Se si desidera controllare le correnti per azionamenti elettrici e alimentatori con elettronica intelligente, devi padroneggiare l'atto di bilanciamento tra potenza e microelettronica. Questo articolo descrive diverse varianti di un'unica e diversificata tecnologia PCB ad alta corrente che sono adatte per correnti fino a 1,000 UN. Al centro di questa tecnologia ci sono barre di rame incorporate che sporgono dalla superficie per contattare SMD e altri componenti di alimentazione.
Per colmare il divario tra i conduttori di alta corrente da un lato e i componenti elettronici dall'altro, una serie di cavi, materiali di montaggio, e gli interposer sono generalmente richiesti, soprattutto se vengono forniti SMD. L'obiettivo è integrare le sbarre collettrici nei circuiti stampati al fine di risparmiare il volume di costruzione e lo sforzo di assemblaggio per i sistemi e per combinare le correnti di azionamento e di alimentazione, nonché i controlli elettronici.
Esistono numerose tecnologie di circuiti stampati progettate per applicazioni di alimentazione. Questi includono multistrato con spessori di strato di rame aumentati fino a 400 micrometri, che può essere livellato a strati superiori. Inoltre, vengono offerte diverse tecniche che si basano su un aumento selettivo della sezione trasversale del rame, come la tecnica dell'iceberg, la tecnica della posa del filo e l'incorporamento parziale di laminati di rame ad alto spessore.
In questo articolo vengono confrontate tre tecnologie PCB per circuiti stampati ad alta corrente: Film spesso, Iceberg, e HSMtec. La topologia e il design del PCB influenzano la capacità di trasporto di corrente e la dissipazione del calore dei semiconduttori di potenza.
Sono disponibili tecnologie adatte per combinare il circuito di carico e il conduttore sottile per segnali logici su una scheda di circuito FR4. Risparmiate spazio ed evitate la tecnologia di connessione convenzionale con schede separate, che aumenta l'affidabilità del controllo del motore. Lo sviluppatore di PCB può ottimizzare la capacità di trasporto di corrente e la dissipazione del calore dei semiconduttori di potenza in base al suo compito.
Dal punto di vista del circuito stampato, le specifiche dell'elettronica di azionamento possono essere riassunte in cinque punti: 1) alta densità di integrazione, 2) affidabilità dell'assemblaggio elettronico, 3) veloce dissipazione del calore, 4) correnti elevate combinate con elettronica di controllo e 5) costi di sistema ridotti, es. passando a componenti SMD, meno componenti o processi di assemblaggio.
Una soluzione intelligente è combinare la sezione di potenza e l'elettronica di controllo, vale a dire. i circuiti di carico e la logica di controllo, invece che su due circuiti stampati su un solo circuito. però, ciò richiede grandi sezioni dei conduttori e grandi distanze di isolamento per i conduttori ad alta corrente e, allo stesso tempo, strutture conduttrici fini per il controllo su una stessa scheda. Ciò elimina costosi collegamenti a spina, cavi, e sbarre, così come fasi di assemblaggio e rischi che limitano l'affidabilità. Lo specialista di PCB KSG ha tre tecnologie per questo: rame spesso, iceberg e la tecnologia HSMtec. Tutti e tre i processi utilizzano il materiale di base standard FR4.
Tutte queste tecnologie hanno qualcosa in comune: Di solito non c'è una sezione trasversale sufficiente tra gli strati della scheda PCB ad alta corrente e le connessioni per componenti a montaggio superficiale o collegamenti a vite. Le vie formano un collo di bottiglia per le correnti della dimensione desiderata. E i connettori a pressione, viti, inoltre i morsetti non garantiscono un contatto affidabile con gli strati. Solo la saldatura pulita delle connessioni forma una connessione continua dai componenti a tutti gli strati. Qui, tuttavia, maggiore è lo spessore totale del rame, il più rischioso è la penetrazione della saldatura.
In contrasto, indipendentemente dal design, il circuito stampato ad alta corrente contatta i componenti e le connessioni con la sezione massima del conduttore (figura 2 sotto). In questo modo, I componenti SM e THT possono essere combinati con semiconduttori di potenza legati, contatti a pressione e collegamenti a vite senza colli di bottiglia nel percorso della corrente. Allo stesso tempo, la sbarra funge da dissipatore di calore. I componenti sono a diretto contatto con questa massa termica e sono quindi raffreddati in modo ottimale.
Rispetto alle sbarre collettrici convenzionali note dall'ingegneria elettrica, Per il circuito stampato ad alta corrente vengono utilizzate parti in rame di forma individuale. La forma e la posizione delle parti in rame possono essere definite liberamente. Ciò offre al progettista del layout la libertà di posizionare i componenti e le connessioni in modo tale da creare un modulo compatto con funzioni termiche ed elettriche ottimizzate.
Poiché ogni progetto ad alta corrente ha le sue caratteristiche, è difficile stabilire regole generali di progettazione. A seconda delle dimensioni e della forma delle parti in rame e delle barre isolanti, devono essere verificati i limiti di progettazione per ogni progetto. I valori delle linee guida forniscono una guida approssimativa per il progetto.
Per produrre un circuito PCB ad alta corrente, le parti in rame vengono prima prodotte. A seconda delle dimensioni, forma, e numero di parti, questo viene fatto mediante incisione, fresatura o punzonatura. Le parti in rame vengono poste in telai pre-fresati e quindi pressate con preimpregnati ed eventualmente altri strati.
Un vantaggio del PCB ad alta corrente è l'elaborazione. Perché le sbarre sono incorporate, the high-current circuit board – apart from its weight – cannot be distinguished externally from other circuit boards. Può essere elaborato nei processi SMD convenzionali se il profilo è impostato sulla massa termica più alta. L'esperienza mostra che questi processi di saldatura possono essere controllati bene. Un processo di riparazione per componenti che entrano in contatto diretto con il binario ad alta corrente, d'altra parte, è più complesso rispetto ai tradizionali assemblaggi piatti.
Il pieno potenziale della scheda PCB ad alta corrente diventa chiaro se si considerano le possibili variazioni.
La tecnologia offre il massimo vantaggio se le parti in rame sono sagomate in modo tale da raggiungere la superficie e sono a filo con le altre pastiglie in TOP e / o BOT (Figura. 1). Questo ti dà un circuito completamente piatto che può essere ulteriormente elaborato nel successivo processo di stampa e assemblaggio della pasta senza regolazione. Capicorda, moduli, e componenti avvitabili sono anche più facili da collegare alla posizione ad alta corrente.
In un'altra versione della tecnologia, lo strato ad alta corrente sporge lateralmente dal bordo del circuito stampato. Questi contatti possono essere utilizzati direttamente come spine o possono essere contattati come l'estremità di una sbarra collettrice convenzionale.
Le prossime due varianti del circuito stampato PCB ad alta corrente non mirano a correnti elevate che a componenti di raffreddamento.
Se le parti in rame hanno superfici di collegamento SMD sia verso l'alto che verso il basso, funzionano come gli intarsi dei circuiti stampati convenzionali, che vengono premuti nelle aperture dei circuiti stampati per condurre il calore dai componenti di potenza dal TOP al BOT. Le parti in rame incorporate (Figura. 9) differiscono dagli intarsi convenzionali in quanto sono più affidabili nella fabbricazione e nella lavorazione poiché non vi è alcuna sollecitazione meccanica sul circuito stampato. Inoltre, la dimensione e la posizione dei tamponi possono essere selezionate indipendentemente l'una dall'altra. È possibile anche un collegamento elettrico senza ulteriori sforzi.
L'ultima variante della scheda PCB ad alta corrente è una versione unilaterale (Figure 10 e 11). Qui, rilievi rialzati di lamiera di rame sporgono attraverso l'isolamento di un sottile strato isolante, per essere poi contattato direttamente come contatto del dissipatore SMD con i collegamenti dei componenti corrispondenti. A differenza dei substrati in alluminio realizzati con IMS, questa versione non ha uno strato isolante, in modo che qui si possano dissipare potenze significativamente più elevate. Tali costruzioni vengono utilizzate, tra le altre cose, per LED ad alte prestazioni fino a 10 W.
Con il circuito ad alta corrente, Tecnologia MOKO sta ampliando la sua gamma di tecnologie nel campo della gestione termica con un'altra importante componente:
Il rame solido è incorporato nel circuito stampato e può essere montato direttamente sui pad SMD che raggiungono la superficie.
Il circuito stampato ad alta corrente può anche essere messo in contatto con altre tecnologie di assemblaggio e connessione:
– Reflow/wave soldering SMD / THT- Incollaggio di fili di alluminio
– Screws: occhielli / fori filettati
– Blind holes from the outer layers
– Press-fit technology high current connector
In molti casi, lo sforzo aggiuntivo per la produzione di PCB ad alta corrente può essere ridotto in parte attraverso processi di produzione appositamente implementati e in parte attraverso il controllo di processo ottimizzato dei processi standard.
La tecnologia del rame spesso è presente sul mercato da molti anni e viene prodotta in grandi quantità. L'industria dei PCB di solito parla di rame spesso per strutture in rame di ≥105 µm. I conduttori di rame spessi servono la migliore distribuzione orizzontale del calore di elevate perdite di potenza dai componenti di potenza e / o per il trasporto di correnti elevate e sostituiscono le strutture stampate e piegate per le sbarre in applicazioni PCB ad alta corrente. Con un massimo di quattro strati interni, ciascuno con 400 µm rame, è possibile una capacità di trasporto di corrente di diverse centinaia di ampere. Idealmente, gli spessi conduttori di rame si trovano negli strati interni.
Flessibilità per modifiche al layout, il design compatto, lavorazione / assemblaggio semplice e costi di cambio relativamente bassi, nonché i processi standard dell'industria dei PCB parlano a favore del PCB in rame spesso. Sebbene le fasi del processo di una scheda a circuito stampato in rame spesso non differiscano in modo significativo dal rendimento standard di una scheda a circuito convenzionale, la produzione richiede esperienza e gestione dei processi speciali. Uno spesso circuito stampato in rame rimane nella linea di incisione 10 per 15 volte più a lungo e ha un tipico profilo di incisione. I processi di incisione e foratura del circuito stampato in rame spesso determinano le regole di progettazione per lo schema elettrico e devono essere rispettati. Il produttore di PCB ha un elenco di suggerimenti per la costruzione degli strati e le regole di progettazione ottimizzate per il processo e i costi.
Importante da sapere: I laminati FR4 con rivestimento di base in rame ≥105 µm sono più costosi a causa dell'alto contenuto di rame. Rispetto a un laminato standard laminato su entrambi i lati con 18 micron, il fattore costo del materiale è intorno 1: 8 per 1:10. Lo sviluppatore PCB deve prestare attenzione al massimo utilizzo del materiale. Il coordinamento tempestivo con il produttore di PCB aiuta a ridurre notevolmente i costi. Per quanto riguarda la miniaturizzazione, la tecnologia del rame spesso è limitata. A causa del forte sottosquadro, si possono creare solo strutture relativamente grossolane. Un'altra limitazione: il cablaggio del segnale fine non è possibile sullo stesso livello di cablaggio del conduttore di rame spesso.
A livello di cablaggio, ci sono aree con 70 per 100 µm rame per la logica e le aree fino a 400 µm di rame per il carico. Il rame spesso è in gran parte affondato nel circuito stampato. Questo crea una topografia superficiale uniforme su tutto lo schema del conduttore. Il principio dell'iceberg può anche essere combinato con rame spesso sugli strati interni.
Incorporando due terzi del 400 Un'area di rame spessa µm nel materiale di base crea una superficie planare del circuito stampato. Vantaggio: I fianchi del conduttore possono essere coperti in modo affidabile con una maschera di saldatura in un solo processo di fusione. Il successivo processo di assemblaggio è possibile su un livello. Le strutture Iceberg sono adatte anche come dissipatori di calore per componenti di potenza e possono essere combinate con fori passanti placcati (modi) per ottimizzare la gestione termica.
HSMtec: elementi in rame negli strati interni ed esterni
Un altro modo per combinare carico e logica su un circuito stampato è HSMtec. Qui, massicci elementi in rame sono installati selettivamente negli strati interni e sotto gli strati esterni del multistrato FR4 in quei punti dove scorrono correnti elevate, e legato ad ultrasuoni al rame di base dei modelli di conduttori incisi. Dopo aver premuto gli strati, i profili in rame si trovano sotto gli strati esterni e / o negli strati interni del multistrato. Il resto del circuito stampato rimane inalterato.
Il multistrato viene prodotto nel processo di produzione standard e ulteriormente elaborato nel normale processo di assemblaggio e saldatura. Con questa struttura, possono essere soddisfatte le specifiche elettriche per la rigidità dielettrica e le classi di isolamento delle macchine, nonché condizioni di temperatura esigenti con spazio di installazione limitato nei veicoli.
I profili in rame pieno all'interno del multistrato consentono anche costruzioni tridimensionali. La fresatura ad intaglio perpendicolare ai profili in rame consente di piegare i segmenti del circuito 90 °. In questo modo, lo spazio di installazione viene utilizzato in modo intelligente e corrente elevata e calore vengono trasportati oltre il bordo di piegatura. La costruzione è strutturata come un circuito bidimensionale, prodotto e assemblato nel pannello. Dopo aver assemblato o assemblato il modulo, il circuito stampato è piegato nella forma tridimensionale.
Il software supporta gli sviluppatori nel dimensionamento di piste conduttrici ad alta corrente. Con poche voci come corrente e temperatura, il calcolatore fornisce la larghezza minima del cavo per HSMtec e per 70 e 105 µm rivestimento in rame.
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