Si desea controlar corrientes para accionamientos eléctricos y fuentes de alimentación con electrónica inteligente, tienes que dominar el acto de equilibrio entre potencia y microelectrónica. Este artículo describe diferentes variantes de una tecnología de PCB de alta corriente única y diversa que son adecuadas para corrientes de hasta 1,000 UNA. En el corazón de esta tecnología se encuentran barras de cobre incrustadas que sobresalen de la superficie para contactar SMD y otros componentes de energía.
Para cerrar la brecha entre los conductores de alta corriente por un lado y los componentes electrónicos por el otro, varios cables, materiales de montaje, y generalmente se requieren intercaladores, especialmente si se proporcionan SMD. El objetivo es integrar barras colectoras en placas de circuito impreso con el fin de ahorrar volumen de construcción y esfuerzo de montaje de los sistemas y combinar las corrientes de accionamiento y alimentación, así como los controles electrónicos..
Hay una serie de tecnologías de placas de circuitos diseñadas para aplicaciones de energía.. Estos incluyen multicapas con espesores de capa de cobre aumentados de hasta 400 micrómetros, que se puede nivelar en capas más altas. Adicionalmente, Se ofrecen varias técnicas que se basan en un aumento selectivo de la sección transversal del cobre., como la técnica del iceberg, la técnica de tendido de alambre y la incrustación parcial de laminados de cobre gruesos.
En este artículo se comparan tres tecnologías de PCB para placas de circuitos de alta corriente: Película gruesa, Iceberg, y HSMtec. La topología de PCB y el diseño de PCB influyen en la capacidad de transporte de corriente y la disipación de calor de los semiconductores de potencia.
Se encuentran disponibles tecnologías adecuadas para combinar el circuito de carga y el conductor fino para señales lógicas en una placa de circuito FR4. Ahorra espacio y evita la tecnología de conexión convencional con placas independientes, que aumenta la fiabilidad del control del motor. El desarrollador de PCB puede optimizar la capacidad de transporte de corriente y la disipación de calor de los semiconductores de potencia de acuerdo con su tarea..
Desde el punto de vista de la placa de circuito impreso, las especificaciones de la electrónica de accionamiento se pueden resumir en cinco puntos: 1) alta densidad de integración, 2) fiabilidad del conjunto electrónico, 3) disipación de calor rápida, 4) altas corrientes combinadas con electrónica de control y 5) costos reducidos del sistema, p. ej.. cambiando a componentes SMD, menos componentes o procesos de montaje.
Una solución inteligente es combinar la sección de potencia y la electrónica de control, es decir. los circuitos de carga y la lógica de control, en lugar de en dos placas de circuito en una sola placa de circuito. sin embargo, esto requiere grandes secciones de conductor y grandes distancias de aislamiento para los conductores de alta corriente y, al mismo tiempo, estructuras de conductores finos para el control en una misma placa. Esto elimina costosas conexiones de enchufe, cables, y barras colectoras, así como los pasos de montaje y los riesgos que limitan la fiabilidad. El especialista en PCB KSG tiene tres tecnologías para esto: cobre grueso, tecnología iceberg y HSMtec. Los tres procesos utilizan el material base estándar FR4.
Todas estas tecnologías tienen algo en común: Por lo general, no hay una sección transversal suficiente entre las capas de la placa PCB de alta corriente y las conexiones para componentes montados en superficie o conexiones roscadas. Las vías forman un cuello de botella para las corrientes del tamaño deseado. Y los tapones a presión, empulgueras, y las abrazaderas tampoco garantizan un contacto confiable con las capas. Solo la soldadura limpia de las conexiones forma una conexión continua de los componentes a todas las capas. aquí, sin embargo, cuanto mayor sea el espesor total de cobre, cuanto más arriesgado es la penetración de la soldadura.
A diferencia de, independientemente del diseño, la placa de circuito de alta corriente contacta los componentes y conexiones con la sección transversal máxima del conductor (Figura 2 abajo). De este modo, Los componentes SM y THT se pueden combinar con semiconductores de potencia unidos, contactos a presión y conexiones roscadas sin cuello de botella en la ruta de corriente. Al mismo tiempo, la barra colectora sirve como disipador de calor. Los componentes están en contacto directo con esta masa térmica y, por lo tanto, se enfrían de manera óptima.
En comparación con las barras colectoras convencionales conocidas por la ingeniería eléctrica, Se utilizan piezas de cobre de forma individual para la placa de circuito de alta corriente.. La forma y la posición de las piezas de cobre se pueden definir libremente. Esto le da al diseñador de diseño la libertad de colocar los componentes y las conexiones de tal manera que se crea un módulo compacto con funciones térmicas y eléctricas optimizadas..
Dado que cada proyecto de alta corriente tiene sus propias características, es difícil establecer reglas generales de diseño. Según el tamaño y la forma de las piezas de cobre y las barras aislantes, Se deben verificar los límites de diseño para cada proyecto.. Los valores de referencia proporcionan una guía aproximada para el diseño..
Para fabricar una placa de circuito de PCB de alta corriente, las piezas de cobre se fabrican primero. Dependiendo del tamaño, forma, y número de partes, esto se hace grabando, fresado o punzonado. Las piezas de cobre se colocan en marcos previamente fresados y luego se prensan con preimpregnados y posiblemente otras capas..
Una ventaja de la PCB de alta corriente es el procesamiento. Porque las barras colectoras están integradas, the high-current circuit board – apart from its weight – cannot be distinguished externally from other circuit boards. Se puede procesar en procesos SMD convencionales si el perfil se establece en la masa térmica más alta.. La experiencia demuestra que estos procesos de soldadura se pueden dominar bien. Un proceso de reparación de componentes que entran en contacto directo con el riel de alta corriente., por otra parte, es más complejo que con los conjuntos planos convencionales.
Todo el potencial de la placa PCB de alta corriente se hace evidente cuando se consideran las posibles variaciones.
La tecnología ofrece el mayor beneficio si las partes de cobre tienen una forma tal que llegan a la superficie y quedan al ras con las otras almohadillas en la PARTE SUPERIOR y / o BOT (Higo. 1). Esto le proporciona una placa de circuito completamente plana que puede procesarse posteriormente en el proceso posterior de impresión y ensamblaje de pasta sin ajustes. Terminales de cable, módulos, y los componentes atornillables también son más fáciles de conectar a la posición de alta corriente.
En otra versión de la tecnología, la capa de alta corriente sobresale lateralmente desde el borde de la placa de circuito. Estos contactos pueden usarse directamente como enchufes o pueden contactarse como el extremo de una barra colectora convencional.
Las siguientes dos variantes de la placa de circuito de PCB de alta corriente no tienen como objetivo las corrientes altas que los componentes de refrigeración.
Si las piezas de cobre tienen superficies de conexión SMD tanto hacia arriba como hacia abajo, funcionan como incrustaciones de placa de circuito impreso convencionales, que se presionan en los recortes en las placas de circuito impreso para conducir el calor de los componentes de potencia de ARRIBA a ABAJO. Las partes de cobre incrustadas (Higo. 9) difieren de las incrustaciones convencionales en que son más confiables en la fabricación y el procesamiento, ya que no hay tensión mecánica en la placa de circuito. Adicionalmente, el tamaño y la posición de las almohadillas se pueden seleccionar de forma independiente entre sí. También es posible una conexión eléctrica sin esfuerzo adicional.
La última variante de la placa PCB de alta corriente es una versión unilateral (Cifras 10 y 11). aquí, almohadillas elevadas de lámina de cobre sobresalen a través del aislamiento de una fina capa de aislamiento, para luego ser contactado directamente como contactos del disipador térmico SMD con las conexiones de componentes correspondientes. A diferencia de los sustratos de aluminio fabricados con IMS, esta versión no tiene capa aislante, de modo que aquí se puedan disipar potencias significativamente mayores. Estas construcciones se utilizan, entre otras cosas, para LED de alto rendimiento con hasta 10 W.
Con la placa de circuito de alta corriente, Tecnología MOKO está ampliando su gama de tecnologías en el campo de la gestión térmica con otro componente importante:
El cobre sólido está incrustado en la placa de circuito y se puede colocar directamente en las almohadillas SMD que llegan a la superficie.
La placa de circuito de alta corriente también se puede contactar con otras tecnologías de ensamblaje y conexión:
– Reflow/wave soldering SMD / THT- Unión de alambre de aluminio
– Screws: ojales / agujeros enroscados
– Blind holes from the outer layers
– Press-fit technology high current connector
En muchos casos, el esfuerzo adicional para la producción de PCB de alta corriente se puede reducir en parte mediante procesos de fabricación especialmente implementados y en parte mediante el control de procesos optimizado de procesos estándar.
La tecnología de cobre grueso se ha establecido en el mercado durante muchos años y se fabrica en grandes cantidades.. La industria de PCB suele hablar de cobre grueso para estructuras de cobre de ≥105 µm. Los conductores de cobre gruesos sirven para una mejor distribución horizontal del calor de las pérdidas de alta potencia de los componentes de potencia y / o para el transporte de altas corrientes y reemplazan las construcciones estampadas y dobladas para barras colectoras en aplicaciones de PCB de alta corriente. Con hasta cuatro capas internas, cada uno con 400 µm de cobre, es posible una capacidad de transporte de corriente de varios cientos de amperios. Idealmente, los conductores de cobre gruesos se encuentran en las capas internas.
Flexibilidad para cambios en el diseño., el diseño compacto, Procesamiento / ensamblaje simple y costos de cambio comparativamente bajos, así como los procesos estándar de la industria de PCB hablan a favor del PCB de cobre grueso. Aunque los pasos del proceso de una placa de circuito de cobre grueso no difieren significativamente del rendimiento estándar de una placa de circuito convencional, la producción requiere experiencia y gestión de procesos especiales. Una placa de circuito de cobre grueso permanece en la línea de grabado 10 a 15 veces más y tiene un perfil de grabado típico. Los procesos de grabado y perforación de la placa de circuito de cobre grueso determinan las reglas de diseño para el diagrama del circuito y deben observarse. El fabricante de PCB tiene una lista de sugerencias para reglas de diseño y construcción de capas optimizadas para costos y procesos..
Importante saber: Los laminados FR4 con un revestimiento de cobre base ≥105 µm son más caros debido al alto contenido de cobre. En comparación con un laminado estándar laminado en ambos lados con 18 µm, el factor de costo del material es de alrededor 1: 8 a 1:10. El desarrollador de PCB debe prestar atención a la máxima utilización del material.. La coordinación temprana con el fabricante de PCB ayuda a reducir significativamente los costos. Respecto a la miniaturización, la tecnología de cobre grueso es limitada. Debido al fuerte socavado, solo se pueden crear estructuras relativamente gruesas. Otra limitación: El cableado de señal fina no es posible en el mismo nivel de cableado que el conductor de cobre grueso.
En un nivel de cableado, hay áreas con 70 a 100 µm de cobre para la lógica y áreas con hasta 400 µm de cobre para la carga. El cobre grueso está hundido en gran parte en la placa de circuito.. Esto crea una topografía de superficie uniforme en todo el patrón del conductor.. El principio del iceberg también se puede combinar con cobre grueso en las capas internas..
Incorporando dos tercios del 400 El área de cobre de µm de espesor en el material base crea una superficie plana de placa de circuito impreso. Ventaja: Los flancos del conductor se pueden cubrir de forma fiable con una máscara de soldadura en un solo proceso de fundición. El proceso de montaje posterior es posible en un nivel. Las estructuras Iceberg también son adecuadas como disipadores de calor para componentes de potencia y se pueden combinar con orificios pasantes chapados (maneras) para optimizar la gestión térmica.
HSMtec: elementos de cobre en las capas interior y exterior
Otra forma de combinar carga y lógica en una placa de circuito es HSMtec. aquí, Los elementos de cobre macizo se instalan selectivamente en las capas internas y debajo de las capas externas de la multicapa FR4 en aquellos puntos donde fluyen corrientes altas, y adherido ultrasónicamente a la base de cobre de los patrones conductores grabados. Después de presionar las capas, los perfiles de cobre se encuentran debajo de las capas externas y / o en las capas internas de la multicapa. El resto de la placa de circuito no se ve afectado.
La multicapa se fabrica en el proceso de fabricación estándar y se procesa posteriormente en el proceso habitual de ensamblaje y soldadura.. Con esta estructura, las especificaciones eléctricas para las clases de rigidez dieléctrica y aislamiento de las máquinas se pueden cumplir, así como las condiciones de temperatura exigentes con un espacio de instalación limitado en vehículos.
Los perfiles de cobre macizo dentro de la multicapa también permiten construcciones tridimensionales. El fresado de muescas perpendicular a los perfiles de cobre permite doblar segmentos de la placa de circuito hasta 90 °. De este modo, el espacio de instalación se utiliza de forma inteligente y se transporta alta corriente y calor por el borde de flexión. La construcción se presenta como una placa de circuito bidimensional., fabricado y ensamblado en el panel. Después de montar o montar el módulo, la placa de circuito está doblada en forma tridimensional.
El software ayuda a los desarrolladores a dimensionar pistas conductoras de alta corriente. Con solo unas pocas entradas como corriente y temperatura, la calculadora proporciona el ancho de cable mínimo para HSMtec, así como para 70 y 105 revestimiento de cobre µm.
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