Yleiskatsaus raskaisiin kuparipiirilevyihin

Paksu kuparinen piirilevy on tärkeä teknologia tietyissä suuritehoisissa ja suurivirtaisissa sovelluksissa, erityisesti virtalähteissä ja laitteissa, jotka vaativat suurta virrankestokykyä.

1. Mikä on raskas kuparipiirilevy?

Lyhyesti sanottuna raskas kupari-piirilevy on eräänlainen painettu piirilevy, jonka kuparifolion paksuus on huomattavasti suurempi kuin perinteisillä piirilevyillä:

● Perinteiset piirilevyt: Ulkokuoren paksuus on tyypillisesti 1 OZ/ft² (noin 35 µm), kun taas sisäkerrosten paksuus on yleensä 0,5 OZ/ft² tai 1 OZ/ft².

● Paksut kuparilevyt: piirilevyt, joiden kuparin paksuus on ≥ 3 OZ/ft² (noin 105 µm), määritellään yleensä raskaiksi kuparilevyiksi. Teknisesti kuparin paksuus voi olla 10 OZ/ft² (noin 350 µm) tai jopa suurempi.

Muunnos:

1 OZ/ft² = 35 µm (mikrometriä)

Yleisimmät paksuudet: 1 OZ (35 µm), 2 OZ (70 µm), 3 OZ (105 µm), 4 OZ (140 µm), 6 OZ (210 µm), 10 OZ (350 µm) jne.

2. Raskaan kuparin piirilevyn ydinominaisuudet ja edut

1) Suuri virrankantokyky: Tämä on ensisijainen tarkoitus. Kaavan I = k * ΔT^0.44 * A^0.725 (IPC-2221-standardi) mukaan johtimen virrankantokyky korreloi positiivisesti kuparifolion poikkileikkauspinta-alan (A) kanssa. Kuparin paksuuden kaksinkertaistaminen voi lisätä virrankantokykyä merkittävästi, mikä vähentää ylikuumenemisriskiä.

2) Erinomainen lämmönjohtavuus: Kupari on hyvä lämmönjohdin, paksumpi kuparikerros voi johtaa komponenttien (kuten MOSFET, IGBT jne.) tuottaman lämmön nopeammin jäähdytyselementtiin tai koteloon, mikä alentaa käyttölämpötilaa ja parantaa luotettavuutta ja käyttöikää. 

3) Parantaa mekaanista lujuutta: Paksumpi kuparikerros parantaa liitinpintojen ja -reikien mekaanista lujuutta. Tämä on erityisen hyödyllistä liittimille, jotka vaativat jatkuvaa kytkemistä ja irrottamista, ja paksumpi kupari tarjoaa paremman tuen raskaille komponenteille.

4) Erikoismallit:

● Tasomuuntajat/induktorit: Magneettiset komponentit voidaan upottaa suoraan piirilevykerrokseen, jolloin saavutetaan suuri tehotiheys raskaiden kuparikalvojen avulla.

● Matalaimpedanssiset virtalähteet: Vähentää jännitehäviötä ja virrankulutusta suurvirtareiteillä.

3. Tärkeimmät sovellukset

● Virtalähteet: Suuritehoiset AC/DC- ja DC/DC-muuntimet (esim. palvelinten virtalähteet, teollisuusvirtalähteet), UPS.

● Uusi energia: Aurinkosähköinvertterit, tuulivoiman muuntimet, uuden energian ajoneuvot (ajoneuvojen laturit (OBC), moottorinohjaimet, akunhallintajärjestelmät (BMS)).

● Tehosäätö: Moottorikäytöt, teollisuuden säätö, hitsauslaitteet.

● Ilmailu- ja sotilasala: Korkean luotettavuuden ja tehon laitteet ilmailussa tai satelliiteissa.

● Autoteollisuus: Ajovalojen säätimet, virranjakeluyksiköt.

● Suuritehoinen LED-valaistus: Käytetään lämmön haihduttamiseen ja käyttövirran kuljettamiseen.

4. Suunnittelun ja valmistuksen haasteet

Perinteisiin piirilevyihin verrattuna raskaat kuparilevyt tarjoavat paremman ominaissuorituskyvyn, mutta asettavat myös korkeampia vaatimuksia suunnittelulle ja valmistukselle:

Suunnittelun haasteet:

● Viivan leveys/väli: Syövytys aiheuttaa "sivusyövytystä", joka on voimakkaampaa paksummalla kuparilla. Siksi erittäin hienoja viivoja ei voida luoda. Paksujen kuparisten piirilevyjen viivat ovat tyypillisesti leveämpiä ja niillä on suurempi väli.

Esimerkiksi 3 unssin (noin 90 g) paksuisella kuparilla viivanleveyden/välin vähimmäisarvon on oltava 8–10 mil (0,2–0,25 mm) tai enemmän.

● Kuparointivaatimukset: Suurten virtojen siirtämiseksi ja mekaanisen lujuuden varmistamiseksi läpivientien sisäseinämien kuparipinnoitteen on oltava myös paksumpi (esim. 2–3 mil tai enemmän).

● Laminoinnin kohdistus: Epätasaisen kuparin paksuuden ja vaihtelevan virtauksen vuoksi laminoinnin aikana kohdistuksen hallinta on vaikeampaa.

● Impedanssin säätö: Korkeataajuussovelluksissa paksu kupari vaikuttaa ominaisimpedanssiin, mikä tekee suunnittelulaskelmista monimutkaisempia.

Valmistuksen haasteet:

1) Kuvion siirto/valotus: Paksu kuparifolio vaikeuttaa kuivakalvon tai nestemäisen fotoresistin täydellistä peittämistä ja yhtenäisen kuvion muodostamista, mikä vaatii korkeaa valotuksen tasaisuutta.

2) Syövytys: Yksi suurimmista haasteista. Syövytysprosessi vaatii enemmän aikaa ja sivuttaissyövytystä voi tapahtua, mikä johtaa puolisuunnikkaan muotoisiin poikkileikkauksiin ihanteellisten suorakulmioiden sijaan. Syövytysparametreja ja kemikaaleja on hallittava tarkasti.

3) Laminointi: Paksut kuparikuviot aiheuttavat merkittävää epätasaisuutta laminoinnin aikana, mikä vaatii suurten määrien prepreg-hartsin täyttöä. Tämä voi johtaa ongelmiin, kuten kupliin ja epätasaiseen hartsin virtaukseen, mikä vaatii erityisiä täyttö- ja laminointiprosesseja.

4) Poraus: Paksut kuparikerrokset aiheuttavat poran nopeaa kulumista, mikä voi johtaa reiän seinämän suurempaan karheuteen. Porausparametreja on säädettävä ja reiän seinämää on puhdistettava perusteellisemmin.

5) Galvanointi: Riittävän paksun kuparikerroksen tasainen pinnoitus läpivienneille ja pinnoille tuo mukanaan lisää haasteita.

5. Keskeiset valmistusprosessit

Yllä mainittujen haasteiden ratkaisemiseksi valmistajien on otettava huomioon:

● Porrastettu syövytys: Syövytys useissa vaiheissa, joissa jokaisella kerralla syövytetään osa syvyydestä sivuttaissyövytyksen vähentämiseksi.

● Erikoiset etsausliuokset: Käytetään liuoksia, joilla on alhainen sivuttaisetsausnopeus, kuten hapanta kuparikloridia.

● Suurpainopuristimet: Korkean paineen avulla varmistetaan, että hartsi täyttää kokonaan viivojen väliset raot.

● Moninkertainen laminointi: Erittäin paksuille kupareille tai monikerroksisille paksuille kuparilevyille voidaan käyttää useita laminointivaiheita.

● Laserablaatio: Erittäin tarkkojen paksujen kuparikuvioiden aikaansaamiseksi voidaan käyttää suoraa lasermuovausta perinteisen syövytyksen sijaan.

6. Kuinka erottaa toisistaan ​​"raskaat kuparipiirilevyt" ja "kuparipohjaiset piirilevyt (metallipohjat)"

Tämä on yleinen sekaannus:

● Paksut kupariset piirilevyt: Viittaa piirilevyihin, joissa on erittäin paksu kuparifolio johdinkerroksissa, kun taas alusta pysyy eristävänä hartsimateriaalina, kuten FR-4, CEM-3 tai PI. Sen ensisijainen tehtävä on lisätä virransiirtokykyä, ja toissijainen etu on erinomainen lämmönpoisto.

● Kuparialustat Piirilevyt: Eräänlainen metallialusta, jonka rakenne on: Pintakerros kuparifoliojohtimia → Eristävä ja lämpöä johtava dielektrinen kerros → Yleinen metallialusta (yleensä alumiinia tai kuparia). Se ratkaisee ensisijaisesti lämmönhukkaongelmia. Sen kuparin paksuus voi olla joko vakio 1OZ tai paksumpi kupari. Ydin on yksittäinen metallikappale, joka toimii jäähdytyselementtinä.

Lyhyesti sanottuna: raskas kuparinen piirilevy tarkoittaa, että johtimet itsessään ovat erittäin paksuja, kun taas kuparisubstraatti tarkoittaa, että metallialustaa on vain yksi kappale.

Yhteenveto:

Kun insinöörien valitsevat käytettävää piirilevyä, heidän on arvioitava kattavasti virta, lämmönhallintavaatimukset, tilarajoitukset, kustannusbudjetti ja johdotustiheys. Sitten heidän on päätettävä, onko paksu kuparipiirilevy ihanteellinen vaihtoehto ja kuinka paksujen kuparifolioiden tulisi olla. Suurten virran ja lämmönpoistovaatimusten osalta voidaan joskus harkita myös paksun kuparipiirilevyn ja metallialustan yhdistelmää.

Benlida on keskittynyt piirilevyjen valmistukseen 14 vuoden ajan. Meillä on tuotantokokemusta, markkinaorientoitunut ja asiakaslähtöinen ajattelutapa. Päivitämme jatkuvasti tuotantolaitoksiamme ja optimoimme tuotantoprosessejamme. Jos sinun on tuotettava raskaita kuparisia piirilevyjä, ota rohkeasti yhteyttä!