle”, zmniejszenie szerokości dowolnej części śladu zwiększa opór, a zatem wytwarzane ciepło I2R, pogarszając sytuację - nie ma znaczenia, czy sprawisz, że deska będzie bardziej zrównoważona zmniejszając szerokość szerszego śladu lub bardziej niezrównoważony, zmniejszając szerokość węższego śladu.

5- Kiedy łączysz wiele warstw śladów wysokoprądowych, jaka jest lepsza praktyka: Umieszczanie tablicy lub siatki przelotek blisko źródła prądu, lub umieszczanie przelotek wzdłuż ścieżki wysokoprądowej?

Podejrzewam, że umieszczenie tablicy blisko źródła prądu da mniejszy opór sieci.

„Czy występują problemy z asymetrycznymi ciężarami miedzi? Np. 35 um na warstwie 1-4 i 70 um na warstwie 5 i 6?”

Wczesne fabryki płytek drukowanych miały problemy, chyba że warstwy były „zrównoważone”. Rozumiem, że współczesne fabryki płytek drukowanych nie mają już takich problemów, więc ludzie mogą w zasadzie wytwarzać niezrównoważone płytki drukowane. Ale większość ludzi nie zawraca sobie głowy - standardowe cienkie warstwy wewnętrzne, grube warstwy zewnętrzne o 2 różnych grubościach są często odpowiednie dla większości desek.

Najlepszym źródłem wielu z tych pytań jest wybrany dostawca PCB. Różni dostawcy płytek drukowanych wyróżniają się na różnych typach płyt: niektórzy świetnie sobie radzą przy dużej prędkości i wąskich tolerancjach; inne są dobre w zastosowaniach o dużej mocy. Większość zrobi wszystko, o co poprosisz, ale może istnieć premia cenowa.

Nie wspominałeś, czy wysoki prąd będzie przy wysokich napięciach. Jeśli tak, to będziesz musiał spełnić dodatkowe wymagania dotyczące pełzania / luzu, aby spełnić wymagania bezpieczeństwa produktu.

1. Wydaje się, że w wielu domach produkcyjnych 105 mikronów jest tak wysokie, jak to tylko możliwe. Czy to jest poprawne czy możliwa jest większa grubość?

Istnieje znacznie mniejsza liczba domów z planszami, które mogą zrobić więcej niż 3 uncje. Ale jeśli zaprojektujesz tablicę w ten sposób, możesz utknąć w niej na zawsze, ponieważ nie będzie wielu innych opcji. Trzymałbym się co najwyżej 3 uncji.

Wiele domów na desce może zrobić 3 uncje miedzi. Należy jednak pamiętać, że wiele domów z płytami nie utrzymuje zapasu miedzi o grubości 3 uncji. Więc jeśli go użyjesz, być może będziesz musiał poczekać dodatkowy tydzień lub dwa na zamówienie materiału. Z mojego doświadczenia nie stanowi to zwykle dużego problemu, o ile planujesz go w harmonogramie projektu.

2.Czy miedź w wewnętrznych warstwach może być tak gruba jak miedź na górze i na dole płyty?

Zwykle jest odwrotnie.

Jeśli zamierzasz umieścić dowolne elementy SMD na płycie, prawdopodobnie Twoje zewnętrzne warstwy będą nadal wynosić 1 uncję, a niektóre wewnętrzne warstwy będą wynosić 3 uncje.

3.Jeśli przepycham prąd przez kilka warstw płytki, czy konieczne lub preferowane (a nawet możliwe?) Jest równomierne rozprowadzenie prądu między warstwami?

Zarówno preferowane, jak i możliwe jest równomierne rozłożenie prądu między warstwami, ale nie ma żadnych wymagań.

Obliczenia są znacznie łatwiejsze, gdy każda warstwa jest taka sama.

Najlepszym sposobem na to jest upewnienie się, że bieżące kształty wycinania na wszystkich warstwach są identyczne. Również wszystkie warstwy powinny być ze sobą powiązane u źródła i do celu, albo za pomocą siatki przelotek, platerowanego otworu przelotowego, lub obu.

Ale jeśli masz miejsce na innej warstwie, użyj dodatkowej miedzi, to tylko zmniejszy ciepło.

4. O zasadach IPC dotyczących szerokości śladów: czy utrzymują się w prawdziwym życiu? Aby uzyskać 30 A i wzrost temperatury o 10 stopni, jeśli poprawnie czytam wykresy, potrzebuję około 11 mm szerokości śladu na górnej lub dolnej warstwie.

Użyłem zaleceń IPC dla szerokości śledzenia bez problemów. Ale jeśli masz duży prąd na wielu warstwach, spodziewaj się wzrostu temperatury dla danej ilości miedzi (więc użyj więcej miedzi, jeśli masz przestrzeń).

Warto również oszacować odporność na ślad. Jeśli twoje narzędzie CAD może to zrobić, to świetnie, jeśli nie, możesz po prostu oszacować liczbę „kwadratów” miedzi od jednego końca do drugiego. Rezystancja wynosi zwykle 0,5 m Ohm na kwadrat przy 1 uncji lub 166u Ohm na kwadrat przy 3 uncji. Wykorzystując prąd i rezystancję obliczyć moc śladową. Przed kontynuowaniem sprawdź, czy moc wydaje się rozsądna.

Nie zapomnij również o mocy generowanej przez styki złącza, zaciskarki, złącza lutowane itp. Wszystkie te rzeczy sumują się, gdy mamy do czynienia z wysokim prądem.

5. Kiedy łączysz wiele warstw śladów wysokoprądowych, jaka jest lepsza praktyka: Umieszczanie szyku lub siatki przelotek blisko źródła prądu lub umieszczanie przelotek w ścieżce wysokiego prądu?

Zależy to od tego, czy źródłem i miejscem docelowym jest montaż powierzchniowy czy otwór przelotowy.

Jeśli otwór przelotowy oznacza, że ​​platerowany otwór wiąże już wszystkie warstwy razem, może nie być konieczne stosowanie dodatkowych przelotek.

Chcesz, aby prąd znajdował się na jak największej liczbie warstw na jak największej trasie. Tak więc w przypadku padów SMD powinny znajdować się przelotki w pobliżu źródła i miejsca docelowego. Najlepiej byłoby umieścić wypełnione przelotki bezpośrednio na podkładce, ponieważ w przeciwnym razie prowadziłbyś cały swój prąd tylko na jednej warstwie zewnętrznej, aż dotrzesz do pierwszych przelotek.

Umieszczenie jakichkolwiek przelotek z dala od źródła i celu oznacza, że ​​część prądu przepłynie na mniejszej liczbie warstw przez część trasy. Jeśli umieścisz przelotki równomiernie na całej ścieżce, prawdopodobne jest, że większość prądu przejdzie przez pierwsze kilka przelotek (być może ich dużo podgrzeje), a następnie mniej prądu przejdzie przez przelotki dalej. Dlatego nie będziesz uzyskiwał bardzo wydajnego korzystania z tych przelotek i przy takim podejściu będziesz potrzebował więcej przelotek. Ponieważ przelotki odbierają miejsce na rutowanie, może ogólnie zwiększyć rozmiar tablicy.