Yüksek Akım Uygulamaları için Ağır Bakır PCB'lerin Tasarımı: Kapsamlı Bir Rehber

Müşteri-Antroize Görüntüler

Yüksek güçlü elektroniklerde-elektrikli araçtan (EV) invertörlerden endüstriyel motor sürücülere kadar-standart 1 oz bakır PCB'ler kısa kalır. Bu sistemler, aşırı ısınmadan 30A ila 200a akımlarını işleyebilen, termal döngüye direnebilecek ve sinyal bütünlüğünü koruyabilen PCB'ler talep eder. Ağır bakır PCB'lere girin: Bakır izleri ve 3 oz (105μm) veya daha kalın uçaklarla tanımlanan, yüksek akım tasarımının benzersiz zorluklarını çözmek için tasarlanmıştır.

Ağır bakır PCB'lerin tasarlanması sadece “daha ​​kalın bakır kullanmak” ile ilgili değildir - eser geometri, malzeme uyumluluğu, termal yönetim ve üretilebilirliği dikkatli bir şekilde değerlendirmeyi gerektirir. Bu kılavuz, yüksek akımlı uygulamalar için ağır bakır PCB tasarımının kritik ilkelerini, malzeme seçiminden en iyi uygulamalara kadar yıkıyor ve yaygın tuzaklardan nasıl kaçınılacağını açıklıyor. İster 50A EV pil yönetim sistemi (BMS) veya 150A endüstriyel güç kaynağı tasarlarsanız, bu kaynak güvenilir, yüksek performanslı kartlar oluşturmanıza yardımcı olacaktır.

Kilit çıkarımlar
1. Kabarcıklı bakır (3oz+) izler standart 1 oz bakırdan 2-5x daha fazla akım: 3 oz'luk bir iz (105μm) 30A taşır, 10 oz iz (350μm) aynı genişlikte 80A'yı destekler.

2. Kritik tasarım faktörleri arasında eser genişlik/kalınlık (takip IPC-2221 standartlarını takip), termal tahliye paternleri (sıcak noktaları%40 azaltma) ve dolgu yoluyla (katı bakır vias, kaplama vias'dan 3 kat daha fazla akım taşır) bulunur.

3.-TG substratları (≥170 ° C) ve seramik dolu laminatlar, 150 ° C+ çalışma sıcaklıklarına dayandıkları için yüksek akımlı tasarımlar için pazarlık edilemez.

4. Standart PCB'lerle karşılaştırıldığında, ağır bakır tasarımları termal direnci% 60 azaltır ve yüksek güçlü sistemlerde bileşen ömürlerini 2-3x genişletir.

Ağır bakır PCB'leri yüksek akım uygulamaları için ideal yapan nedir?
Yüksek akım devreleri önemli ısı üretir (Joule yasası: P = I²R) ve standart PCB'ler bu enerjiyi dağıtmak için mücadele eder. Ağır bakır PCB'ler bunu üç temel avantajla ele alır:

A.Lower elektrik direnci: Daha kalın bakır direnci azaltır (r = ρl/a, burada a = kesit alanı), güç kaybını ve ısı üretimini en aza indirir. 3 oz bakır izi, aynı genişliğin 1 oz izinden% 66 daha az dirence sahiptir.
B. Kalın bakır düzlemler, IGBT'ler ve MOSFET'ler gibi bileşenlerden ısıyı yayarak yerleşik ısı lavaboları görevi görür.
C.Ankenced Mekanik Dayanıklılık: Kalın bakır (özellikle 5 oz+), termal döngüden (-40 ° C ila 125 ° C) ve titreşimden yorgunluğa direnerek, standart PCB'lerde yaygın bir arıza noktası olan iz çatlamasını azaltır.

Ağır bakır kalınlığı ve akım taşıma kapasitesi
Bakır kalınlığı ve akım arasındaki ilişki doğrusal değildir - iz genişliği, ortam sıcaklığı ve hava akışı da rol oynar. Aşağıda, yüksek akımlı tasarımlar için pratik bir referans verilmiştir (25 ° C ortam ve 10 cm eser uzunluğu varsayılarak IPC-2221 ve endüstri testine dayalı):

Not:> 100A akımları için, aşırı eser genişlik ve üretim zorluklarından kaçınmak için paralel izler (örneğin, 200A için iki 10 oz, 1.5mm izler) kullanın.

Ağır bakır PCB'ler için kritik tasarım ilkeleri
Yüksek akım için ağır bakır PCB'lerin tasarlanması, elektrik performansı, termal yönetim ve üretilebilirliği dengelemeyi gerektirir. Tasarımınızı optimize etmek için bu temel ilkeleri izleyin:

1. Hedef akım için eser genişliğini ve kalınlığını hesaplayın
Yüksek akım tasarımının temeli, aşırı ısınmadan beklenen akımı işlemek için izleri boyutlandırıyor. Bu yönergeleri kullanın:

A.Blow IPC-2221 Standartları: IPC-2221 Spesifikasyonu, akım, sıcaklık artışı ve bakır kalınlığına dayalı eser genişliği için formüller sağlar. 10 ° C sıcaklık artışı için (yüksek güvenilirlik tasarımlarında yaygın):
3 oz bakır: 0.8mm genişlik = 25a
5oz bakır: 0.8mm genişlik = 38a
B. Ortam Sıcaklığı için Account: Sıcak ortamlarda (örn. EV motor bölmeleri, 85 ° C), akımı% 30-40 oranında ayırın (yukarıdaki tabloya bakınız).
C. Aşırı Boyutlandırma: Daha kalın bakır akım için daha iyi olsa da, 15 oz+ bakırın aşınması ve laminat edilmesi zorlaşır-çoğu ticari uygulama için maksimum 10oz'a dayanır.

Araç Önerisi: Boyutlandırmayı doğrulamak için PCB izleme genişliği hesap makinesi (Sierra devrelerinden) veya Altium'un yerleşik akım derecelendirme aracı gibi çevrimiçi hesap makinelerini kullanın.

2. Termal Yönetime Öncelikle
Kalın bakır, yüksek akım bileşenleri (örn. IGBT'ler, güç dirençleri) sıcak noktalar oluşturur. Bunu şu stratejilerle azaltın:

A.Termal tahliye pedleri: Güç bileşenlerini termal tahliye desenlerini kullanarak ağır bakır düzlemlere bağlayın - ısı transferini ve lehimlenebilirliği dengeleyen planlanmış pedler. TO-220 bileşeni için 5mm × 5mm termal tahliye pedi, sıcak nokta sıcaklığını katı bir ped'e karşı% 40 azaltır.
B. Isı Yayımı için Düzlemler: Güç bileşenleri altında 3-5 oz bakır düzlemleri (sadece izler değil) kullanın. 5 oz bakır düzlemi, ısıyı 3 oz'luk bir düzlemden daha hızlı yayar.
C.Termal Vias: Isıyı iç/dış düzlemlere aktarmak için sıcak bileşenlerin etrafına bakır dolu termal vias (0.3-0.5mm çap) ekleyin. Maksimum verimlilik için 1-2 mm boşluk Vias - 10 Termal Vias bileşen sıcaklığını 15-20 ° C azaltır.
D. İz Destekleri Olmadan: Bir konektör için 10 oz, 1.5 mm'lik bir iz ile 0,8 mm'yi daraltmak bir darboğaz oluşturur ve sıcaklığı 25 ° C artırır. Genişlik değişiklikleri gerekiyorsa kademeli konikler (1: 3 oranı) kullanın.

Vaka çalışması: 5 oz bakır düzlemleri ve 12 termal Vias kullanılarak 50A endüstriyel güç kaynağı IGBT bağlantı sıcaklığını 120 ° C'den 85 ° C'ye düşürdü ve bileşen ömrünü 3 yıldan 7 yıla kadar uzattı.

3. Yüksek akım için tasarım yoluyla optimize edin
Vias genellikle yüksek akımlı tasarımda göz ardı edilir, ancak katmanları bağlamak ve akımı taşıma için kritik öneme sahiptir:

A. Bakır dolu Vias'ı kullanın: Standart Kaplama Vias (25μm bakır) 10-15a taşıyın; Bakır dolu Vias (katı bakır çekirdek) çapa bağlı olarak 30-50a tutamağı. 0.5 mm doldurulmuş bir 35A taşır - EV BMS ara bağlantıları için ideal.
B. Çap yoluyla ortaya çıkın:> 50a akımları için, birden fazla vias (örn., 120A için dört 0,5 mm dolgulu vias) veya daha büyük vias (0.8mm çap = 50A doldurma başına) kullanın.
C. Stubs aracılığıyla kaçının: Saplamalar yoluyla kullanılmayan (delikten viaslarda yaygın) empedans uyumsuzlukları ve ısı oluşturun. Yüksek akım yolları için arkadan saplama veya kör/gömülü vias kullanın.

4. Uyumlu Malzemeler Seçin
Ağır bakır PCB'ler, yüksek ısı ve mekanik strese dayanan malzemeler gerektirir:

A.Substrat (çekirdek malzeme):
Yüksek TG FR4 (TG ≥170 ° C): Çoğu yüksek akımlı tasarım için standart (örn. EV BMS). 150 ° C sürekli çalışma ve kurşunsuz yeniden akış (260 ° C).
Seramik dolu FR4 (örn., Rogers RO4835): 0.6 w/m · k (standart FR4'ten 2x daha yüksek) termal iletkenlik, güneş invertörleri gibi 70A+ sistemleri için ideal hale getirir.
Metal çekirdekli PCB'ler (MCPCBS): Yüksek güçlü LED sürücülerde ve EV şarj modüllerinde kullanılan 1-5 w/m · k'lik termal iletkenlik için ağır bakır bir alüminyum/bakır çekirdeğiyle birleştirin.
B.Copper folyo tipi:
Elektrolitik bakır: 3-7 oz kalınlıklar için uygun maliyetli; Çoğu uygulama için uygundur.
Haddelenmiş bakır: 10 oz+ bakır ve esnek ağır bakır PCB'ler (örneğin katlanabilir EV şarj kabloları) için daha yüksek süneklik (çatlamaya direnir).
C.Solder Maskesi: 260 ° C geri dönmeye direnen ve bakır oksidasyonunu önleyen DuPont PM-3300 gibi yüksek sıcaklık lehim maskesi (TG ≥150 ° C) kullanın.

Malzeme Karşılaştırma Tablosu:

5. Üretilebilirlik için en iyi uygulamalar
Ağır bakır (özellikle 7 oz+), aşındırılması ve laminat için standart bakırdan daha zordur. Bu ortak yerleşim hatalarından kaçının:

A.Trace Boşluğu: Grave sorunlarını önlemek için ağır bakır izleri arasında ≥2x eser genişliğini koruyun. 1.0 mm, 5 oz'luk bir iz için 2.0mm aralığı kullanın.
B. Edge Clearence: Laminasyon sırasında delaminasyonu önlemek için PCB kenarlarından ≥1,5 mm ağır bakır izleri tutun.
C.ACHETCH TAZİM: Ağır bakır kazınlar daha yavaş bir şekilde - Kavrama kaybını hesaba katmak için tasarımınızdaki genişlikleri izlemek için 0.05-0.1mm ekleyin (örneğin, son 1.0mm genişlik için 1.05 mm'lik bir iz tasarlayın).
D.Component Yerleştirme: SMD bileşenlerini (örneğin, 0402 dirençleri) ağır bakır izlerinin 2 mm'si yerleştirmekten kaçının - izden ısıtma, lehimleme sırasında küçük bileşenlere zarar verebilir.

Düzen hatası ve çözüm tablosu:

Ultra yüksek akım sistemleri için gelişmiş tasarım stratejileri (100a+)
EV invertörleri (150a+) ve endüstriyel doğrultucular (200a+) gibi sistemler için temel ağır bakır tasarımı yeterli değildir. Bu gelişmiş teknikleri kullanın:

1. Paralel iz yönlendirme
Tek bir geniş iz yerine (örn. 3mm 10oz), 2-4 paralel iz (örneğin, iki 1.5mm 10oz izi) kullanın:

A.Reduce aşınma zorluğu (geniş izler alttan kesilmeye eğilimlidir).
B. Akım dağılımını güçlendirin (paralel izler direnç varyasyonlarını en aza indirir).
C. Daha kolay bileşen yerleşimi (daha dar izler serbest bırakma tahtası alanı).

Başparmak kuralı: Yeri paralel izler ≥1x karşılıklı ısıtmayı önlemek için genişliklerini ≥1x - 1,5 mm aralıklı 1,5 mm 10 oz izler 160A (1,5 mm'lik bir iz için 80A'ya karşı).

2. Otobüs çubukları entegrasyonu
200A+ akımları için, ağır bakır veri yolu çubuklarını (15 oz+ bakır, 2-3mm kalınlığında) PCB'ye entegre edin:

A.Bus çubukları “güç otoyolları” olarak işlev görür ve akımı iz sınırlamaları olmadan taşır.
Mekanik ve elektriksel stabilite için bakır dolu vias (0.8mm çap, 5 mm aralıklı) yoluyla PCB'ye veri yolu çubukları.

Örnek: 250A endüstriyel motor sürücüsü, 12 dolu vias ile 20 oz bakır veri yolu kullanır ve güç kaybını sadece izlemeye karşı% 25 azaltır.

3. Termal Arayüz Malzemeleri (TIMS)
Isıyı harici ısı lavabolarına aktarmak için ağır bakır PCB'leri Tims ile eşleştirin:

A. 50-100A sistemleri için PCB ve ısı lavabası arasında termal gresi (termal iletkenlik 3-6 w/m · k) kullanın.
B. 100A+ sistemleri için, 8-12 w/m · k iletkenlik ile termal pedler (örn. Bergquist boşluk ped) kullanın - hava boşluklarını doldurur ve daha yüksek basıncı ele alırlar.

Etki: TIM ile 100A EV inverter, PCB sıcaklığını 20 ° C'ye ve tim'e düşürür ve invertör ömrünü 3x genişletir.

Ortak tasarım tuzakları ve bunlardan nasıl kaçınılacağı
Deneyimli tasarımcılar bile ağır bakır PCB'lerle hata yapıyor. İşte nasıl yakalanacak ve düzeltin:
1. Sıcaklık artışını hafife almak
Sıkışma: 35A için 3 oz, 1.0 mm'lik bir iz kullanmak (30A derecesini aşan) 30 ° C sıcaklık artışına ve eser oksidasyona yol açar.
Düzeltme: Sıcaklığın <10 ° C artışını korumak için 5 oz, 1.0mm izleme (45A derecesi) veya 3 oz, 1.2mm iz (35A derecesi) kullanın.

2. Termal bisiklet stresini göz ardı etmek
Tuzak: Kalın bakır (10 oz+) ve standart FR4, termal genleşme (CTE) katsayılarına sahiptir ve 500 termal döngüden sonra eser çatlamaya neden olur.
Düzeltme: 1.000'den fazla döngüye dayanacak şekilde haddelenmiş bakır (daha yüksek süneklik) ve yüksek TG FR4 (bakıra daha yakın CTE) kullanın.

3. Termal rahatlama yoluyla zayıf
Tuzak: 5 oz bakır bir düzlemi, katı bir ped ısısına sahip bir bileşene bağlamak, lehim eklem arızasına yol açar.
Düzeltme: Isı transferini ve lehimlenebilirliği dengelemek için 4-6 yuvalı (her biri 0,2 mm genişliğinde) bir termal tahliye pedi kullanın.

4. Lehimlenebilirliğe bakan
Tuzak: 10 oz+ bakır izleri büyük termal kütleye sahiptir, bu da lehimin çok hızlı soğumasına ve soğuk eklemler oluşturmasına neden olur.
Düzeltme: Lehimleme sırasında PCB'yi 120 ° C'ye ısıtın ve daha uzun bir geri akış profili ile yüksek sıcaklık lehim (örn., SAC305, erime noktası 217 ° C) kullanın.

Yüksek akım sistemlerinde ağır bakır PCB'lerin gerçek dünya uygulamaları
Ağır bakır PCB'ler, yüksek akım ve güvenilirliğin kritik olduğu endüstriler arasında dönüştürücüdür:
1. Elektrikli Araçlar (EV'ler) ve Hibrid EV'ler
A.ev invertörler: DC pil gücünü motorlar için AC'ye dönüştürün (150-300A). Bir Tesla Model Y inverter, 5 oz bakır izleri ve bakır dolu vietler kullanır ve güç kaybını 3 oz tasarıma karşı% 18 azaltır.
Battery yönetim sistemleri (BMS): Pil hücrelerini izleyin ve dengeleyin (20-50a). Bir Chevrolet Cıvatası BM'lerindeki 3 oz bakır izleri, pil ömrünü 2 yıl uzatarak homojen akım dağılımını sağlar.
C.Aşama Modülleri: Hızlı şarj sistemleri (100-200A) Yüksek akımları işlemek ve ısıyı dağıtmak için 7 oz bakır veri yolu çubukları ve alüminyum MCPCBS kullanın.

2. Yenilenebilir Enerji
A.solar invertörler: DC güneş gücünü AC'ye dönüştürün (50-100A). 10kW'lık bir güneş invertöründe 5 oz seramik dolu FR4 PCB'ler, sıcak nokta sıcaklıklarını 25 ° C azaltarak verimliliği%3 artırır.
B. Türbin kontrolörleri: Türbin perdesini ve gücü yönetin (80-120A). 10 oz haddelenmiş bakır PCB'ler titreşime (20g) ve sıcaklık dalgalanmalarına (-40 ° C ila 85 ° C) dayanarak bakım maliyetlerini yıllık türbin başına 20.000 $ azaltır.

3. Endüstriyel makineler
A.Motor Sürücüler: AC motor hızını kontrol edin (30-80a). Bir Siemens Sinamics V20 Drive, standart bir PCB tasarımına karşı 5 oz bakır düzlem ve termal vias kullanır.
B.Welding Ekipmanı: Yüksek akım yayları (150-200A) teslim edin. Lincoln elektrikli kaynak makinesinde 15 oz bakır bus çubukları, aşırı ısınmadan 200A tutamağı, tutarlı kaynak kalitesi sağlayarak.

4. Tıbbi Cihazlar
A.Portable Defibrilatörler: 300A şok (kısa süreli) teslim edin. 10 oz izli ağır bakır PCB'ler ve bakır dolu vias, acil kullanım için kritik olan güvenilir güç dağıtımını sağlar.
B.Diyaliz makineleri: Güç pompaları ve ısıtıcılar (20-40a). 3 oz yüksek TG FR4 PCB'ler, ISO 13485 standartlarını karşılayan sterilizasyon kimyasallarına direnir ve stabiliteyi korur.

Yüksek akım için ağır bakır PCB'lerin tasarlanmasıyla ilgili SSS
S: Ağır bakır PCB için kullanabileceğim maksimum bakır kalınlığı nedir?
C: Ticari üreticiler 20 oz'a kadar (700μm) bakır destekler, ancak 10 oz çoğu tasarım için pratik sınırdır (15oz+ özel dağlama ekipmanı gerektirir). Özel askeri/havacılık tasarımları aşırı yüksek akım ihtiyaçları için 30z'a (1050μm) ulaşabilir.

S: Ağır bakır PCB'ler yüksek hızlı sinyalleri (örn. 5G) destekleyebilir mi?
C: Evet - dikkatli bir tasarımla. Güç yolları için 3-5 oz bakır ve yüksek hızlı izler için 1 oz bakır kullanın (kontrollü empedansı korumak için). Plazma aşınması, 1Gbps+ sinyalleri için 0,1 mm/0.1mm eser genişlik/aralık sağlar.

S: Yüksek akım performans için ağır bakır bir PCB'yi nasıl test ederim?
A: Bu testleri yapın:

Akım Bisikleti: İz çatlamayı kontrol etmek için 1000 döngü (-40 ° C ila 125 ° C) için nominal akımın% 120'ini uygulayın.
Termal Görüntüleme: Hotspotları haritalamak için bir kızılötesi kamera kullanın - teratlar 85 ° C ortam için <125 ° C kalmalıdır.
Direnç Ölçümü: Zamanla İzleme Dirençini İzleyin; A>% 10'luk artış oksidasyon veya hasarı gösterir.

S: Ağır bakır PCB'ler için hangi tasarım yazılımı en iyisidir?
A: Altium Designer ve Cadence Allegro ağır bakır için yerleşik araçlara sahiptir:

Altium: “Ağır Bakır” Tasarım Kuralı Denetleyicisi (DRC) ve Mevcut Derecelendirme Hesap Makinesi.
Kadans: Isı dağılımını simüle etmek için termal analiz modülleri.

S: Ağır bir bakır PCB'nin standart bir PCB'ye kıyasla maliyeti nedir?
A: 3oz bakırın maliyeti 2x 1 oz; 10 oz bakırın maliyeti 4-5x daha fazla. Premium, azaltılmış ısı emici maliyetleri (% 30-50 tasarruf) ve daha uzun bileşen ömrü ile dengelenir.

Çözüm
Yüksek akım uygulamaları için ağır bakır PCB'lerin tasarlanması, akım kapasitesi ile üretilebilirlik, termal yönetim ve maliyet, dayanıklılık ve sinyal bütünlüğü arasında bir dengeleme eylemidir. IPC standartlarını takip ederek, doğru malzemeleri seçerek ve termal rahatlama ve tasarım yoluyla önceliklendirerek, 30A ila 200A akımları güvenilir bir şekilde işleyen kartlar oluşturabilirsiniz.

Ağır bakır PCB'ler sadece standart PCB'lerden bir “yükseltme” değil, EV'lerden yenilenebilir enerji sistemlerine kadar yeni nesil yüksek güçlü elektronikler için bir zorunluluktur. Bu endüstriler büyüdükçe, akıllı, verimli ağır bakır tasarımına olan talep sadece artacaktır - bu da mühendisler ve üreticiler için kritik bir beceri haline getirecektir.

Başarının anahtarı? Aşırı mühendis (örn., 20A tasarım için 10 oz bakır kullanarak) veya alt mühendis (örn. 40A için 3oz). Bakır kalınlığını mevcut ihtiyaçlarla eşleştirin, termal yönetimi stratejik olarak kullanın ve ağır bakır imalatında deneyimli bir üretici ile ortak olun. Bu adımlarla, basınç altında performans gösteren PCB'ler oluşturacaksınız - tam anlamıyla.