Платы с толстой медью делаются под ток, а не под сигналы. Толще медь — больше сечение каждого проводника, поэтому та же ширина дорожки несёт больший ток с меньшим перегревом, а медь разводит тепло в стороны под компонентами. Медь проводит тепло при 401 W/m·K — на порядок выше окружающего ламината, поэтому такие платы появляются всюду, где преобразователь, двигатель или силовой каскад должен пережить собственные потери.
Где применяется толстая медь
- Источники питания и преобразователи — первичная и вторичная стороны импульсных блоков, шины и шунтирующие пути.
- Приводы двигателей и инверторы — трёхфазные выходные каскады в промышленной автоматике и приводах насосов, где ток должен дойти до разъёма без кабеля.
- Автомобильная техника — системы 48 В, управление батареей, стартер-генератор и зарядная инфраструктура по IATF 16949:2016; подробнее на странице автомобильных плат.
- Возобновляемая энергия — солнечные микроинверторы, стринговые преобразователи и интерфейсы накопителей, где тепло и ток приходится отводить на одной плате; см. возобновляемую энергетику.
- Сварочное, гальваническое и тяговое оборудование — промышленные токовые пути, о них страница промышленной автоматики.
От 0,5 oz до 20 oz
Одна унция меди — это около 35 µm, поэтому диапазон идёт от тонкой фольги внутренних слоёв до примерно 700 µm на внешних. Толстая медь обычно означает 3 oz (105 µm) и выше на слой. Там, где стек соединяет силовой слой с тонким сигнальным, сигнальный слой держится на минимальной для площадки линии и зазоре 0,06 мм, а минимум тяжёлого слоя задаётся его весом меди и подтверждается в DFM-разборе: травить слой 20 oz — не та же операция, что травить слой 1 oz.
Что меняется в проекте
Вес меди влияет не только на сопротивление. Растут расстояния утечки и зазоры, тепловые барьеры нужно подобрать так, чтобы тяжёлую площадку всё ещё можно было паять вручную или оплавлением, окна паяльной маски и обработка переходных отверстий корректируются, а баланс меди по панели решает, будет ли готовая плата коробиться при прессовании и оплавлении. Соотношение сторон 15:1 и минимальное механическое отверстие 0,15 мм — те же, что у стандартных плат, а импеданс может удерживаться в ±10 % на слоях, где это нужно.
Толстая медь или плата на металлическом основании?
Платы с толстой медью и платы на металлическом основании появляются там, где конструкция теряет тепло, но это не один и тот же ответ. Толстая медь удерживает тепло внутри платы: более толстое сечение теряет меньше с самого начала, а остаток растекается в стороны под компонентами, поэтому сама плата становится частью теплового пути. Изолирующая металлическая подложка, наоборот, выводит тепло из плоскости: медь по-прежнему несёт ток, тонкий диэлектрик её изолирует, а алюминиевое или медное основание отдаёт тепло тому, на что плата установлена.
Первый вопрос — куда теплу вообще разрешено уходить. В герметичном корпусе, на стойках в неподвижном воздухе или там, где источником тепла служит сам токовый путь, толстая медь остаётся более простым решением, потому что ничего не должно покидать плату. Если снизу есть шасси, радиатор или охлаждающая плита, решает вертикальный путь, и конструкция на металлическом основании доходит до него с меньшим количеством меди; платой за это становится диэлектрик, который обязан выдерживать напряжение, — пределом оказывается изоляция, а не проводник. Обе конструкции описаны на странице плат на металлическом основании, а смешанные варианты считаются вместе.
Второй вопрос — какая часть панели действительно должна быть толще. Там, где контур позволяет, дешевле расширить несколько цепей с током при меньшем весе меди, чем утяжелять каждый слой; толстая медь оправдана, когда сечение обязано уложиться в фиксированную ширину — шаг разъёма, паз в корпусе, посадочное место шины, — а не просто когда ток велик. Если медь вдобавок работает экраном или обратным проводом с малой индуктивностью, один слой закрывает два требования, и довод становится весомее. Обратная сторона — жёсткость: тяжёлый слой хуже гнётся и хуже переносит повторные термоциклы, поэтому там, где плата должна изгибаться, толстая медь и гибкая конструкция входят в противоречие.
Третий вопрос — монтаж. Тяжёлый слой запасает много тепла, поэтому пайка на силовой площадке требует больше энергии и более длинной выдержки, чем мелкие компоненты на той же плате, и профиль оплавления, подходящий одним, может оставить другие без тепла. Если плотную логику и тяжёлый токовый путь нельзя разделить в трассировке, сигнальная часть на многослойной плате рядом с отдельной силовой платой часто дешевле, чем стек слоёв, который обязан удовлетворять обоим требованиям.
Монтаж, контроль и документация
Панели с толстой медью идут через четыре линии SMT на шесть миллионов компонентов в день и три линии DIP на 1,6 млн выводов в день, с профилями оплавления, рассчитанными на дополнительную тепловую массу. Рентгеновский контроль закрывает соединения под разъёмами, ремонт BGA и реболлинг делаются на месте, а платы изготавливаются по IPC-6012B и IPC-A-600H с признанием UL под файлом E354070.
Где изготовление толстой меди идёт не так
Большинство проблем с толстой медью решается в примечаниях к производству, а не на линии травления.
- Боковое травление против готовой ширины — толстая медь травится не только вглубь, но и в стороны: ширина на фотошаблоне не равна готовой ширине. Готовая ширина и допустимое подтравливание указываются на чертеже, а технологический образец с той же панели измеряют, а не предполагают.
- Нехватка смолы при прессовании — плотный медный рисунок оставляет препрегу мало места для растекания, поэтому толщину диэлектрика и тип препрега выбирают вместе, а прочность соединения проверяют уже на первой панели; сухой ламинат проявится позже расслоением или проводящим путём между цепями.
- Паяльная маска на ступеньке — тяжёлый слой создаёт физическую ступеньку на поверхности, и маска, которая утончается на её кромке, трескается и перекрывает соседние площадки. Толщина маски и ширина перемычки задаются, а там, где площадка стоит на ступеньке, маску заливают, а не наносят тонким слоем.
- Металлизация стенок против меди на поверхности — плотность тока при металлизации следует за площадью поверхности, поэтому панель с тяжёлыми внешними слоями металлизируется иначе, чем стандартная. Минимальная медь в стенке отверстия задаётся и подтверждается шлифом.
- Тепло в месте пайки — та же медь, что несёт ток, отводит тепло от паяльника или из зоны оплавления, поэтому тепловые барьеры, предварительный прогрев и выдержка согласуются с процессом монтажа, а не оставляются на усмотрение оператора.
Как получить смету
Отправьте комплект Gerber с весом меди по слоям, током каждой цепи, допустимым перегревом, толщиной платы и количеством. Прототипы возвращаются за 1–3 дня, средняя серия — за 4–10 дней; страница возможностей содержит технологические пределы, а страница сертификатов — выданные сертификаты.
Платы с толстой медью, которые идут дальше в монтаж, описаны на странице монтаж печатных плат в Китае — вместе с закупкой компонентов и сборкой блоков.
