إذا كنت ترغب في التحكم في تيارات المحركات الكهربائية ووحدات تزويد الطاقة باستخدام إلكترونيات ذكية، فعليك إتقان الموازنة بين الطاقة والإلكترونيات الدقيقة. تصف هذه المقالة أنواعًا مختلفة من تقنية فريدة ومتنوعة للوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي، وهي مناسبة لتيارات تصل إلى 1,000 أمبير. تعتمد هذه التقنية على قضبان نحاسية مدمجة تبرز من السطح لتلامس مركبات SMD ومكونات الطاقة الأخرى.
لسد الفجوة بين موصلات التيار العالي من جهة والمكونات الإلكترونية من جهة أخرى، عادةً ما يتطلب الأمر عددًا من الكابلات ومواد التركيب والوصلات، خاصةً في حال توفر أجهزة SMD. الهدف هو دمج قضبان التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة لتوفير حجم البناء وجهد التجميع للأنظمة، ولدمج تيارات التشغيل والتزويد، بالإضافة إلى أدوات التحكم الإلكترونية.
هناك العديد من تقنيات لوحات الدوائر الإلكترونية المصممة لتطبيقات الطاقة. وتشمل هذه التقنيات طبقات متعددة بسماكة طبقة نحاسية متزايدة تصل إلى 400 ميكرومتر، ويمكن تسويتها على طبقات أعلى. بالإضافة إلى ذلك، تُقدم تقنيات أخرى تعتمد على زيادة انتقائية في المقطع العرضي للنحاس، مثل تقنية جبل الجليد، وتقنية وضع الأسلاك، والتضمين الجزئي لرقائق النحاس السميكة.
تقنية القيادة: تحسين لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي للتحكم في المحرك
تُقارن هذه المقالة ثلاث تقنيات للوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي: Dickschicht، وIceberg، وHSMtec. يؤثر تصميم وبنية لوحات الدوائر المطبوعة على سعة حمل التيار وتبديد الحرارة لأشباه موصلات الطاقة.
تتوفر تقنيات مناسبة لدمج دائرة الحمل والموصل الدقيق للإشارات المنطقية على لوحة دوائر FR4. يوفر هذا التصميم المساحة ويجنبك تقنية التوصيل التقليدية باستخدام لوحات منفصلة، مما يزيد من موثوقية التحكم في المحرك. يمكن لمطوري لوحات الدوائر المطبوعة تحسين سعة حمل التيار وتبديد الحرارة لأشباه موصلات الطاقة وفقًا لمهمتهم.
من وجهة نظر لوحة الدائرة المطبوعة، يمكن تلخيص مواصفات إلكترونيات القيادة في خمس نقاط: 1) كثافة التكامل العالية، 2) موثوقية التجميع الإلكتروني، 3) تبديد الحرارة السريع، 4) التيارات العالية جنبًا إلى جنب مع إلكترونيات التحكم و5) انخفاض تكاليف النظام، على سبيل المثال عن طريق التحول إلى مكونات SMD أو عدد أقل من المكونات أو عمليات التجميع.
الحل الأمثل هو دمج قسم الطاقة وإلكترونيات التحكم، أي دوائر الحمل ومنطق التحكم، بدلاً من استخدام لوحتي دوائر على لوحة دائرة واحدة. إلا أن هذا يتطلب مقاطع عرضية كبيرة للموصلات ومسافات عزل كبيرة للموصلات عالية التيار، وفي الوقت نفسه، هياكل موصلات دقيقة للتحكم على اللوحة نفسها. هذا يُغني عن توصيلات القوابس والكابلات وقضبان التوصيل باهظة الثمن، بالإضافة إلى خطوات التجميع والمخاطر التي تُحد من الموثوقية. لدى شركة KSG، المتخصصة في لوحات الدوائر المطبوعة، ثلاث تقنيات لهذا الغرض: النحاس السميك، وتقنية Iceberg، وتقنية HSMtec. تستخدم جميع العمليات الثلاث مادة القاعدة القياسية FR4.
اتصال آمن مع لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي
تشترك جميع هذه التقنيات في قاسم مشترك: عادةً ما لا يوجد مقطع عرضي كافٍ بين طبقات لوحة الدوائر المطبوعة عالية التيار ووصلات المكونات المثبتة على السطح أو الوصلات اللولبية. تُشكل الفتحات اختناقًا للتيارات بالحجم المطلوب. كما أن سدادات الضغط والبراغي والمشابك لا تضمن اتصالًا موثوقًا به مع الطبقات. وحده اللحام النظيف للوصلات يُشكل اتصالًا مستمرًا بين المكونات وجميع الطبقات. ومع ذلك، كلما زاد سمك النحاس الإجمالي، زادت خطورة اختراق اللحام.
في المقابل، وبغض النظر عن التصميم، تتصل لوحة الدائرة عالية التيار بالمكونات والوصلات ذات المقطع العرضي الأقصى للموصل (الشكل 2 أدناه). وبهذه الطريقة، يمكن دمج مكونات SM وTHT مع أشباه موصلات الطاقة الملتصقة، ونقاط التلامس المضغوطة، والوصلات اللولبية دون حدوث اختناق في مسار التيار. وفي الوقت نفسه، يعمل قضيب التوصيل كمشتت حراري. وتكون المكونات على اتصال مباشر بهذه الكتلة الحرارية، وبالتالي يتم تبريدها على النحو الأمثل.
تصميم وإنتاج ومعالجة لوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي
مقارنةً بقضبان التوصيل التقليدية المعروفة في الهندسة الكهربائية، تُستخدم أجزاء نحاسية ذات أشكال فردية في لوحات الدوائر الكهربائية عالية التيار. يمكن تحديد شكل وموضع الأجزاء النحاسية بحرية، مما يتيح لمصمم التصميم حرية وضع المكونات والوصلات بطريقة تُنتج وحدة مدمجة ذات وظائف حرارية وكهربائية مُحسّنة.
نظراً لخصائص كل مشروع عالي التيار، يصعب وضع قواعد تصميم عامة. بناءً على حجم وشكل قطع النحاس وقضبان العزل، يجب مراجعة حدود التصميم لكل مشروع. تُوفر القيم الإرشادية دليلاً تقريبياً للتصميم.
لتصنيع لوحة دوائر مطبوعة عالية التيار، تُصنع أولاً الأجزاء النحاسية. وحسب حجمها وشكلها وعددها، تُصنع بالحفر أو الطحن أو اللكم. توضع الأجزاء النحاسية في إطارات مُفرَزة مسبقًا، ثم تُكبس باستخدام مواد مُشبّعة مسبقًا، وربما طبقات أخرى.
من مزايا لوحة الدوائر المطبوعة عالية التيار سهولة معالجتها. فبسبب قضبان التوصيل المدمجة، لا يمكن تمييز لوحة الدوائر المطبوعة عالية التيار - باستثناء وزنها - عن لوحات الدوائر الأخرى خارجيًا. يمكن معالجتها بعمليات اللحام السطحي (SMD) التقليدية إذا تم ضبط الوضع على كتلة حرارية أعلى. تُظهر التجربة إمكانية إتقان عمليات اللحام هذه بشكل جيد. من ناحية أخرى، تُعد عملية إصلاح المكونات التي تتلامس مباشرةً مع سكة التيار العالي أكثر تعقيدًا من التجميعات المسطحة التقليدية.
المتغيرات التكنولوجية للوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي
تصبح الإمكانات الكاملة للوحة PCB ذات التيار العالي واضحة عندما تفكر في الاختلافات المحتملة.
تُحقق هذه التقنية أقصى فائدة إذا صُممت الأجزاء النحاسية بحيث تصل إلى السطح وتكون متساوية مع الوسادات الأخرى في الجزء العلوي و/أو السفلي (الشكل 1). هذا يُتيح لك لوحة دوائر كهربائية مسطحة تمامًا، يمكن معالجتها لاحقًا في عملية طباعة المعجون والتجميع دون أي تعديل. كما يُسهّل توصيل أطراف الكابلات والوحدات والمكونات القابلة للربط بموضع التيار العالي.
في نسخة أخرى من هذه التقنية، تبرز طبقة التيار العالي جانبيًا من حافة لوحة الدائرة. يمكن استخدام هذه الملامسات مباشرةً كمقابس أو توصيلها كطرف قضيب توصيل تقليدي.
إن النوعين التاليين من لوحة الدائرة المطبوعة ذات التيار العالي لا يهدفان إلى التيارات العالية أكثر من مكونات التبريد.
إذا كانت الأجزاء النحاسية ذات أسطح توصيل SMD لأعلى ولأسفل، فإنها تعمل مثل حشوات لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، والتي تُضغط في فتحات لوحات الدوائر المطبوعة لتوصيل الحرارة من مكونات الطاقة من الأعلى إلى الأسفل. تختلف الأجزاء النحاسية المدمجة (الشكل 9) عن الحشوات التقليدية في أنها أكثر موثوقية في التصنيع والمعالجة، نظرًا لعدم وجود ضغط ميكانيكي على لوحة الدوائر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن اختيار حجم وموضع الوسادات بشكل مستقل. كما يمكن التوصيل الكهربائي دون بذل جهد إضافي.
النسخة الأخيرة من لوحة دارات مطبوعة عالية التيار هي نسخة أحادية الجانب (الشكلان 10 و11). في هذه النسخة، تبرز وسادات مرتفعة من صفائح النحاس عبر طبقة عازلة رقيقة، لتتصل مباشرةً بوصلات المكونات المقابلة، حيث تتلامس مشتتات الحرارة السطحية (SMD). على عكس ركائز الألومنيوم المصنوعة من IMS، لا تحتوي هذه النسخة على طبقة عازلة، مما يسمح بتبديد طاقات أعلى بكثير. تُستخدم هذه التركيبات، من بين أمور أخرى، في مصابيح LED عالية الأداء بقدرة تصل إلى 10 واط.
مع لوحة الدائرة ذات التيار العالي، تكنولوجيا موكو توسع شركة جنرال إلكتريك نطاق تقنياتها في مجال الإدارة الحرارية بمكون مهم آخر:
يتم تضمين النحاس الصلب في لوحة الدائرة ويمكن تركيبه مباشرة على منصات SMD التي تصل إلى السطح.
هيكل لوحة دائرة تيار عالي SMD
يمكن أيضًا توصيل لوحة الدائرة ذات التيار العالي بتقنيات التجميع والتوصيل الأخرى:
- لحام إعادة التدفق/الموجة SMD / THT- ربط أسلاك الألومنيوم
– البراغي: فتحات صغيرة / ثقوب ملولبة
- ثقوب عمياء من الطبقات الخارجية
- موصل تيار عالي بتقنية الضغط الملائم
في كثير من الحالات، يمكن تقليل الجهد الإضافي اللازم لإنتاج PCB عالي التيار جزئيًا من خلال عمليات تصنيع تم تنفيذها خصيصًا وجزئيًا من خلال التحكم الأمثل في العمليات القياسية.
توزع لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من النحاس السميك خسائر الطاقة أفقيًا
تقنية النحاس السميك راسخة في السوق منذ سنوات عديدة، وتُصنع بكميات كبيرة. عادةً ما يُطلق على النحاس السميك اسم النحاس السميك للهياكل النحاسية التي يبلغ سمكها ≥ 105 ميكرومتر. تُحسّن موصلات النحاس السميكة توزيع الحرارة الأفقي لفقدان الطاقة العالي من مكونات الطاقة، و/أو لنقل التيارات العالية، وتُحل محل الهياكل المختومة والمثنية لقضبان التوصيل في تطبيقات لوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي. مع ما يصل إلى أربع طبقات داخلية، كل منها بسمك نحاس 400 ميكرومتر، يُمكن تحقيق قدرة تحمل تيار تصل إلى مئات الأمبير. يُفضل أن تكون موصلات النحاس السميكة موجودة في الطبقات الداخلية.
مرونة تعديل التصميم، والتصميم المدمج، وسهولة المعالجة/التجميع، وانخفاض تكاليف التغيير نسبيًا، بالإضافة إلى العمليات القياسية لصناعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، كلها عوامل تُصب في صالح لوحات الدوائر المطبوعة النحاسية السميكة. على الرغم من أن خطوات عملية تصنيع لوحات الدوائر النحاسية السميكة لا تختلف كثيرًا عن الإنتاجية القياسية للوحات الدوائر التقليدية، إلا أن إنتاجها يتطلب خبرة وإدارة خاصة في العمليات. تبقى لوحات الدوائر النحاسية السميكة في خط الحفر لفترة أطول من 10 إلى 15 مرة، وتتميز بنمط حفر نموذجي. تُحدد عمليات الحفر والحفر للوحات الدوائر النحاسية السميكة قواعد تصميم مخطط الدائرة، ويجب مراعاتها. لدى مُصنّع لوحات الدوائر المطبوعة قائمة باقتراحات لقواعد بناء وتصميم طبقات مُحسّنة من حيث التكلفة والعملية.
من المهم معرفة أن صفائح FR4 ذات قاعدة نحاسية بسمك ≥ 105 ميكرومتر أغلى ثمنًا نظرًا لارتفاع محتواها من النحاس. بالمقارنة مع صفائح قياسية مغلفة من كلا الجانبين بسمك 18 ميكرومتر، يتراوح معامل تكلفة المواد بين 1:8 و1:10. يجب على مطور لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) الاهتمام بأقصى استخدام للمواد. يساعد التنسيق المبكر مع مُصنِّع لوحة الدوائر المطبوعة على خفض التكاليف بشكل كبير. فيما يتعلق بالتصغير، فإن تقنية النحاس السميك محدودة. نظرًا للتآكل القوي، لا يمكن إنشاء سوى هياكل خشنة نسبيًا. ومن القيود الأخرى: استحالة توصيل إشارات دقيقة بنفس مستوى توصيل موصل النحاس السميك.
جبل الجليد: للحصول على تضاريس سطحية موحدة
في مستوى الأسلاك، توجد مناطق بسمك نحاس يتراوح بين 70 و100 ميكرومتر للمنطق، ومناطق بسمك نحاس يصل إلى 400 ميكرومتر للحمل. يُغمر النحاس السميك بشكل كبير في لوحة الدائرة، مما يُنتج سطحًا موحدًا على طول نمط الموصل بأكمله. يمكن أيضًا دمج مبدأ جبل الجليد مع النحاس السميك في الطبقات الداخلية.
يُنتج تضمين ثلثي مساحة النحاس بسمك 400 ميكرومتر في المادة الأساسية سطحًا مستويًا للوحة الدوائر المطبوعة. الميزة: يُمكن تغطية جوانب الموصلات بقناع لحام بشكل موثوق في عملية صب واحدة فقط. كما يُمكن إجراء عملية التجميع اللاحقة على مستوى واحد. تُعدّ هياكل جبل الجليد مناسبة أيضًا كمشتتات حرارية لمكونات الطاقة، ويمكن دمجها مع فتحات مطلية (فتحات) لتحسين الإدارة الحرارية.
HSMtec: عناصر النحاس في الطبقات الداخلية والخارجية
هناك طريقة أخرى لدمج الحمل والمنطق على لوحة الدوائر الإلكترونية وهي تقنية HSMtec. هنا، تُركّب عناصر نحاسية ضخمة بشكل انتقائي في الطبقات الداخلية وتحت الطبقات الخارجية لطبقة FR4 متعددة الطبقات عند نقاط تدفق التيارات العالية، وتُربط بالموجات فوق الصوتية بالنحاس الأساسي لأنماط الموصلات المحفورة. بعد ضغط الطبقات، تُوضع مقاطع النحاس تحت الطبقات الخارجية و/أو في الطبقات الداخلية لطبقة FRXNUMX متعددة الطبقات. يبقى باقي لوحة الدوائر الإلكترونية سليمًا.
يُصنع هذا المنتج متعدد الطبقات وفقًا لعملية التصنيع القياسية، ثم يُعالَج بعملية التجميع واللحام الاعتيادية. بفضل هذا الهيكل، يُمكن تلبية المواصفات الكهربائية لفئات قوة العزل الكهربائي والعزل للآلات، بالإضافة إلى ظروف درجات الحرارة القاسية مع مساحة تركيب محدودة في المركبات.
تُمكّن مقاطع النحاس الصلبة داخل الطبقات المتعددة من إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد. يسمح التفريز المتعامد على مقاطع النحاس بثني أجزاء لوحة الدائرة حتى 90 درجة. بهذه الطريقة، تُستغل مساحة التركيب بذكاء، وينتقل التيار العالي والحرارة عبر حافة الانحناء. يُصمم الهيكل كلوحة دائرة ثنائية الأبعاد، تُصنع وتُجمّع في اللوحة. بعد تجميع الوحدة، تُثنى لوحة الدائرة لتتخذ شكلها ثلاثي الأبعاد.
يدعم البرنامج المطورين في تحديد أبعاد مسارات الموصلات عالية التيار. باستخدام بعض المدخلات، مثل التيار ودرجة الحرارة، توفر الحاسبة الحد الأدنى لعرض السلك لـ HSMtec، بالإضافة إلى الكسوة النحاسية بسمك 70 و105 ميكرومتر.
