Se você deseja controlar correntes para acionamentos elétricos e fontes de alimentação com eletrônica inteligente, precisa dominar o equilíbrio entre potência e microeletrônica. Este artigo descreve diferentes variantes de uma tecnologia única e diversificada de PCB de alta corrente, adequada para correntes de até 1,000 A. No centro dessa tecnologia estão barras de cobre embutidas que se projetam da superfície para entrar em contato com SMDs e outros componentes de potência.
Para preencher a lacuna entre condutores de alta corrente, por um lado, e componentes eletrônicos, por outro, geralmente são necessários diversos cabos, materiais de montagem e interpositores, especialmente se forem fornecidos SMDs. O objetivo é integrar barramentos em placas de circuito impresso para economizar volume de construção e esforço de montagem dos sistemas, além de combinar as correntes de acionamento e alimentação, bem como os controles eletrônicos.
Existem diversas tecnologias de placas de circuito projetadas para aplicações de energia. Entre elas, estão as multicamadas com espessuras de camada de cobre aumentadas de até 400 micrômetros, que podem ser niveladas em camadas mais altas. Além disso, existem diversas técnicas que se baseiam no aumento seletivo da seção transversal do cobre, como a técnica iceberg, a técnica wire lay e a incorporação parcial de laminados espessos de cobre.
Tecnologia de acionamento: otimizar PCB de alta corrente para controles de motor
Neste artigo, são comparadas três tecnologias de PCB para placas de circuito de alta corrente: Dickschicht, Iceberg e HSMtec. A topologia e o design do PCB influenciam a capacidade de condução de corrente e a dissipação de calor dos semicondutores de potência.
Existem tecnologias adequadas para combinar o circuito de carga e o condutor fino para sinais lógicos em uma placa de circuito FR4. Você economiza espaço e evita a tecnologia de conexão convencional com placas separadas, o que aumenta a confiabilidade do controle do motor. O desenvolvedor de PCB pode otimizar a capacidade de condução de corrente e a dissipação de calor dos semicondutores de potência de acordo com sua tarefa.
Do ponto de vista da placa de circuito impresso, as especificações da eletrônica de acionamento podem ser resumidas em cinco pontos: 1) alta densidade de integração, 2) confiabilidade do conjunto eletrônico, 3) rápida dissipação de calor, 4) altas correntes combinadas com eletrônica de controle e 5) custos reduzidos do sistema, por exemplo, pela mudança para componentes SMD, menos componentes ou processos de montagem.
Uma solução inteligente é combinar a seção de potência e a eletrônica de controle, ou seja, os circuitos de carga e a lógica de controle, em vez de duas placas de circuito em apenas uma. No entanto, isso requer grandes seções transversais dos condutores e grandes distâncias de isolamento para os condutores de alta corrente e, ao mesmo tempo, estruturas de condutores finos para o controle em uma única placa. Isso elimina conexões de plugue, cabos e barramentos caros, bem como etapas de montagem e riscos que limitam a confiabilidade. A KSG, especialista em PCB, possui três tecnologias para isso: cobre espesso, tecnologia iceberg e tecnologia HSMtec. Todos os três processos utilizam o material base padrão FR4.
Contato seguro com PCB de alta corrente
Todas essas tecnologias têm algo em comum: geralmente não há uma seção transversal suficiente entre as camadas da placa de circuito impresso de alta corrente e as conexões para componentes de superfície ou conexões aparafusadas. As vias formam um gargalo para as correntes do tamanho desejado. E os plugues de pressão, parafusos e grampos também não garantem um contato confiável com as camadas. Somente a soldagem limpa das conexões forma uma conexão contínua dos componentes a todas as camadas. Aqui, no entanto, quanto maior a espessura total do cobre, maior o risco de penetração da solda.
Em contrapartida, independentemente do projeto, a placa de circuito impresso de alta corrente entra em contato com os componentes e conexões com a seção transversal máxima do condutor (Figura 2 abaixo). Dessa forma, componentes SM e THT podem ser combinados com semicondutores de potência ligados, contatos de pressão e conexões a parafuso sem criar gargalos no caminho da corrente. Ao mesmo tempo, o barramento atua como um dissipador de calor. Os componentes estão em contato direto com essa massa térmica e, portanto, são resfriados de forma otimizada.
Projeto, produção e processamento de PCB de alta corrente
Em comparação com os barramentos convencionais conhecidos na engenharia elétrica, peças de cobre moldadas individualmente são utilizadas na placa de circuito de alta corrente. A forma e a posição das peças de cobre podem ser definidas livremente. Isso dá ao projetista do layout a liberdade de posicionar os componentes e conexões de forma a criar um módulo compacto com funções térmicas e elétricas otimizadas.
Como cada projeto de alta corrente possui características próprias, é difícil estabelecer regras gerais de projeto. Dependendo do tamanho e do formato das peças de cobre e das barras de isolamento, os limites de projeto para cada projeto devem ser verificados. Os valores de referência fornecem uma orientação geral para o projeto.
Para fabricar uma placa de circuito impresso de alta corrente, as peças de cobre são primeiramente fabricadas. Dependendo do tamanho, formato e número de peças, isso é feito por gravação, fresagem ou puncionamento. As peças de cobre são colocadas em estruturas pré-fresadas e, em seguida, prensadas com pré-impregnados e, possivelmente, outras camadas.
Uma vantagem da placa de circuito impresso de alta corrente é o processamento. Como os barramentos são embutidos, a placa de circuito de alta corrente – além do seu peso – não pode ser distinguida externamente de outras placas de circuito. Ela pode ser processada em processos SMD convencionais se o perfil for definido para a massa térmica mais alta. A experiência mostra que esses processos de soldagem podem ser bem dominados. Um processo de reparo para componentes que entram em contato direto com o trilho de alta corrente, por outro lado, é mais complexo do que com conjuntos planos convencionais.
Variantes tecnológicas de PCB de alta corrente
O potencial total da placa PCB de alta corrente fica claro quando você considera as possíveis variações.
A tecnologia oferece o maior benefício se as peças de cobre forem moldadas de forma que alcancem a superfície e fiquem niveladas com as outras almofadas em TOP e/ou BOT (Fig. 1). Isso resulta em uma placa de circuito completamente plana que pode ser processada posteriormente no processo de impressão e montagem em pasta, sem necessidade de ajustes. Terminais de cabos, módulos e componentes parafusáveis também são mais fáceis de conectar à posição de alta corrente.
Em outra versão da tecnologia, a camada de alta corrente projeta-se lateralmente a partir da borda da placa de circuito. Esses contatos podem ser usados diretamente como plugues ou podem ser conectados como a extremidade de um barramento convencional.
As próximas duas variantes da placa de circuito impresso de alta corrente não têm como objetivo correntes altas, mas sim componentes de resfriamento.
Se as peças de cobre tiverem superfícies de conexão SMD tanto para cima quanto para baixo, elas funcionam como inlays convencionais de placas de circuito impresso, que são pressionados nos recortes das placas de circuito impresso para conduzir o calor dos componentes de energia da parte superior para a inferior. As peças de cobre embutidas (Fig. 9) diferem dos inlays convencionais por serem mais confiáveis na fabricação e no processamento, uma vez que não há estresse mecânico na placa de circuito. Além disso, o tamanho e a posição das almofadas podem ser selecionados independentemente. Uma conexão elétrica também é possível sem esforço adicional.
A última variante da placa PCB de alta corrente é uma versão unilateral (Figuras 10 e 11). Aqui, almofadas elevadas de folha de cobre projetam-se através do isolamento de uma fina camada isolante, para então serem contatadas diretamente como contatos do dissipador de calor SMD para as conexões dos componentes correspondentes. Ao contrário dos substratos de alumínio feitos de IMS, esta versão não possui camada isolante, permitindo a dissipação de potências significativamente maiores. Tais construções são utilizadas, entre outras coisas, para LEDs de alto desempenho de até 10 W.
Com a placa de circuito de alta corrente, Tecnologia MOKO está expandindo sua gama de tecnologias na área de gerenciamento térmico com outro componente importante:
O cobre sólido é incorporado na placa de circuito e pode ser encaixado diretamente em pastilhas SMD que chegam à superfície.
Estrutura de uma placa de circuito SMD de alta corrente
A placa de circuito de alta corrente também pode ser contatada com outras tecnologias de montagem e conexão:
– Soldagem por refluxo/onda SMD / THT – Colagem de fios de alumínio
– Parafusos: ilhós / furos roscados
– Furos cegos das camadas externas
– Conector de alta corrente com tecnologia de encaixe por pressão
Em muitos casos, o esforço adicional para a produção de PCB de alta corrente pode ser reduzido em parte por meio de processos de fabricação especialmente implementados e em parte por meio do controle de processo otimizado de processos padrão.
PCBs de cobre espesso distribuem as perdas de energia horizontalmente
A tecnologia de cobre espesso está consolidada no mercado há muitos anos e é fabricada em grandes quantidades. A indústria de PCBs geralmente se refere a cobre espesso para estruturas de cobre de ≥105 µm. Condutores de cobre espessos atendem à melhor distribuição horizontal de calor de altas perdas de potência de componentes de potência e/ou ao transporte de altas correntes, substituindo construções estampadas e dobradas para barramentos em aplicações de PCBs de alta corrente. Com até quatro camadas internas, cada uma com 400 µm de cobre, é possível uma capacidade de condução de corrente de várias centenas de amperes. Idealmente, os condutores de cobre espessos estão localizados nas camadas internas.
A flexibilidade para alterações no layout, o design compacto, o processamento/montagem simples e os custos de alteração comparativamente baixos, bem como os processos padrão da indústria de PCBs, são favoráveis à PCB de cobre espesso. Embora as etapas do processo de uma placa de circuito impresso de cobre espesso não difiram significativamente da produtividade padrão de uma placa de circuito impresso convencional, a produção requer experiência e gerenciamento de processo específicos. Uma placa de circuito impresso de cobre espesso permanece na linha de gravação de 10 a 15 vezes mais tempo e possui um perfil de gravação típico. Os processos de gravação e perfuração da placa de circuito impresso de cobre espesso determinam as regras de projeto para o diagrama de circuito e devem ser observados. O fabricante de PCBs possui uma lista de sugestões para construção de camadas e regras de projeto otimizadas em termos de custo e processo.
Importante saber: Laminados FR4 com revestimento de cobre de base ≥105 µm são mais caros devido ao alto teor de cobre. Comparado a um laminado padrão com 18 µm em ambos os lados, o fator de custo do material é de cerca de 1:8 a 1:10. O desenvolvedor de PCB deve estar atento à máxima utilização do material. A coordenação antecipada com o fabricante de PCB ajuda a reduzir significativamente os custos. Em relação à miniaturização, a tecnologia de cobre espesso é limitada. Devido ao forte rebaixo, apenas estruturas relativamente grosseiras podem ser criadas. Outra limitação: a fiação fina de sinal não é possível no mesmo nível de fiação que o condutor de cobre espesso.
Iceberg: para uma topografia de superfície uniforme
No nível da fiação, há áreas com 70 a 100 µm de cobre para a lógica e áreas com até 400 µm de cobre para a carga. O cobre espesso é amplamente imerso na placa de circuito. Isso cria uma topografia de superfície uniforme em todo o padrão do condutor. O princípio do iceberg também pode ser combinado com cobre espesso nas camadas internas.
A incorporação de dois terços da área de cobre de 400 µm de espessura no material base cria uma superfície plana da placa de circuito impresso. Vantagem: Os flancos dos condutores podem ser revestidos de forma confiável com uma máscara de solda em apenas um processo de fundição. O processo de montagem subsequente é possível em um único nível. As estruturas iceberg também são adequadas como dissipadores de calor para componentes de energia e podem ser combinadas com furos passantes (vias) para otimizar o gerenciamento térmico.
HSMtec: elementos de cobre nas camadas interna e externa
Outra maneira de combinar carga e lógica em uma placa de circuito é o HSMtec. Nele, elementos maciços de cobre são instalados seletivamente nas camadas internas e sob as camadas externas da multicamada FR4, nos pontos por onde fluem altas correntes, e unidos por ultrassom ao cobre base dos padrões de condutores gravados. Após a prensagem das camadas, os perfis de cobre são posicionados sob as camadas externas e/ou internas da multicamada. O restante da placa de circuito permanece inalterado.
A multicamada é fabricada no processo de fabricação padrão e processada posteriormente no processo usual de montagem e soldagem. Com essa estrutura, é possível atender às especificações elétricas para a rigidez dielétrica e classes de isolamento de máquinas, bem como a condições de temperatura exigentes com espaço de instalação limitado em veículos.
Os perfis de cobre sólidos dentro da multicamada também permitem construções tridimensionais. A fresagem com entalhe perpendicular aos perfis de cobre permite que segmentos da placa de circuito sejam dobrados em até 90°. Dessa forma, o espaço de instalação é aproveitado de forma inteligente e altas correntes e calor são transportados pela borda de dobra. A construção é projetada como uma placa de circuito bidimensional, fabricada e montada no painel. Após a montagem ou montagem do módulo, a placa de circuito é dobrada na forma tridimensional.
O software auxilia os desenvolvedores no dimensionamento de trilhas de condutores de alta corrente. Com apenas algumas entradas, como corrente e temperatura, a calculadora fornece a largura mínima do fio para HSMtec, bem como para revestimentos de cobre de 70 e 105 µm.
