Для инженеров по проектированию электроэнергии, которые расширяют границы в электромобилях, серверных стоках или промышленных приводах, сохраняется распространённое и дорогостоящее предположение: чтобы провести больше тока, достаточно расширить медные дорожки. Однако, когда токи превышают порог 10А, этот подход не только не срабатывает, но и может активно подрывать надёжность. Эта статья выходит за рамки базовых карт IPC-2152 и рассматривает фундаментальную физику — эффект кожи и трёхмерное тепловое накопление — которые делают простое расширение 2D-трасс неэффективным. Мы покажем, что переход на конструкцию печатных плат из тяжёлой меди — это не просто модернизация, а необходимый сдвиг парадигмы для управления высокой плотностью тока, обеспечения тепловой стабильности и долгосрочной надёжности в требовательных приложениях.
Провал «Шире — тем лучше»: реальные срывы высокого тока
Переход от умеренного к высокому току (обычно >10А непрерывный) знаменует смену режимов отказа. Проблемы теперь связаны не только с сопротивлением постоянного тока, но и в плотности мощности и неспособности рассеивать генерируемое тепло.
Кейс-стади: выгорание дронов (ESC)
Сценарий:Электронный контроллер скорости непрерывного тока (ESC) на 15A для коммерческого дрона. Инженер определил дорожку мощности шириной 5 мм с использованием меди весом 1 унция (35 мкм), считая этого достаточно, исходя из упрощённого расчёта постоянного тока.
Неудача:Во время испытаний при высокой температуре платы показала локальное изменение цвета (жёлтый/коричневый) на трассе, за которым последовали волдыри и в конечном итоге произошёл отказ размытого контура, что привело к остановке двигателя.
Анализ коренных причин:Широкая, тонкая дорожка имела большую площадь поверхности, но минимальный объём поперечного сечения. Ток генерировал тепло быстрее, чем он мог бы провестись через тонкую медь и подлежащий низкотеплопроводный FR4 (≈0,3 Вт/м·К). Это создавало локализованную горячую точку, превышающую температуру перехода стекла (Tg) субстрата, что приводило к делминации и разрушению.
Кейс-стади: Сокращение срока службы конденсатора серверного блока питания
Сценарий:Слой распределения питания 30А на материнской плате блока питания сервера (PSU). Внутренний самолёт весом 2 унции был признан достаточным для текущей ёмкости.
Неудача:Единицы в полевых условиях показали на 50% выше уровень отказов спустя 18 месяцев. Анализ выявил преждевременное высыхание электролитических конденсаторов, расположенных рядом с входной секцией высокого тока.
Анализ коренных причин:Устойчивый высокий ток приводил к стабильной работе температуры подложки платы вблизи VIAS и разъёмов выше 105°C. Это окружающее тепло запекало соседние конденсаторы, резко ускоряя испарение электролитов и сокращая их срок службы. Плата несла ток, но не смогла справиться с полученным тепловым побочным продуктом.
Физика провала: не только сопротивление
Чтобы понять, почему расширение следов достигает стены, необходимо рассмотреть два доминирующих физических явления, которые происходят при более высоких токах и частотах.
1. Эффект кожи: Ток избегает центра
В постоянном токе ток равномерно распределяется по сечению проводника. По мере увеличения частоты — включая основные коммутационные частоты и гармоники в силовой электронике (например, от 100 кГц до 1 МГц+) —Эффект кожизаставляет ток течь преимущественно по внешней поверхности проводника.
- Глубина кожи (δ)— глубина, при которой плотность тока падает примерно до 37% от её поверхностного значения. Она обратно пропорциональна квадратному корню из частоты (f).
- Для меди на частоте 100 кГц:δ ≈ 0,21 мм. При 1 МГц: δ ≈ 0,066 мм.
Критическое значение:Широкая, толщиной в 1 унцию (0,035 мм) след уже тоньше, чем глубина кожи при 100 кГц.Расширение не увеличивает эффективное поперечное сечение проводящих для переменных токов;Это лишь создаёт более широкую и малоиспользуемую поверхность. Сопротивление переменного тока (RAC) становится значительно выше сопротивления постоянного тока (R)DC), что приводит к неожиданному нагреву I²R.
2. Тепловое накопление: ловушка третьего измерения
Это основной режим отказа для постоянных и низкочастотных высокочастотных токов. Нагрев на джоулях (I²R) генерирует тепловую энергию внутри следового объёма.
- Проблема:Стандартная медь весом 1 или 2 унции — это тонкая. Вырабатываемое тепло имеет очень короткий вертикальный путь в плохо проводимый FR4, задерживая его.
- Расширение усугубляет проблему:Более широкая трасса немного увеличивает тепловую массу, но также распределяет источник тепла на большую площадь, затрудняя локализацию охлаждения и часто повышая среднюю температуру в большей зоне печатной платы.
- Узкое место на VIA:Пути с высоким током часто меняют слои. Стандартное сквозное отверстие с покрытием 0,3 мм (PTH) имеет ограниченную пропускную способность (часто <1A). Нужен массив, но каждый виа — это точка с большим сопротивлением и тепловая узкая точка, создавая локализованные «вулканические» горячие точки, подверженные трещинам и разрушениям под водойIATF 16949Тесты термического цикла.
Ограничение ядра
Расширение трассы решает двумерную проблему (плотность тока в плоском виде), но игнорирует критическую трёхмерную проблему рассеивания тепла через толщину платы в систему.Он увеличивает площадь меди, но не увеличивает объём меди пропорционально, что важно как для тока (снижение постоянного тока), так и для тепловой массы (поглощение и распространение тепла).
Решение для тяжёлой медной печатной платы: фундаментальный сдвиг в конструкции
Тяжёлые медные печатные платы (обычно определяются как использующие массу меди от 3 унций/105 мкм до 20 унций/700 мкм) решают эти проблемы, работая в третьем измерении с самого начала.
| Вызов дизайна | Отклик расширения следов (1-2 унции) | Отклик тяжелой медной платы (3 унции+) | Механизм и преимущество |
|---|---|---|---|
| Высокий постоянный ток (>10А) | Требуется чрезмерно широкие трассы, что занимает площадь маршрутизации. Высокое сопротивление постоянного тока на единицу длины. | Передаёт тот же ток в гораздо более узкой трассе. Значительно снижает сопротивление DC. | Увеличение площади поперечного сечения:Текущая ёмкость масштабируется с толщиной следов. Трасса весом 3 унции содержит в 3 раза больше объёма меди, чем 1 унция такой же ширины, что напрямую уменьшает RDCи убытки в I²R. |
| Кожный эффект (потери AC) | Неэффективно. Расширение не увеличивает полезную толщину ниже глубины кожи. | Значительно снижает последствия. Обеспечивает больше проводящего материала в эффективной глубине кожи. | Размер вертикального проводника:Даже с эффектом кожи 10 унций (0,35 мм) медный слой обеспечивает значительную пригодную толщину на высоких частотах, сохраняя RACНизкий. |
| Управление температурным режимом | Бедный. Тонкая медь не может рассеивать тепло; Субстрат FR4 удерживает его, создавая горячие точки. | Отлично. Медный слой действует как интегрированный распределитель тепла. | Медь как теплоотвод:Высокая теплопроводность меди (≈400 Вт/м·К) позволяет теплу распространяться вбок и передаваться к виам или радиаторам. Увеличивает тепловую массу, замедляя повышение температуры. |
| Механическая и надёжность | Виа — слабые места. Высокое термическое напряжение может привести к трещинам ствола. | Обеспечивает прочность с помощью конструкций: заполненных, закупоренных или более толстых покрытий. | Улучшенные конструкции:оддержкаВИА с медьюдля соединений с низким сопротивлением, с высокой теплопроводностью. Выдерживает термические циклы наIPC класс 3и автомобильные стандарты. |
Количественное определение разницы: простое сравнение
Рассмотрим непрерывный ток 10А постоянного тока с целевой температурой на 20°C (согласно IPC-2152):
- Используя медь массой 1 унция (35 мкм):Требуемая внешняя ширина ≈2,5 мм.
- Используя медь массой 3 унции (105 мкм):Требуемая внешняя ширина ≈0,8 мм.
TheТяжелая медная печатная платаРеализация экономит более 65% ценной площади платы для того же тока, что позволяет создавать более компактные и плотные проекты.
Интеграция тяжёлой меди с другими передовыми технологиями
Тяжёлая медь часто является краеугольным камнем комплексной стратегии управления теплом и высоким энергопотреблением. Экспертиза Jerico заключается в его бесшовной интеграции с другими технологиями.
Для экстремального локального охлаждения
Тяжёлый медный + металлический сердечник или керамический субстрат.
Используйте внутреннийТяжёлый медный слойдля распределения тока и спарить его сПечатная плата с металлическим сердечником (MCPCB)илиКерамическая печатная платапод мощными устройствами (например, светодиодами, IGBT). Тяжёлая медь управляет током, а специализированная подложка обеспечивает диэлектрический, но при этом высокотеплопроводящий путь к шасси.
Для высокой плотности мощности + сигнал
Массивные медные внутренние слои + HDI.
В сложных системах, таких как автомобильные контроллеры, используйтеТехнология ИЧРдля компонентов с тонким шагом и высокоскоростных сигналов на внешних слоях, при этом внутренние слои выделены для меди 4oz+ для надёжных, низкоиндуктивных шин питания и тепловых плоскостей.
Для сложной 3D-сборки
Тяжёлая медь в Rigid-Flex.
AГибко-жесткая печатная платаВ жёстких секциях питания может использоваться тяжёлая медь для обработки тока, а гибкие соединения позволяют компактно упаковывать в ограниченных по пространстве приложениях, таких как робототехника или аэрокосмические технологии.
Почему Джерико — ваш партнёр для успеха с высокосовременными печатными платами
Проектирование с использованием тяжёлой меди требует большего, чем просто изменение библиотеки CAD; Для этого требуется производитель со специализированным мастерством процессов.
Мастерство в сложной обработке
Травление и ламинирование толстых медных фольг (например, 10 унций) представляет собой уникальные задачи:
- Контролируемый коэффициент травления:Для достижения точной ширины следов мы применяем дифференциальные методы травления, которые учитывают значительное травление боковых стенок, предотвращая чрезмерное травление и сохраняя заданную площадь поперечного сечения.
- Надёжная многослойная ламинация:Высокая масса меди может привести к проблемам с течением смолы во время прессовки. НашIATF 16949-сертифицированные процессные органы контроля, включая специализированные прегри и оптимизированные циклы ламинирования, обеспечивают идеальное соединение и безотводную конструкцию, что критически важно дляIPC класс 3надёжность.
- Продвинутое лечение:Мы предлагаем услуги и профессионально реализуемВИА с медью и крышкамипревращая тепловые и токовые узкие места в высокопроизводительные каналы. Это стандартное предложение в нашемТяжелая медная печатная платаСервис.
Производственная эффективность
КакНастоящий заводский производитель, Jerico убирает брокерские наценки и фильтры коммуникации. Вы получаете:
- Точная техническая обратная связь:Наши инженеры напрямую проверяют ваш проект, предлагая оптимизации для производительности и производительности.
- Экономически эффективное масштабирование:Прозрачное ценообразование от прототипа, поддерживаемое нашимПолитика без MOQ, к массовому производству на наших линиях с ежемесячной мощностью 60 000㎡.
Скорость выхода на рынок
Мы понимаем темпы инноваций:
- Быстрое прототипирование:Для срочных циклов развития мы предлагаем24-часовой быстрый поворотСервисы по тяжелым медным прототипам, позволяющие сразу протестировать и проверить тепловые характеристики.
- Универсальное решение:Требуется ли вашей конструкции с высоким током также RF-секции (Высокочастотная печатная плата) или встроенные компоненты (Печатная плата с полостью), Jerico предоставляет единый источник производства, упрощая вашу цепочку поставок.
Прекратите симуляцию, начните проверку с помощью действительно тяжёлой медной платы
Теоретические расчёты могут иметь предел. Сотрудничайте с Jerico, чтобы превратить ваш современный дизайн в надёжный и готовый продукт.
Загрузите свой дизайн для бесплатного DFM и анализа текущего времениНаша инженерная команда предоставит подробный отчёт о плотности тока, тепловых точках и порекомендует оптимальный пласт тяжёлой меди для вашего применения.
Проектирование плат с высоким током: часто задаваемые вопросы для экспертов
Нет единого универсального порога, ноНепрерывный ток 10А является сильным практическим индикаторомдля оценки тяжёлой меди. Считайте это обязательным, когда:
- Ваша рассчитанная ширина следа при повышении температуры на 20°C превышает 3-4 мм на внешних слоях или 6-8 мм на внутренних слоях (для 1 унции меди).
- Ваше применение включает высокие температуры окружающей среды (например, >70°C) или требует низкого повышения температуры для долговечности компонентов.
- Дизайн ограничен по пространству, а широкие трассы занимают чрезмерную площадь маршрутизации.
- Рабочая частота имеет значительные гармоники выше 50 кГц, при этом эффект кожи начинает снижать эффективность тонкой меди.
Анализ Jerico DFM позволяет точно определить точку пересечения, где тяжёлая медь становится более экономичной, чем крупные стандартные медные компоновки.
Виа — слабое звено в проектировании с высоким током. С тяжёлой медью у вас есть лучшие варианты:
- Через массивы, а не отдельные переходы:Всегда используйте несколько VIA параллельно для обмена током. Хорошее правило — не полагаться на один виа более чем для 1-2 А.
- Укажите медино-заполненные или заглушённые переходы:Это критично важно. Запросите «VIPPO» (Via-in-pad Plateed Over) или полностью медные виа. Это значительно увеличивает поперечное сечение перехода, несущего ток, и превращает его в тепловую колонну. Джерико регулярно предоставляет это дляТяжёлые медные печатные платы.
- Увеличение размера кольцевого кольца:Для тяжёлых слоёв меди задайте более крупное кольцовидное кольцо (например, 0,2 мм по сравнению со стандартом), чтобы обеспечить прочное соединение с толстой плоскостью и учесть возможный сдвиг регистрации во время ламинирования.
- Тепловые рельефы:Часто для соединений с внутренними тяжёлыми медными плоскостями предпочтительнее сплошные соединения (без теплового сброса) как для тока, так и для теплопередачи, если только не возникают проблем с пайкой.
Это увеличиваетНа уровне советастоимость, но часто снижаетСистемный уровеньобщая стоимость владения (TCO).
- Увеличение стоимости платы:Да, стоимость сырья (ламинат с медью) выше. Специализированные процессы травления и ламинирования также увеличивают стоимость. Плата на 4 унции может стоить от 1,5 до 2 раз по сравнению с похожей 1-унцией.
-
Экономия стоимости системы:
- Уменьшение количества слоёв:Эффективная передача тока позволяет избежать добавления дополнительных плоскостей мощности, что потенциально уменьшит общее количество слоёв.
- Улучшенная надёжность:Устраняет отказы на поле из-за термического перенапряжения, экономия на гарантии, ремонте и ущербе репутации бренда.
- Меньший форм-фактор:Позволяет создавать более компактные конструкции, снижая размер/стоимость корпуса и системы.
- Упрощённое термическое управление:Это может уменьшить или устранить необходимость в дополнительных радиаторах, вентиляторах или материалах теплового интерфейса.
Для критически важных промышленных, автомобильных или аэрокосмических применений, где отказ не является возможным, надёжность тяжелой меди значительно превышает первоначальную премию за плату.
