Если вы хотите управлять токами для электроприводов и источников питания с помощью интеллектуальной электроники, вам необходимо освоить балансировку между мощностью и микроэлектроникой. В этой статье описываются различные варианты уникальной и разнообразной технологии печатных плат с высоким током, которые подходят для токов до 1,000 А. В основе этой технологии лежат встроенные медные стержни, которые выступают над поверхностью для контакта с SMD и другими силовыми компонентами.
Чтобы закрыть зазор между проводниками высокого тока с одной стороны и электронными компонентами с другой, обычно требуется ряд кабелей, монтажных материалов и интерпозеров, особенно если предусмотрены SMD. Цель состоит в том, чтобы интегрировать шины в печатные платы, чтобы сэкономить объем конструкции и усилия по сборке для систем, а также объединить токи привода и питания, а также электронные элементы управления.
Существует ряд технологий печатных плат, разработанных для применения в силовых системах. К ним относятся многослойные платы с увеличенной толщиной медного слоя до 400 микрометров, которая может быть выровнена на более высоких слоях. Кроме того, предлагается несколько методов, основанных на выборочном увеличении сечения меди, например, метод айсберга, метод прокладки проводов и частичное внедрение толстых медных ламинатов.
Технология привода: Оптимизация высокоточной печатной платы для управления двигателем
В этой статье сравниваются три технологии печатных плат для сильноточных печатных плат: Dickschicht, Iceberg и HSMtec. Топология и конструкция печатной платы влияют на пропускную способность тока и тепловыделение силовых полупроводников.
Подходящие технологии доступны для объединения цепи нагрузки и тонкого проводника для логических сигналов на плате FR4. Вы экономите место и избегаете традиционной технологии соединения с отдельными платами, что повышает надежность управления двигателем. Разработчик печатной платы может оптимизировать токовую нагрузку и теплоотвод силовых полупроводников в соответствии со своей задачей.
С точки зрения печатной платы характеристики приводной электроники можно обобщить в пяти пунктах: 1) высокая плотность интеграции, 2) надежность электронной сборки, 3) быстрый отвод тепла, 4) высокие токи в сочетании с управляющей электроникой и 5) снижение стоимости системы, например, за счет перехода на компоненты SMD, меньшего количества компонентов или процессов сборки.
Умным решением является объединение силовой части и управляющей электроники, т. е. цепей нагрузки и управляющей логики, вместо двух плат на одной плате. Однако это требует больших сечений проводников и больших изоляционных расстояний для сильноточных проводников и, в то же время, тонких структур проводников для управления на одной и той же плате. Это исключает дорогостоящие штекерные соединения, кабели и шины, а также этапы сборки и риски, ограничивающие надежность. Специалист по печатным платам KSG имеет три технологии для этого: толстая медь, айсберг и технология HSMtec. Все три процесса используют стандартный базовый материал FR4.
Безопасный контакт с сильноточной печатной платой
Все эти технологии имеют нечто общее: обычно недостаточное поперечное сечение между слоями платы печатной платы высокого тока и соединениями для поверхностного монтажа компонентов или винтовых соединений. Переходные отверстия образуют узкое место для токов нужной величины. А запрессованные заглушки, винты и зажимы также не гарантируют надежного контакта со слоями. Только чистая пайка соединений образует непрерывное соединение от компонентов ко всем слоям. Здесь, однако, чем больше общая толщина меди, тем опаснее проникновение припоя.
Напротив, независимо от конструкции, высокоточная печатная плата контактирует с компонентами и соединениями с максимальным поперечным сечением проводника (рисунок 2 ниже). Таким образом, компоненты SM и THT могут быть объединены с силовыми полупроводниками, запрессованными контактами и винтовыми соединениями без узкого места на пути тока. В то же время шина служит радиатором. Компоненты находятся в прямом контакте с этой тепловой массой и, следовательно, оптимально охлаждаются.
Проектирование, производство и обработка сильноточных печатных плат
По сравнению с обычными шинами, известными из электротехники, для платы высокоточной схемы используются индивидуально сформированные медные детали. Форма и положение медных деталей могут быть определены свободно. Это дает проектировщику компоновки свободу размещать компоненты и соединения таким образом, чтобы был создан компактный модуль с оптимизированными тепловыми и электрическими функциями.
Поскольку каждый проект высокого тока имеет свои собственные характеристики, трудно установить общие правила проектирования. В зависимости от размера и формы медных деталей и изоляционных шин, необходимо проверить пределы проектирования для каждого проекта. Ориентировочные значения дают приблизительное руководство для проектирования.
Для изготовления печатной платы высокого тока сначала изготавливаются медные детали. В зависимости от размера, формы и количества деталей это делается путем травления, фрезерования или штамповки. Медные детали помещаются в предварительно фрезерованные рамки, а затем прессуются с препрегами и, возможно, другими слоями.
Одним из преимуществ высокоточной печатной платы является обработка. Поскольку шины встроены, высокоточная печатная плата — за исключением ее веса — внешне неотличима от других печатных плат. Ее можно обрабатывать в обычных процессах SMD, если профиль настроен на более высокую тепловую массу. Опыт показывает, что эти процессы пайки можно хорошо освоить. С другой стороны, процесс ремонта компонентов, которые вступают в прямой контакт с высокоточной шиной, более сложен, чем в случае с обычными плоскими сборками.
Варианты технологий сильноточных печатных плат
Полный потенциал сильноточной печатной платы становится очевиден, если рассмотреть возможные варианты.
Технология дает наибольшие преимущества, если медные детали сформированы таким образом, что они достигают поверхности и находятся на одном уровне с другими площадками на TOP и/или BOT (рис. 1). Это дает вам совершенно плоскую печатную плату, которую можно дополнительно обрабатывать в процессе последующей печати пасты и сборки без регулировки. Кабельные наконечники, модули и привинчиваемые компоненты также легче подключать к позиции высокого тока.
В другой версии технологии слой высокого тока выступает сбоку от края печатной платы. Эти контакты могут использоваться непосредственно как штекеры или могут быть подключены как конец обычной шины.
Следующие два варианта печатной платы с высоким током непригодны для охлаждения компонентов при больших токах.
Если медные детали имеют поверхности SMD-соединения как вверх, так и вниз, они работают как обычные вставки печатных плат, которые вдавливаются в вырезы в печатных платах для отвода тепла от силовых компонентов сверху вниз. Встроенные медные детали (рис. 9) отличаются от обычных вставок тем, что они более надежны в изготовлении и обработке, поскольку на печатной плате отсутствует механическая нагрузка. Кроме того, размер и положение контактных площадок можно выбирать независимо друг от друга. Электрическое соединение также возможно без дополнительных усилий.
Последний вариант платы PCB высокого тока представляет собой одностороннюю версию (рисунки 10 и 11). Здесь приподнятые площадки из медного листа выступают через изоляцию тонкого изоляционного слоя, чтобы затем напрямую контактировать с SMD-радиатором, контактирующим с соответствующими компонентными соединениями. В отличие от алюминиевых подложек, изготовленных из IMS, эта версия не имеет изоляционного слоя, поэтому здесь может рассеиваться значительно более высокая мощность. Такие конструкции используются, в том числе, для высокопроизводительных светодиодов мощностью до 10 Вт.
С сильноточной печатной платой, МОКО Технология расширяет спектр своих технологий в области терморегулирования еще одним важным компонентом:
Твердая медь встроена в печатную плату и может быть установлена непосредственно на контактные площадки SMD, выходящие на поверхность.
Структура SMD-платы высокого тока
Сильноточная печатная плата может также контактировать с другими технологиями сборки и соединения:
– Пайка оплавлением/волной SMD/THT – Сварка алюминиевой проволоки
– Винты: люверсы/резьбовые отверстия
– Глухие отверстия из внешних слоев
– Высокоточный соединитель с технологией прессовой посадки
Во многих случаях дополнительные усилия по производству сильноточных печатных плат можно сократить частично за счет специально реализованных производственных процессов, а частично за счет оптимизированного управления стандартными процессами.
Толстые медные печатные платы распределяют потери мощности горизонтально
Технология толстой меди существует на рынке уже много лет и производится в больших количествах. В индустрии печатных плат обычно говорят о толстой меди для медных структур ≥105 мкм. Толстые медные проводники служат для лучшего горизонтального распределения тепла высоких потерь мощности от силовых компонентов и/или для транспортировки больших токов и заменяют штампованные и гнутые конструкции для шин в сильноточных печатных платах. При наличии до четырех внутренних слоев, каждый из которых содержит 400 мкм меди, возможна пропускная способность тока в несколько сотен ампер. В идеале толстые медные проводники располагаются во внутренних слоях.
Гибкость в изменении компоновки, компактная конструкция, простая обработка/сборка и сравнительно низкие затраты на изменение, а также стандартные процессы в индустрии печатных плат говорят в пользу толстой медной печатной платы. Хотя этапы процесса толстой медной печатной платы не сильно отличаются от стандартной производительности обычной печатной платы, производство требует особого технологического опыта и управления. Толстая медная печатная плата остается на линии травления в 10–15 раз дольше и имеет типичный профиль травления. Процессы травления и сверления толстой медной печатной платы определяют правила проектирования для схемы цепи и должны соблюдаться. У производителя печатных плат есть список предложений по стоимости и оптимизированным по процессу правилам построения и проектирования слоев.
Важно знать: ламинаты FR4 с базовой медной оболочкой ≥105 мкм стоят дороже из-за высокого содержания меди. По сравнению со стандартным ламинатом, ламинированным с обеих сторон 18 мкм, коэффициент стоимости материала составляет около 1:8 до 1:10. Разработчик печатной платы должен уделять внимание максимальному использованию материала. Раннее согласование с производителем печатной платы помогает значительно снизить затраты. Что касается миниатюризации, то толстая медная технология ограничена. Из-за сильного поднутрения можно создавать только относительно грубые структуры. Другое ограничение: тонкая сигнальная проводка невозможна на том же уровне проводки, что и толстый медный проводник.
Айсберг: для однородного рельефа поверхности
На уровне проводки есть области с медью толщиной от 70 до 100 мкм для логики и области с медью толщиной до 400 мкм для нагрузки. Толстая медь в значительной степени утоплена в печатную плату. Это создает равномерный рельеф поверхности по всему рисунку проводника. Принцип айсберга также можно комбинировать с толстой медью на внутренних слоях.
Встраивание двух третей медной области толщиной 400 мкм в базовый материал создает плоскую поверхность печатной платы. Преимущество: боковины проводника можно надежно закрыть паяльной маской всего за один процесс литья. Последующий процесс сборки возможен на одном уровне. Структуры Iceberg также подходят в качестве радиаторов для силовых компонентов и могут комбинироваться с металлизированными сквозными отверстиями (vias) для оптимизации теплового управления.
HSMtec: медные элементы во внутренних и внешних слоях
Другой способ объединения нагрузки и логики на плате — HSMtec. Здесь массивные медные элементы выборочно устанавливаются во внутренние слои и под внешние слои многослойной платы FR4 в тех точках, где протекают высокие токи, и ультразвуковым способом привариваются к базовой меди вытравленных рисунков проводников. После прессования слоев медные профили располагаются под внешними слоями и/или во внутренних слоях многослойной платы. Остальная часть платы остается незатронутой.
Многослойный материал изготавливается в стандартном производственном процессе и далее обрабатывается в обычном процессе сборки и пайки. Благодаря этой структуре электрические характеристики для классов диэлектрической прочности и изоляции машин могут быть выполнены, а также для сложных температурных условий с ограниченным пространством для установки в транспортных средствах.
Сплошные медные профили внутри многослойной конструкции также позволяют создавать трехмерные конструкции. Фрезерование пазов перпендикулярно медным профилям позволяет изгибать сегменты печатной платы до 90°. Таким образом, пространство для установки используется разумно, а высокий ток и тепло переносятся по изгибаемому краю. Конструкция представляет собой двухмерную печатную плату, изготовленную и собранную в панели. После сборки или монтажа модуля печатная плата изгибается в трехмерную форму.
Программное обеспечение помогает разработчикам в определении размеров дорожек проводников высокого тока. С помощью всего нескольких записей, таких как ток и температура, калькулятор обеспечивает минимальную ширину провода для HSMtec, а также для медной оболочки 70 и 105 мкм.
