تصميم PCBs النحاس الثقيل لتطبيقات التيار العالي: دليل شامل

الصور التي يستخدمها الزبائن

في الإلكترونيات ذات الطاقة العالية ‬من عوائل المركبات الكهربائية (EV) إلى محركات المحركات الصناعية ‬تفشل PCBs النحاسية القياسية 1 أونصة.هذه الأنظمة تتطلب PCBs التي يمكن أن تتعامل مع 30A إلى 200A التيارات دون ارتفاع درجة الحرارة، مقاومة الدورات الحرارية، والحفاظ على سلامة الإشارة. أدخل PCBs النحاس الثقيلة: المحددة من خلال آثار النحاس والطائرات من 3 أونص (105 ميكرو مترا) أو أكثر سمكًا،تم تصميمها لحل التحديات الفريدة لتصميم التيار العالي.

تصميم أقراص PCB النحاس الثقيلة لا يتعلق فقط باستخدام النحاس الأكثر سمكاً، بل يتطلب النظر بعناية في هندسة الآثار، وتوافق المواد، والإدارة الحرارية، والقدرة على التصنيع.هذا الدليل يكسر المبادئ الحاسمة لتصميم PCB النحاس الثقيل لتطبيقات التيار العالي، من اختيار المواد إلى أفضل الممارسات للتخطيط، ويوضح كيفية تجنب الفخاخ الشائعة سواء كنت تصمم نظام إدارة بطارية 50A EV (BMS) أو مصدر طاقة صناعي 150A،هذا المصدر سوف تساعدك على خلق موثوق بهالوحات عالية الأداء

المعلومات الرئيسية
1تتعامل آثار النحاس الثقيل (3 أوقية +) مع 2 × 5 أوقات أكثر من النحاس 1 أوقية القياسية: تتحمل آثار 3 أوقية (105 ميكرومتر) 30A ، في حين أن آثار 10 أوقية (350 ميكرومتر) تدعم 80A بنفس العرض.

2تشمل عوامل التصميم الحرجة عرض/سمك الأثر (اتباع معايير IPC-2221) ، وأنماط الإغاثة الحرارية (تقليل النقاط الساخنة بنسبة 40٪) ،و عن طريق ملء (المرابضات النحاسية الصلبة تحمل 3x أكثر من التيار من المرابضات المطلية).

3الركائز عالية Tg (≥ 170 °C) والقوالب المملوءة بالسيراميك غير قابلة للتداول لتصاميم التيار العالي ، لأنها تتحمل درجات حرارة تشغيل 150 °C +.

4بالمقارنة مع PCBs القياسية ، تخفض تصاميم النحاس الثقيلة المقاومة الحرارية بنسبة 60٪ وتطيل عمر المكونات بنسبة 2 × 3 في الأنظمة عالية الطاقة.

ما الذي يجعل PCBs النحاسي الثقيل مثالياً لتطبيقات التيار العالي؟
تعمل دوائر التيار العالي على توليد حرارة كبيرة (حسب قانون جول: P = I2R) ، وتكافح أقراص PCB القياسية لتبديد هذه الطاقة. تعالج أقراص PCB النحاس الثقيلة هذا مع ثلاث مزايا أساسية:

a. مقاومة كهربائية أقل: النحاس الأكثر سماكة يقلل من المقاومة (R = ρL / A ، حيث A = مساحة القسم العرضي) ، مما يقلل من فقدان الطاقة وتوليد الحرارة.آثار النحاس 3 أوقية لديها 66% أقل مقاومة من آثار 1 أوقية من نفس العرض.
b. التوصيل الحراري العالي: التوصيل الحراري للنحاس (401 W/m·K) أعلى بـ 1,300 مرة من FR4 (0.3 W/m·K). تعمل طائرات النحاس السميكة كمساحات حرارة مدمجة ،انتشار الحرارة بعيدا عن المكونات مثل IGBTs و MOSFETs.
c.تعزيز المتانة الميكانيكية: النحاس السمين (وخاصة 5 أوقية +) يقاوم التعب من الدوران الحراري (-40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية) والاهتزاز ، مما يقلل من آثار التشقق - نقطة فشل شائعة في PCBs القياسية.

سمك النحاس الثقيل مقابل القدرة على تحمل التيار
العلاقة بين سمك النحاس والتيار ليست خطية، وعرض المسار، ودرجة حرارة البيئة، وتدفق الهواء تلعب أيضا أدوار.فيما يلي مرجع عملي لتصاميم التيار العالي (على أساس IPC-2221 واختبار الصناعة، على افتراض 25 درجة مئوية في البيئة والطول 10 سم):

ملاحظة: بالنسبة للتيارات > 100A ، استخدم آثار متوازية (على سبيل المثال ، اثنين من آثار 10 أونصة ، 1.5 مم لـ 200A) لتجنب عرض الأثر المفرط وصعوبات التصنيع.

مبادئ التصميم الحرجة لـ PCBs النحاسي الثقيل
يتطلب تصميم أقراص PCB النحاسية الثقيلة للتيار العالي التوازن بين الأداء الكهربائي والإدارة الحرارية وقابلية التصنيع. اتبع هذه المبادئ الأساسية لتحسين تصميمك:

1. حساب عرض العلامة السطحية والسمك للتيار المستهدف
أساس تصميم التيار العالي هو تحديد حجم المسارات للتعامل مع التيار المتوقع دون زيادة درجة الحرارة. استخدم هذه الإرشادات:

a. اتبع معايير IPC-2221: توفر مواصفات IPC-2221 صيغًا لعرض الأثر بناءً على التيار والارتفاع في درجة الحرارة وسماكة النحاس.لزيادة درجة الحرارة 10 درجة مئوية (شائعة في التصاميم عالية الموثوقية):
3 أوقية من النحاس: 0.8 ملم عرض = 25A
5 أوقية من النحاس: 0.8 ملم عرض = 38A
ب.حساب درجة حرارة البيئة: في البيئات الحارة (على سبيل المثال، محطات محركات الكهرباء، 85 درجة مئوية) ، خفض التيار بنسبة 30٪ إلى 40٪ (انظر الجدول أعلاه).
تجنب الحجم المفرط: في حين أن النحاس الأكثر سمكاً أفضل للجريان الحالي ، يصبح النحاس الذي يزيد عن 15 أوقية من الصعب حفره وتصفيفه ‬لالتصاق بـ 10 أوقية كحد أقصى لمعظم التطبيقات التجارية.

توصية الأداة: استخدم الآلات الحاسبة عبر الإنترنت مثل آلة حاسبة عرض تعقب PCB (من حلقات سييرا) أو أداة تقييم التيار المدمجة من Altium ‬ للتحقق من صحة الحجم.

2إعطاء الأولوية لإدارة الحرارة
حتى مع النحاس الكثيف، تخلق المكونات عالية التيار (مثل IGBTs ومقاومات الطاقة) نقاط ساخنة. تخفيف هذا مع هذه الاستراتيجيات:

أ.سطوحات الإغاثة الحرارية: ربط مكونات الطاقة بمسطحات النحاس الثقيلة باستخدام أنماط الإغاثة الحراريةوسادة الإغاثة الحرارية 5mm × 5mm لمكون TO-220 تقلل من درجة حرارة النقطة الساخنة بنسبة 40٪ مقابل. وسادة صلبة.
b.طائرات النحاس لنشر الحرارة: استخدم طائرات النحاس 3 ̊5 أوقية (وليس فقط آثار) تحت مكونات الطاقة. طائرة النحاس 5 أوقية تنشر الحرارة بسرعة 2 أضعاف طائرة 3 أوقية.
الممرات الحرارية: إضافة الممرات الحرارية المليئة بالنحاس (0.3 × 0.5 ملم قطر) حول المكونات الساخنة لنقل الحرارة إلى المستويات الداخلية / الخارجية.القنوات الفضائية 1~2mm بعيدا عن بعضها البعض لتحقيق أقصى كفاءة 10 القنوات الحرارية تقلل من درجة حرارة المكونات بنسبة 15~20 درجة مئوية.
d.تجنب ضيقات الأثر: يخلق تضييق أثر 10 أوقية، 1.5 ملم إلى 0.8 ملم لموصل، مما يزيد من درجة الحرارة بنسبة 25 درجة مئوية. استخدم التواءات التدريجية (نسبة 1: 3) إذا كان من الضروري تغيير العرض.

دراسة حالة: مصدر الطاقة الصناعي 50A باستخدام طائرات النحاس 5 أوقية و 12 قناة حرارية خفضت درجة حرارة تقاطع IGBT من 120 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية ، مما يطيل عمر المكون من 3 سنوات إلى 7 سنوات.

3تحسين من خلال التصميم للتيار العالي
غالبًا ما يتم تجاهل القنوات في تصميم التيار العالي، لكنها حاسمة لربط الطبقات ونقل التيار:

a.استخدام القنوات المملوءة بالنحاس: القنوات المعلبة القياسية (25 ميكرومتر من النحاس) تحمل 1015A ؛ القنوات المملوءة بالنحاس (قلب النحاس الصلب) تحمل 3050A ، اعتمادًا على القطر. A 0.5 مليمتر ملئ عن طريق حاملات 35A √مثالية للاتصالات المتبادلة EV BMS.
زيادة قطر القناة: بالنسبة للتيارات > 50A ، استخدم العديد من القنوات (على سبيل المثال ، أربعة قنوات مليئة بـ 0.5 ملم لـ 120A) أو قنوات أكبر (قطر 0.8 ملم = 50A لكل قناة مليئة).
ج.تجنب القضبان عبر القضبان: لا تستخدم القضبان عبر القضبان (الشائعة في القضبان من خلال الثقب) لخلق عدم تطابق العقبات والحرارة. القضبان الخلفية أو استخدام القضبان العمياء / المدفونة لمسارات التيار العالي.

4حدد المواد المتوافقة
يتطلب PCBs النحاس الثقيل مواد التي تتحمل الحرارة العالية والإجهاد الميكانيكي:

أ.الجزء الرئيسي (المادة الأساسية):
FR4 عالي Tg (Tg ≥170 °C): معيار لمعظم تصاميم التيار العالي (مثل EV BMS). يتحمل 150 °C التشغيل المستمر والارتداد الخالي من الرصاص (260 °C).
FR4 المملوءة بالسيراميك (مثل Rogers RO4835): موصلات حرارية تبلغ 0.6 W / m · K (2x أعلى من FR4 القياسي) تجعلها مثالية لأنظمة 70A + مثل المحولات الشمسية.
أقراص PCB ذات النواة المعدنية (MCPCBs): تجمع بين النحاس الثقيل مع نواة الألومنيوم / النحاس لقيادة حرارية تبلغ 1 ′′ 5 W / m· K ′′ تستخدم في محركات LED عالية الطاقة ووحدات شحن EV.
ب.نوع ورق النحاس:
النحاس الكهربائي: فعال من حيث التكلفة لسمك 3 ̊7 أونصة ؛ مناسبة لمعظم التطبيقات.
النحاس المطاطي: صلابة أعلى (مقاومة للتشقق) لـ 10 أوقية + من النحاس وPCB النحاس الثقيل المرن (على سبيل المثال ، كابلات شحن EV قابلة للطي).
قناع لحام: استخدم قناع لحام عالي درجة الحرارة (Tg ≥ 150 °C) مثل DuPont PM-3300 ، الذي يقاوم 260 °C إعادة التدفق ويمنع أكسدة النحاس.

جدول مقارنة المواد:

5. وضع أفضل الممارسات للتصنيع
النحاس الثقيل (وخاصة 7 أونصة +) أصعب الحفر والصفاة من النحاس العادي. تجنب هذه الأخطاء الشائعة في التخطيط:

الفاصل بين الأثرات: حافظ على عرض الأثر ≥2x بين آثار النحاس الثقيل لمنع مشاكل الحفر. بالنسبة لأثر 1.0 مم ، 5 أونصات ، استخدم فاصل 2.0 مم.
(ب) إزالة الحواف: الحفاظ على آثار النحاس الثقيلة ≥ 1.5 ملم من حواف PCB لتجنب التشطيب أثناء التشطيب.
تعويض الحفر: الحفر النحاسي الثقيل ببطء أكبر ‬إضافة 0.05 ‬ 0.1 ملم إلى أبعاد المسار في التصميم الخاص بك لحساب خسارة الحفر (على سبيل المثال، تصميم مسار 1.05 ملم لعرض 1.0 ملم النهائي).
d.وضع المكونات: تجنب وضع مكونات SMD (على سبيل المثال ، المقاومات 0402) على بعد 2 ملم من آثار النحاس الثقيلة. يمكن أن يضر الحرارة من الأثر بالمكونات الصغيرة أثناء اللحام.

خطأ التخطيط مقابل جدول الحلول:

استراتيجيات التصميم المتقدمة لأنظمة التيار العالي للغاية (100A +)
بالنسبة لأنظمة مثل محولات الكهرباء (150A +) والمستقيمات الصناعية (200A +) ، لا يكفي تصميم النحاس الثقيل الأساسي. استخدم هذه التقنيات المتقدمة:

1. التتبع المتوازي للتوجيه
بدلاً من آثار عريضة واحدة (على سبيل المثال ، 3mm 10oz) ، استخدم اثنين من آثار متوازية (على سبيل المثال ، اثنين من آثار 1.5mm 10oz) إلى:

a.خفض صعوبة الحفر (الآثار العريضة عرضة للتخفيض).
تحسين توزيع التيار (الآثار المتوازية تقلل من اختلافات المقاومة).
السماح بوضع المكونات بشكل أسهل (مسارات أضيق تحرر مساحة على متن الطائرة).

قاعدة الإبهام: المسارات المتوازية في الفضاء ≥ 1x عرضها لتجنب التسخين المتبادل ‬ اثنين من المسارات 1.5 ملم 10 أوز على بعد 1.5 ملم يحملون 160A (مقارنة بـ 80A لمسار واحد 1.5 ملم).

2. تكامل الحافلات
لتيارات 200A + ، دمج قضبان الحافلات النحاسية الثقيلة (15 أونصة + النحاس ، سمك 2 ′′ 3 مليمتر) في PCB:

أ.أحجار الحافلات تعمل كـ"طرق سريعة للطاقة"، تحمل التيار عبر المجلس دون قيود آثار.
ب.ربط قضبان الحافلات بالPCB عن طريق الممرات المملوءة بالنحاس (قطر 0.8 ملم ، على بعد 5 ملم) من أجل الاستقرار الميكانيكي والكهربائي.

مثال: محرك محرك صناعي بطاقة 250A يستخدم شريط حافلة نحاسي 20 أونصة مع 12 قناة مملوءة ، مما يقلل من فقدان الطاقة بنسبة 25٪ مقابل تصميم تتبع فقط.

3مواد الواجهة الحرارية (TIMs)
ربط PCBs النحاس الثقيل مع TIMs لنقل الحرارة إلى المستنقعات الحرارية الخارجية:

a. استخدام الدهون الحرارية (الاستقبال الحراري 3 ′′ 6 W / m · K) بين PCB ومغسلة الحرارة لنظم 50 ′′ 100A.
b.بالنسبة لأنظمة 100A +، استخدم وسائط حرارية (مثل Bergquist Gap Pad) مع توصيل 812 W/m·K ‬إنها تملأ فجوات الهواء وتتحمل ضغطًا أعلى.

التأثير: ينخفض عداد التحول الكهربائي 100A مع TIM درجة حرارة PCB بنسبة 20 درجة مئوية مقابل عدم وجود TIM ، مما يطيل عمر عداد التحول بنسبة 3 أضعاف.

المآسي الشائعة في التصميم وكيفية تجنبها
حتى المصممين ذوي الخبرة يرتكبون أخطاء مع PCBs النحاس الثقيلة.
1. تقليل ارتفاع درجة الحرارة
الفخ: استخدام آثار 3 أوقية، 1.0 ملم لـ 35A (تجاوز تصنيفها 30A) يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة 30 درجة مئوية وتأكسيد آثار.
إصلاح: استخدم أثر 5 أوقية، 1.0 ملم (تصنيف 45A) أو أثر 3 أوقية، 1.2 ملم (تصنيف 35A) للحفاظ على ارتفاع درجة الحرارة <10 درجة مئوية.

2تجاهل الإجهاد الحراري
العقبة: النحاس السميك (10 أونصة +) و FR4 القياسي لديه معامل غير متطابق للتوسع الحراري (CTE) ، مما يسبب تعقيدًا بعد 500 دورة حرارية.
إصلاح: استخدم النحاس المطاطي (المرونة العالية) و FR4 عالية Tg (CTE أقرب إلى النحاس) لتحمل 1000 دورة.

3-فقراء من خلال الإغاثة الحرارية
المشكلة: ربط طائرة نحاسية من 5 أونصات بمكون مع وسادة صلبة تسقط الحرارة، مما يؤدي إلى فشل مفصل اللحام.
إصلاح: استخدم وسادة الإغاثة الحرارية مع 4 ′′ 6 فتحات (كل 0.2 ملم عريض) لتحقيق التوازن بين نقل الحرارة وقابلية اللحام.

4-تجاهل القدرة على الصق
العقبة: 10 أوقية + آثار النحاس لديها كتلة حرارية كبيرة، مما يسبب اللحام لتبريد بسرعة كبيرة وتشكيل المفاصل الباردة.
إصلاح: قم بتسخين PCB إلى 120 درجة مئوية أثناء اللحام واستخدم اللحام عالي درجة الحرارة (على سبيل المثال ، SAC305 ، نقطة الانصهار 217 درجة مئوية) مع ملف إعادة التدفق أطول.

تطبيقات العالم الحقيقي لـ PCBs النحاسي الثقيل في أنظمة التيار العالي
ويتم تحويل PCBs النحاسي الثقيل عبر الصناعات حيث التيار العالي والموثوقية أمر بالغ الأهمية:
1السيارات الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة
عوائل الطاقة الكهربائية: تحويل طاقة بطارية DC إلى AC للمحركات (150 ′′ 300A). يستخدم عوائل طراز Tesla Model Y آثار النحاس 5 أوقية والشاشات المليئة بالنحاس ، مما يقلل من فقدان الطاقة بنسبة 18 ٪ مقابل تصميم 3 أوقية.
نظام إدارة البطارية (BMS): مراقبة وتوازن خلايا البطارية (2050A). 3 أوقية من النحاس في نظام إدارة البطارية شيفروليه بولت يضمن توزيع التيار المتساوي ، مما يزيد من عمر البطارية لمدة عامين.
c. وحدات الشحن: تستخدم أنظمة الشحن السريع (100 ٪ 200A) 7 أوقية من قضبان الحافلات النحاسية و MCPCBs الألومنيوم للتعامل مع التيارات العالية وتبديد الحرارة.

2الطاقة المتجددة
a.المحولات الشمسية: تحويل الطاقة الشمسية المتواصلة إلى التيار المتردد (50100A). 5 أوقية من أقراص PCB FR4 المملوءة بالسيراميك في محول شمسي بقوة 10 كيلوواط تقلل من درجات حرارة النقاط الساخنة بنسبة 25 درجة مئوية ، مما يحسن الكفاءة بنسبة 3٪.
b.المراقبين توربينات الرياح: إدارة توربينات الطاقة والطاقة (80-120A). 10 أوقية PCBs النحاس المطحومة تحمل الاهتزاز (20G) وتقلبات درجة الحرارة (-40 ° C إلى 85 ° C) ، مما يقلل من تكاليف الصيانة بنحو 20 $،000 لكل توربين سنوياً.

3الآلات الصناعية
a. محركات القيادة: التحكم في سرعة المحرك التيار المتردد (30 ′′ 80A). محرك Siemens Sinamics V20 يستخدم طائرات نحاسية 5 أونصات وممرات حرارية ، مما يقلل من حجم المحرك بنسبة 30٪ مقارنة بتصميم PCB القياسي.
أجهزة اللحام: توفير قوس عالية التيار (150 ∼ 200A). 15 أونصة من قضبان الباص النحاسي في آلة لحام لينكولن الكهربائية معالجة 200A دون ارتفاع درجة الحرارة ، مما يضمن جودة لحام ثابتة.

4الأجهزة الطبية
أ.أجهزة التهاب ضربات القلب المحمولة: تقدم صدمات 300A (على المدى القصير) ، وتضمن أقراص PCB النحاس الثقيلة مع آثار 10 أونصات والشاشات المليئة بالنحاس توفير الطاقة الموثوق بها، وهو أمر بالغ الأهمية للاستخدام في حالات الطوارئ.
b.آلات غسيل الكلى: مضخات الطاقة والسخانات (20 ′′ 40A). 3 أوقية من PCB FR4 عالية Tg مقاومة للمواد الكيميائية التعقيمية والحفاظ على الاستقرار ، وتلبية معايير ISO 13485.

أسئلة شائعة حول تصميم PCBs النحاس الثقيل للتيار العالي
س: ما هو الحد الأقصى لسمك النحاس الذي يمكنني استخدامه لـ PCB النحاسي الثقيل؟
ج: يدعم المصنعون التجاريون ما يصل إلى 20 أونصة (700 ميكرو مترا) من النحاس ، على الرغم من أن 10 أونصة هو الحد العملي لمعظم التصاميم (15 أونصة أو أكثر تتطلب معدات حفر متخصصة).تصاميم عسكرية / فضائية مخصصة يمكن أن تصل إلى 30 أوز (1050 ميكرو مترا) للاحتياجات المتطرفة من التيار العالي.

السؤال: هل يمكن أن تدعم أقراص PCB النحاس الثقيلة إشارات عالية السرعة (مثل 5G) ؟
ج: نعم، مع تصميم دقيق. استخدم 3 ̊5 أوقية من النحاس لمسارات الطاقة و 1 أوقية من النحاس للآثار عالية السرعة (للحفاظ على الاعتراض المسيطر عليه). يضمن حفر البلازما عرض الأثر / المسافة من 0.1 ملم / 0.1 ملم لإشارات 1Gbps +.

س: كيف أختبر لوحة PCB من النحاس الثقيل لأداء التيار العالي؟
إجراء هذه الاختبارات:

الدوران الحالي: تطبيق 120٪ من التيار الاسمي لمدة 1000 دورة (-40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية) للتحقق من وجود آثار الشقوق.
التصوير الحراري: استخدام كاميرا تحت الحمراء لرسم خريطة النقاط الساخنة، يجب أن تبقى درجة الحرارة أقل من 125 درجة مئوية عند 85 درجة مئوية محيطة.
قياس المقاومة: تتبع المقاومة مع مرور الوقت؛ زيادة > 10% تشير إلى الأكسدة أو التلف.

س: أي برنامج تصميم هو الأفضل لـ PCBs النحاسي الثقيل؟
الجواب: مصمم التلفزيون و كادنس ألغرو لديهم أدوات مدمجة للنحاس الثقيل:

ألتيوم: ‬ثقيل النحاس ‬ معالج قواعد التصميم (DRC) ومحاسبة التصنيف الحالي.
التردد: وحدات التحليل الحراري لمحاكاة توزيع الحرارة.

س: كم تكلفة PCB النحاس الثقيل مقارنة مع PCB القياسية؟
ج: 3 أوقية من النحاس تكلف 2 أوقية أكثر من 1 أوقية ؛ 10 أوقية من النحاس تكلف 4 ٪ 5 أوقية أكثر. يتم تعويض القسط من خلال انخفاض تكاليف غسول الحرارة (30 ٪ 50 توفير) وطول عمر المكونات.

الاستنتاج
تصميم أقراص PCB النحاس الثقيلة لتطبيقات التيار العالي هو عمل توازن بين القدرة الحالية وقابلية التصنيع، والإدارة الحرارية والتكلفة، والمتانة ووحدة الإشارة.من خلال اتباع معايير IPC، باختيار المواد المناسبة، وتحديد الأولوية للتخفيف الحراري ومن خلال التصميم، يمكنك إنشاء ألواح تتعامل مع التيارات من 30A إلى 200A بشكل موثوق.

لا تعتبر أقراص PCB النحاس الثقيلة مجرد تحديث من أقراص PCB القياسية بل هي ضرورة للجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة، من السيارات الكهربائية إلى أنظمة الطاقة المتجددة.الطلب على الذكاء، تصميم النحاس الثقيل الكفاءة سوف تزيد فقط، مما يجعلها مهارة حاسمة للمهندسين والمصنعين.

المفتاح للنجاح؟ لا تتجاوز الهندسة (على سبيل المثال، استخدام 10 أونصة من النحاس لتصميم 20A) أو أقل من الهندسة (على سبيل المثال، 3 أونصة من النحاس ل 40A).,مع هذه الخطوات، سوف تصنع PCBs التي تعمل تحت الضغط حرفيا.