지능형 전자 장치를 사용하여 전기 드라이브 및 전원 공급 장치의 전류를 제어하려면 전력과 마이크로 전자공학 간의 균형을 잘 맞춰야 합니다. 이 글에서는 최대 1,000A의 전류에 적합한 독특하고 다양한 고전류 PCB 기술의 다양한 변형을 설명합니다. 이 기술의 핵심은 표면에서 돌출되어 SMD 및 기타 전력 부품과 접촉하는 내장 구리 막대입니다.
고전류 도체와 전자 부품 사이의 간격을 줄이기 위해서는 일반적으로 여러 케이블, 장착 재료, 그리고 인터포저가 필요하며, 특히 SMD가 제공되는 경우에는 더욱 그렇습니다. 인쇄 회로 기판에 버스바를 통합하여 시스템 제작 및 조립 작업량을 줄이고, 구동 및 공급 전류와 전자 제어를 통합하는 것이 목표입니다.
전력 애플리케이션용으로 설계된 다양한 회로 기판 기술이 있습니다. 여기에는 최대 400마이크로미터까지 구리층 두께를 증가시킨 다층 구조가 포함되며, 이 다층 구조는 더 높은 층에서 평탄화될 수 있습니다. 또한, 빙산 기법, 와이어 레이드 기법, 두꺼운 구리 적층판의 부분 매립 기법 등 구리 단면적을 선택적으로 증가시키는 여러 기법이 제공됩니다.
드라이브 기술: 모터 제어를 위한 고전류 PCB 최적화
본 논문에서는 고전류 회로 기판용 세 가지 PCB 기술인 Dickschicht, Iceberg, HSMtec을 비교합니다. PCB 토폴로지와 PCB 설계는 전력 반도체의 전류 전달 용량과 방열에 영향을 미칩니다.
FR4 회로 기판에서 논리 신호용 부하 회로와 미세 도체를 결합하는 데 적합한 기술을 사용할 수 있습니다. 공간을 절약하고 별도의 보드를 사용하는 기존 연결 기술을 사용하지 않아 모터 제어의 신뢰성이 향상됩니다. PCB 개발자는 작업에 따라 전력 반도체의 전류 용량과 방열을 최적화할 수 있습니다.
인쇄 회로 기판의 관점에서 구동 전자 장치의 사양은 1가지로 요약할 수 있습니다. 2) 높은 집적도, 3) 전자 조립의 신뢰성, 4) 빠른 방열, 5) 제어 전자 장치와 결합된 높은 전류, XNUMX) SMD 부품으로 전환하여 시스템 비용을 절감함으로써 부품 수나 조립 공정을 줄일 수 있습니다.
현명한 해결책은 두 개의 회로 기판을 하나의 회로 기판에 연결하는 대신, 전력부와 제어 전자 장치, 즉 부하 회로와 제어 로직을 결합하는 것입니다. 그러나 이를 위해서는 고전류 도체의 넓은 도체 단면적과 긴 절연 거리가 필요하며, 동시에 제어를 위한 미세 도체 구조가 하나의 기판에 통합되어야 합니다. 이를 통해 값비싼 플러그 연결, 케이블, 버스바는 물론, 조립 단계와 신뢰성을 저해하는 위험 요소를 제거할 수 있습니다. PCB 전문 기업 KSG는 이를 위해 두꺼운 구리, 빙산, HSMtec 기술, 세 가지 기술을 보유하고 있습니다. 세 가지 공정 모두 표준 기본 소재인 FR4를 사용합니다.
고전류 PCB와의 안전한 접촉
이러한 모든 기술에는 공통점이 있습니다. 일반적으로 고전류 PCB 기판의 각 층과 표면 실장 부품 또는 나사 연결부 사이에 충분한 단면적이 없습니다. 비아는 원하는 크기의 전류에 병목 현상을 발생시킵니다. 또한, 압입 플러그, 나사, 클램프는 각 층과의 안정적인 접촉을 보장하지 않습니다. 연결부의 깨끗한 납땜만이 부품에서 모든 층으로의 연속적인 연결을 형성합니다. 그러나 이 경우 전체 구리 두께가 두꺼울수록 솔더 침투 위험이 커집니다.
반면, 설계와 관계없이 고전류 회로 기판은 최대 도체 단면적(아래 그림 2)을 통해 부품 및 연결부와 접촉합니다. 이러한 방식으로 SM 및 THT 부품을 접합된 전력 반도체, 압입 접점 및 나사 연결과 전류 경로에 병목 현상 없이 결합할 수 있습니다. 동시에 버스바는 방열판 역할을 합니다. 부품은 이 열용량과 직접 접촉하여 최적의 냉각 효과를 얻습니다.
고전류 PCB의 설계, 생산 및 가공
전기 공학에서 사용되는 기존 버스바와 달리, 고전류 회로 기판에는 개별 형상의 구리 부품이 사용됩니다. 구리 부품의 모양과 위치는 자유롭게 정의할 수 있습니다. 이를 통해 레이아웃 설계자는 부품과 연결부를 자유롭게 배치하여 최적화된 열 및 전기 기능을 갖춘 소형 모듈을 제작할 수 있습니다.
각 고전류 프로젝트는 고유한 특성을 가지고 있기 때문에 일반적인 설계 규칙을 정하기 어렵습니다. 구리 부품과 절연 바의 크기와 모양에 따라 각 프로젝트의 설계 한계를 확인해야 합니다. 가이드라인 값은 설계에 대한 대략적인 지침을 제공합니다.
고전류 PCB 회로 기판을 제작하려면 먼저 구리 부품을 제작합니다. 부품의 크기, 모양, 개수에 따라 에칭, 밀링 또는 펀칭을 통해 제작합니다. 구리 부품을 미리 밀링된 프레임에 넣은 후 프리프레그와 기타 층을 사용하여 압착합니다.
고전류 PCB의 장점 중 하나는 공정입니다. 버스바가 내장되어 있기 때문에 고전류 회로 기판은 무게를 제외하고는 외부에서 다른 회로 기판과 구별할 수 없습니다. 프로파일을 더 높은 열용량으로 설정하면 기존 SMD 공정으로 가공할 수 있습니다. 경험에 따르면 이러한 납땜 공정은 충분히 숙달할 수 있습니다. 반면, 고전류 레일과 직접 접촉하는 부품의 수리 공정은 기존의 평면 어셈블리보다 더 복잡합니다.
고전류 PCB의 기술 변형
고전류 PCB 보드의 잠재력은 가능한 변화를 고려하면 더욱 명확해집니다.
이 기술은 구리 부품이 표면에 닿아 TOP 및/또는 BOT의 다른 패드와 같은 높이가 되도록 형성될 때 가장 큰 이점을 제공합니다(그림 1). 이렇게 하면 완전히 평평한 회로 기판을 얻을 수 있으며, 이후 페이스트 인쇄 및 조립 공정에서 조정 없이 추가 가공할 수 있습니다. 케이블 러그, 모듈, 나사로 고정할 수 있는 부품도 고전류 위치에 더 쉽게 연결할 수 있습니다.
이 기술의 또 다른 버전에서는 고전류층이 회로 기판 가장자리에서 측면으로 돌출되어 있습니다. 이러한 접점은 플러그로 직접 사용하거나 기존 버스바 끝부분처럼 접촉할 수 있습니다.
고전류 PCB 회로 기판의 다음 두 가지 변형은 냉각 구성 요소보다 고전류에서 목적이 없습니다.
구리 부품의 SMD 연결면이 위아래로 모두 있는 경우, 기존의 인쇄 회로 기판 인레이처럼 작동합니다. 인레이는 인쇄 회로 기판의 컷아웃에 압입되어 전력 부품의 열을 TOP에서 BOT으로 전달합니다. 내장된 구리 부품(그림 9)은 회로 기판에 기계적 응력이 가해지지 않아 제조 및 가공 시 신뢰성이 더 높다는 점에서 기존 인레이와 다릅니다. 또한, 패드의 크기와 위치는 서로 독립적으로 선택할 수 있습니다. 추가적인 노력 없이 전기적 연결도 가능합니다.
고전류 PCB 기판의 마지막 변형은 단면 버전입니다(그림 10 및 11). 이 경우, 구리판의 돌출된 패드가 얇은 절연층의 절연을 뚫고 나와 SMD 히트싱크 접점으로 해당 부품 연결부에 직접 접촉합니다. IMS로 제작된 알루미늄 기판과 달리, 이 버전은 절연층이 없어 훨씬 더 높은 전력을 방출할 수 있습니다. 이러한 구조는 특히 최대 10W의 고성능 LED에 사용됩니다.
고전류 회로기판을 사용하여, MOKO 기술 또 다른 중요한 구성 요소를 통해 열 관리 분야에서 기술 범위를 확장하고 있습니다.
견고한 구리는 회로 기판에 내장되어 있으며 표면에 도달하는 SMD 패드에 직접 장착될 수 있습니다.
SMD 고전류 회로 기판의 구조
고전류 회로 기판은 다른 조립 및 연결 기술을 통해서도 접촉될 수 있습니다.
– 리플로우/웨이브 솔더링 SMD / THT- 알루미늄 와이어 본딩
– 나사: 구멍/나사산 구멍
– 외부 레이어의 블라인드 홀
– 프레스핏 기술 고전류 커넥터
많은 경우, 고전류 PCB 생산에 필요한 추가적인 노력은 특별히 구현된 제조 공정을 통해 부분적으로 줄일 수 있고, 표준 공정의 최적화된 공정 제어를 통해 부분적으로 줄일 수 있습니다.
두꺼운 구리 PCB는 전력 손실을 수평으로 분산합니다.
두꺼운 구리 기술은 수년간 시장에 출시되어 왔으며 대량 생산되고 있습니다. PCB 업계에서는 일반적으로 ≥105µm 두께의 구리 구조에 대해 두꺼운 구리를 사용합니다. 두꺼운 구리 도체는 전력 부품의 높은 전력 손실을 더 잘 수평으로 분산시키고/시키거나 고전류를 전달하는 역할을 하며, 고전류 PCB 애플리케이션에서 버스바의 스탬핑 및 벤딩 구조를 대체합니다. 각각 400µm 두께의 구리로 된 최대 XNUMX개의 내부 층을 사용하면 수백 암페어의 전류 전달 용량이 가능합니다. 이상적으로 두꺼운 구리 도체는 내부 층에 위치하는 것이 좋습니다.
레이아웃 변경에 대한 유연성, 컴팩트한 설계, 간단한 가공/조립, 비교적 낮은 변경 비용, 그리고 PCB 업계의 표준 공정은 두꺼운 구리 PCB의 장점을 뒷받침합니다. 두꺼운 구리 회로 기판의 공정 단계는 기존 회로 기판의 표준 처리량과 크게 다르지 않지만, 생산에는 특별한 공정 경험과 관리가 필요합니다. 두꺼운 구리 회로 기판은 에칭 라인에 10~15배 더 오래 머무르며 일반적인 에칭 프로파일을 갖습니다. 두꺼운 구리 회로 기판의 에칭 및 드릴링 공정은 회로도의 설계 규칙을 결정하며 반드시 준수해야 합니다. PCB 제조업체는 비용 및 공정 최적화를 위한 레이어 구성 및 설계 규칙에 대한 제안 목록을 제공합니다.
알아두어야 할 사항: 베이스 구리 클래딩 두께가 ≥4µm인 FR105 라미네이트는 구리 함량이 높아 가격이 더 비쌉니다. 양면에 18µm 두께로 적층된 표준 라미네이트와 비교할 때, 재료비 비율은 약 1:8에서 1:10입니다. PCB 개발자는 재료 활용도를 극대화하는 데 주의를 기울여야 합니다. PCB 제조업체와의 조기 협력은 비용을 크게 절감하는 데 도움이 됩니다. 소형화와 관련하여 두꺼운 구리 기술은 제한적입니다. 강한 언더컷으로 인해 비교적 거친 구조만 제작할 수 있습니다. 또 다른 한계는 두꺼운 구리 도체와 동일한 배선 레벨에서 미세 신호 배선이 불가능하다는 것입니다.
빙산: 균일한 표면 지형을 위해
배선 레벨에는 로직을 위한 70~100µm 두께의 구리 영역과 부하를 위한 최대 400µm 두께의 구리 영역이 있습니다. 두꺼운 구리는 회로 기판에 대부분 매립되어 있습니다. 이로 인해 전체 도체 패턴에 걸쳐 균일한 표면 지형이 형성됩니다. 빙산의 원리는 내부 층의 두꺼운 구리와도 결합될 수 있습니다.
400µm 두께의 구리 면적의 XNUMX분의 XNUMX를 기본 소재에 매립하여 평면 인쇄 회로 기판 표면을 형성합니다. 장점: 도체 측면을 단 한 번의 주조 공정으로 솔더 마스크로 안정적으로 덮을 수 있습니다. 이후 조립 공정은 단일 레벨에서 가능합니다. 아이스버그 구조는 전력 부품의 방열판으로도 적합하며, 도금 관통 홀(비아)과 결합하여 열 관리를 최적화할 수 있습니다.
HSMtec: 내부 및 외부 층에 구리 원소 함유
회로 기판에서 부하와 로직을 결합하는 또 다른 방법은 HSMtec입니다. 이 방법에서는 고전류가 흐르는 지점에서 FR4 다층 기판의 내층과 외층 아래에 거대한 구리 소자를 선택적으로 설치하고, 에칭된 도체 패턴의 베이스 구리에 초음파 접합합니다. 층을 압착한 후, 구리 프로파일을 다층 기판의 외층 및/또는 내층에 배치합니다. 회로 기판의 나머지 부분은 영향을 받지 않습니다.
다층 구조는 표준 제조 공정으로 제조되고, 이후 일반적인 조립 및 납땜 공정을 거쳐 가공됩니다. 이러한 구조를 통해 기계의 절연 내력 및 절연 등급과 같은 전기적 사양을 충족할 수 있으며, 차량 내 설치 공간이 제한적인 까다로운 온도 조건에도 적합합니다.
다층 구조 내부의 견고한 구리 프로파일은 90차원 구조 구현을 가능하게 합니다. 구리 프로파일에 수직인 노치 밀링을 통해 회로 기판의 각 부분을 최대 XNUMX°까지 구부릴 수 있습니다. 이를 통해 설치 공간을 효율적으로 활용하고 굽힘 가장자리를 통해 높은 전류와 열을 전달할 수 있습니다. 구조는 XNUMX차원 회로 기판 형태로 설계되어 패널에서 제작 및 조립됩니다. 모듈 조립 후, 회로 기판은 XNUMX차원 형태로 구부려집니다.
이 소프트웨어는 개발자가 고전류 도체 트랙의 치수를 정하는 데 도움을 줍니다. 전류와 온도 등 몇 가지 입력만으로 HSMtec뿐만 아니라 70µm 및 105µm 구리 피복에 대한 최소 와이어 폭을 계산합니다.
