סקירה כללית של מעגלים מודפסים נחושת כבדה

לוח מעגל מודפס (PCB) מנחושת כבדה הוא טכנולוגיה חשובה ביישומים ספציפיים בעלי הספק גבוה וזרם גבוה, במיוחד כשמדובר באספקת חשמל וציוד הדורשים קיבולת נשיאת זרם גבוהה.

1. מהו PCB נחושת כבדה?

בקצרה, PCB נחושת כבדה הוא סוג של מעגל מודפס שעובי נייר הנחושת גדול משמעותית מ-PCB קונבנציונלי:

● מעגלים מודפסים קונבנציונליים: עובי שכבת הנחושת החיצונית הוא בדרך כלל 1OZ/ft² (כ-35µm), בעוד שהשכבות הפנימיות הן בדרך כלל 0.5OZ/ft² או 1OZ/ft².

● מעגלים מודפסים מנחושת כבדה: מעגלים מודפסים בעלי עובי נחושת של ≥ 3OZ/ft² (כ-105µm) מוגדרים בדרך כלל כמעגלים מודפסים מנחושת כבדה. מבחינה טכנית, עובי הנחושת יכול להגיע לכ-10OZ/ft² (כ-350µm) או אף גבוה יותר.

הֲמָרָה:

1OZ/ft² = 35µm (מיקרומטר)

עוביים נפוצים: 1OZ (35µm), 2OZ (70µm), 3OZ (105µm), 4OZ (140µm), 6OZ (210µm), 10OZ (350µm) וכו'.

2. תכונות ליבה ויתרונות של PCB נחושת כבדה

1) כושר נשיאת זרם גבוה: זוהי המטרה העיקרית. לפי הנוסחה I = k * ΔT^0.44 * A^0.725 (תקן IPC-2221), כושר נשיאת הזרם של מוליך נמצא בקורלציה חיובית עם שטח החתך (A) של רדיד הנחושת. הכפלת עובי הנחושת יכולה להגדיל את כושר נשיאת הזרם באופן משמעותי, ולהפחית את הסיכון לחימום יתר.

2) פיזור חום מעולה: נחושת היא מוליכה טובה, שכבת נחושת עבה יותר יכולה להוליך את החום שנוצר על ידי רכיבים (כגון MOSFET, IGBT וכו') מהר יותר אל גוף הקירור או המארז, מה שמפחית את טמפרטורת הפעולה ומשפר את האמינות ותוחלת החיים. 

3) שיפור חוזק מכני: שכבות נחושת כבדות מספקות חוזק מכני גדול יותר לפדי המחברים ול-vias. זה מועיל במיוחד עבור מחברים הדורשים חיבור וניתוק תכופים, ונחושת עבה יותר מספקת תמיכה רבה יותר לרכיבים כבדים.

4) עיצובים מיוחדים:

● שנאים/סלילים מישוריים: ניתן להטמיע רכיבים מגנטיים ישירות בשכבת ה-PCB, ולהשיג צפיפות הספק גבוהה באמצעות יריעות נחושת כבדות.

● נתיבי הספק בעלי עכבה נמוכה: מפחיתים את ירידת המתח וצריכת החשמל בנתיבי זרם גבוה.

3. יישומים עיקריים

● ספקי כוח: ממירי AC/DC ו-DC/DC בעלי הספק גבוה (למשל, ספקי כוח לשרתים, ספקי כוח תעשייתיים), UPS.

● אנרגיה חדשה: ממירים פוטו-וולטאיים סולאריים, ממירים לאנרגיית רוח, כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה (מטענים על הסיפון (OBC), בקרי מנוע, מערכות ניהול סוללות (BMS)).

● בקרת הספק: הנעת מנועים, בקרה תעשייתית, ציוד ריתוך.

● תעופה וחלל וצבא: ציוד בעל אמינות גבוהה והספק גבוה בתעופה או בלוויינים.

● רכב: בקרי פנסים, יחידות חלוקת חשמל.

● תאורת LED בעלת הספק גבוה: משמשת לפיזור חום ולנשיאת זרם הנעה.

4. אתגרים לתכנון וייצור

בהשוואה למעגלים מודפסים מסורתיים, לוחות נחושת כבדים, אמנם מציעים ביצועים ספציפיים משופרים, אך גם יוצרים דרישות גבוהות יותר לתכנון וייצור:

אתגרים בעיצוב:

● רוחב/ריווח קווים: איכול גורם ל"איכול צדדי", שהוא חמור יותר עם נחושת עבה יותר. לכן, לא ניתן ליצור קווים דקים מאוד. קווים על מעגלים מודפסים מנחושת כבדה בדרך כלל רחבים יותר עם ריווח גדול יותר.

לדוגמה, עם עובי נחושת של 3OZ, רוחב/מרווח הקו המינימלי עשוי להידרש להיות 8-10 מיל (0.2-0.25 מ"מ) או יותר.

● דרישות ציפוי נחושת: כדי לשאת זרמים גבוהים ולהבטיח חוזק מכני, ציפוי הנחושת על הדפנות הפנימיות של הוויות צריך להיות גם הוא עבה יותר (למשל, 2-3 מיל או יותר).

● יישור למינציה: עקב עובי נחושת לא אחיד וזרימה משתנה במהלך הלמינציה, בקרת היישור קשה יותר.

● בקרת עכבה: ביישומים בתדר גבוה, נחושת עבה משפיעה על עכבה אופיינית, מה שהופך את חישובי התכנון למורכבים יותר.

אתגרים בייצור:

1) העברת/חשיפה של תבנית: נייר נחושת עבה מקשה על סרט יבש או פוטורזיסט נוזלי לכסות לחלוטין וליצור תבנית אחידה, מה שמחייב אחידות חשיפה גבוהה.

2) איכול: אחד האתגרים הגדולים ביותר. תהליך האיכול דורש יותר זמן ויכול להתרחש איכול צדדי, מה שמביא לחתכים טרפזיים במקום מלבנים אידיאליים. יש צורך לשלוט בפרמטרי האיכול ובכימיקלים בצורה מדויקת.

3) למינציה: דוגמאות עבות של נחושת מייצרות חוסר אחידות משמעותי במהלך הלמינציה, מה שמחייב מילוי של כמויות גדולות של שרף פרפרג. זה עלול להוביל לבעיות כגון בועות וזרימת שרף לא אחידה, ודורש תהליכי מילוי ולמינציה מיוחדים.

4) קידוח: שכבות נחושת עבות גורמות לבלאי מהיר של הקידוח, מה שעלול להוביל לחספוס גבוה יותר של דופן החור. נדרשים התאמות לפרמטרי הקידוח וניקוי קפדני יותר של דופן החור.

5) ציפוי אלקטרוליטי: הבטחת ציפוי אחיד של שכבת נחושת עבה מספיק על הוויות והמשטחים מביאה אתגרים נוספים.

5. תהליכי ייצור מרכזיים

כדי להתמודד עם האתגרים הנ"ל, יצרנים צריכים לשקול:

● איכול מדורג: איכול במספר שלבים, בכל פעם איכול חלק מהעומק כדי להפחית איכול רוחבי.

● תמיסות איכול מיוחדות: שימוש בתמיסות עם קצב איכול רוחבי נמוך, כגון נחושת כלוריד חומצי.

● מכבשי טונות גבוהות: שימוש בלחץ גבוה כדי להבטיח שהשרף ימלא במלואו את הרווחים בין הקווים.

● למינציה מרובה: עבור לוחות נחושת עבים במיוחד או לוחות נחושת עבים רב-שכבתיים, ניתן להשתמש במספר שלבי למינציה.

● אבלציה בלייזר: עבור תבניות נחושת עבות בדיוק גבוה במיוחד, ניתן להשתמש בעיצוב לייזר ישיר במקום איכול מסורתי.

6. כיצד להבחין בין "לוחות מודפסים מנחושת כבדה" לבין "לוחות מודפסים מנחושת (מצע מתכת)"

זהו בלבול נפוץ:

● מעגלים מודפסים מנחושת כבדה: מתייחסים ללוחות עם שכבות נייר נחושת עבות מאוד, בעוד שהמצע נשאר כחומר שרף מבודד כגון FR-4, CEM-3 או PI. תפקידם העיקרי הוא להגדיל את כושר נשיאת הזרם, ויתרון משני הוא פיזור חום מצוין.

● מעגלים מודפסים (PCBs): סוג של מצע מתכתי, מבנהו הוא: שכבה עליונה של רדיד נחושת → שכבה דיאלקטרית מבודדת ומוליכה תרמית → מצע מתכתי כולל (בדרך כלל אלומיניום או נחושת). הוא מטפל בעיקר בבעיות פיזור חום. עובי הנחושת שלו יכול להיות 1OZ סטנדרטי או נחושת עבה יותר. המאפיין המרכזי הוא חתיכת מתכת אחת המשמשת כגוף קירור.

בקצרה: PCB נחושת כבד פירושו שהמוליכים עצמם עבים מאוד, בעוד שמצע נחושת פירושו שיש חתיכה אחת של מצע מתכת.

תַקצִיר:

כאשר בוחרים איזה סוג של לוח מודפס (PCB) ייעשה, על המהנדסים להעריך באופן מקיף את דרישות הזרם, ניהול התרמי, אילוצי המקום, תקציב העלות וצפיפות החיווט, ולאחר מכן להחליט האם לוח מודפס מנחושת עבה הוא האפשרות האידיאלית, ומה העובי הנדרש של יריעות הנחושת. עבור דרישות זרם גבוה ופיזור חום, לעיתים ניתן לשקול גם שילוב של לוח מודפס נחושת עבה עם מצע מתכת.

חברת Benlida מתמקדת בייצור מעגלים מודפסים (PCB) כבר 14 שנים, בעלת ניסיון בייצור, תוך גישה של אוריינטציה שוקית ומרכזת לקוח, אנו משדרגים ללא הרף את מתקן הייצור ומייעלים את תהליכי הייצור שלנו. אם אתם צריכים לייצר מעגלים מודפסים מנחושת כבדה, אל תהססו לפנות אלינו!