Principales desafíos de diseño para PCBs de cobre grueso/pesado en aplicaciones militares y aeroespaciales

Requisitos de PCB para productos electrónicos Mil/Aero

Cuando los ingenieros electrónicos se preparan para el diseño de PCB para aplicaciones militares/aeroespaciales (forma corta como "mil/aero"), algunos detalles y requisitos de rendimiento deben tenerse en cuenta. Es generalmente conocido que tanto los productos mil como aero requieren múltiples condiciones de operación y un amplio rango de temperatura de operación. Deben ser capaces de soportar múltiples entornos estrictos, ya sea calor extremo, como el desierto, o frío extraordinario, como el Polo Sur. Aparte de la temperatura extrema, la humedad también es una consideración clave. Como resultado, en el proceso de diseño de PCBs para aplicaciones mil/aero, las condiciones especiales de trabajo de los productos deben considerarse cuidadosamente, como la temperatura y la humedad.

La fiabilidad de los productos militares y aeroespaciales ha sido una preocupación principal en la que los ingenieros de diseño de PCB deben enfocarse. Como un aspecto clave de la fiabilidad de los productos, la vida útil en estantería ha sido considerada como un estándar de juicio principal. Tome un misil como ejemplo. No se le permite explotar hasta que impacte el objetivo, lo que significa que tiene que funcionar normalmente en un entorno benigno y presenta una vida útil en estantería relativamente corta. Los ingenieros solían preferir reducir la complejidad de las placas de circuito aplicadas para las industrias militares y aeroespaciales solo debido a la alta fiabilidad de los productos mil/aero. Los departamentos militares y aeroespaciales dudarían en conocer nuevas técnicas de fabricación de productos electrónicos hasta que hubieran demostrado ser factibles en las industrias correspondientes. Actualmente, sin embargo, el requisito de función de los productos electrónicos mil/aero impide a los ingenieros de diseño electrónico ceñirse solo a ideas y experiencia de diseño simples. Algunos de ellos han empezado a adoptar técnicas de fabricación de PCB recién emergidas.

Con el aumento de las técnicas de PCB y la complejidad, los ingenieros electrónicos tienen que concentrarse tanto en las reglas de diseño de PCB como en las tecnologías de fabricación de PCB para que los productos alcancen un equilibrio óptimo entre seguridad, coste y requisitos de rendimiento, llevando al menor riesgo de fabricación.

La fabricación exitosa de PCB depende de una comunicación frecuente y fluida entre los ingenieros de diseño electrónico y los ingenieros de fabricación, lo que debe mantenerse en mente. Los ingenieros de diseño deben ser plenamente conscientes de las capacidades detalladas del fabricante, como ancho de traza, espaciado, tamaño de pad y diámetro de vía, etc. Además, deben tener en cuenta todos los requisitos en términos de tipo de PCB, material, estructura through-hole y potencia.

Cuando se trata de diseño de productos mil/aero, los ingenieros deben conformarse a los estándares MIL. Otros estándares de calidad también pueden aplicarse como referencia. Por ejemplo, el estándar IPC puede usarse para sus elementos de inspección y estándar de calidad.

Actualmente, la gente tiende a mostrar preferencia por materiales de sustrato de transmisión de alta velocidad, que cubren un amplio rango de variación de parámetros de rendimiento. En estructuras de productos electrónicos más complejos, la hoja de datos proporcionada por los proveedores de sustrato solo puede indicar que algún tipo de material de sustrato funciona mejor que otros tipos. No obstante, la experiencia del fabricante de PCB nunca puede subestimarse, porque en cierta medida, ellos son auténticamente conscientes del rendimiento del material de sustrato, especialmente de acuerdo con situaciones prácticas. Por ejemplo, aunque los diseñadores de PCB pueden calcular la impedancia de las pistas, diferentes métodos de fabricación posiblemente lleven la impedancia a ser incompatible con el requisito de diseño.

La estructura también juega un papel importante en los PCBs mil/aero porque es capaz de ayudar a evitar costes innecesarios o reducir el riesgo resultante de estructuras complejas. Y para productos electrónicos mil/aero más complejos, sus estructuras también influyen en la fabricabilidad de los productos.

Históricamente, el tema del coste rara vez se consideraba en los productos electrónicos militares y aeroespaciales. Pero hay que admitir que el aumento del coste de fabricación del producto sería en realidad beneficioso para la reducción del riesgo en el proceso de fabricación, lo cual, después de todo, vale la pena. En el procedimiento de introducción de PCB, el riesgo puede reducirse mediante el aumento del período de investigación y desarrollo y la revisión de la integridad de los datos antes de la disposición de la fabricación.

PCBs de cobre grueso/pesado para aplicaciones Mil/Aero

Definición

Los productos electrónicos Mil/Aero de alta potencia traen nuevos requisitos a los PCBs, lo que despierta la creación de PCBs de cobre grueso/pesado o incluso de cobre extremo. Los PCBs de cobre pesado se refieren a placas de circuito cuyo conductor presenta un espesor de cobre dentro del rango de 137,2 µm a 686 µm, mientras que las placas de circuito cuyo espesor de cobre es superior a 686 µm o alcanza 6860 µm se llaman PCBs de cobre extremo.

Las ventajas estructurales de los PCBs de cobre pesado incluyen:
a. Capaces de soportar estrés térmico con la capacidad anti-estrés del PCB mejorada;
b. Mejora de la capacidad de transporte de corriente del PCB;
c. Aumento de la capacidad de disipación térmica del PCB sin necesidad de ensamblar aletas de refrigeración;
d. Mejora de la resistencia mecánica del apilado entre capas y agujeros plated-through;
e. Aplicables para transformador planar de alta potencia colocado en la placa.

Cada moneda tiene dos caras. Aparte de esas ventajas, los PCBs de cobre pesado también presentan algunas desventajas. Es significativo ser consciente de ambos aspectos concernientes a las estructuras de los PCBs de cobre pesado para que se pueda entender claramente cómo aprovechar las funciones y aplicaciones potenciales.

Construcción de PCBs de cobre pesado

Similar a los PCBs FR4 estándar, los PCBs de cobre pesado presentan el mismo método de fabricación con tecnologías especiales de grabado y plateado aplicadas, como plateado de alta velocidad y grabado por desviación. Por un tiempo en el pasado, la gente una vez intentó fabricar PCB de cobre pesado solo con grabado. Algunas de las placas de circuito fabricadas con este método sufrieron de desecho debido a líneas de borde desiguales y sobre-grabado del margen. Para evitar eso, se aplicaron posteriormente técnicas avanzadas de plateado y grabado para que se pudieran lograr bordes rectos y grabado óptimo del margen.

El plateado en PCB de cobre pesado permite a los fabricantes de PCB engrosar tanto la pared del agujero plated through-hole como la pared del through-hole, cuyas ventajas incluyen:
a. Reducción del conteo de capas;
b. Reducción de la distribución de impedancia;
c. Minimización del empaquetado;
d. Disminución del coste de fabricación.

El PCB de cobre pesado puede adherirse sin problemas a una placa ordinaria. Cuando se trata de trazado y el espaciado más pequeño en las placas de circuito y el rango dentro de la tolerancia y la capacidad de fabricación, necesitan determinarse mediante discusión entre los ingenieros de diseño y los fabricantes antes de la fabricación auténtica.

Capacidad de transporte de corriente y aumento de temperatura

¿Cuánta corriente es capaz de transportar un PCB de cobre pesado? Esta pregunta usualmente depende de los ingenieros de diseño electrónico. Incluye la determinación del espesor de cobre, ancho y el aumento máximo de temperatura que el PCB de cobre pesado es capaz de soportar. Esta pregunta surge así ya que el calor generado por el PCB de cobre pesado en el proceso de funcionamiento está estrechamente relacionado con la corriente.

Cuando la corriente pasa a través de los cables, la tasa de consumo de potencia durante el funcionamiento es el 12% de la potencia original, de modo que la potencia perdida genera calor de transición localmente que se disipará en los alrededores de manera de conducción térmica. La corriente máxima que los cables en el PCB de cobre pesado pueden soportar debe encontrarse y un método para juzgar el aumento de temperatura y la corriente impuesta correspondiente debe descubrirse. De acuerdo con las directrices de IPC-2221A, una fórmula que indica la capacidad de transporte de corriente por cables externos está disponible: I = 0,048 x DT^0,44 x W x Th^0,725.

En esta fórmula, I se refiere a la corriente (unidad: A); DT se refiere al aumento de temperatura (unidad: °C); W se refiere al ancho de línea (unidad: µin); Th se refiere al espesor de la traza (unidad: µin). La capacidad de transporte de corriente de trazas internas es el 50% de la de trazas externas.

En conformidad con la fórmula, la Tabla 1 resume la capacidad de transporte de corriente indicando la corriente de transporte a una temperatura de 30°C para diferentes áreas seccionales.

Tabla 1 Corriente de transporte (A) a un ancho de traza fijo (aumento de temperatura es 30°C)

Los materiales de sustrato con diferentes rendimientos están disponibles para fabricantes y diseñadores de PCB, variando desde el material de sustrato de resina epoxi FR-4 ordinario con una temperatura de operación de 130°C hasta materiales de sustrato de alto Tg. Hasta ahora, se ha desarrollado un conjunto de métodos para probar la calidad resistente al calor de los productos de PCB terminados. Debido a la diferencia en términos de expansividad térmica entre el cobre y el material de sustrato, se crea una "fuerza motriz" entre ellos, que es en realidad el estrés térmico que posiblemente lleva a grietas, acumulación y crecimiento, que finalmente lleva al fallo del PCB.

En la prueba de circulación sobre la capacidad de los agujeros through-hole para combatir el choque térmico, un conjunto de 32 agujeros plated through-hole en serie se diseña como muestra en la placa y sus situaciones se comprobarán después de la prueba de choque térmico. El primer agujero plated through-hole fallado se decidirá como el estrés térmico que una placa de circuito puede soportar. La aplicación de PCBs de cobre pesado en la circulación de choque térmico reducirá o eliminará los fallos.

Análisis de disipación térmica

En el proceso de funcionamiento de los componentes electrónicos, la pérdida de alta potencia tiene lugar en forma de calentamiento que tiene que ser generado por la fuente térmica (componentes) y radiado a los alrededores. De lo contrario, los componentes sufrirán sobrecalentamiento o incluso fallo. Los PCBs de cobre pesado, sin embargo, son capaces de disipar el calor más eficazmente que otros tipos de placas de circuito, de modo que la tasa de fallo de las placas se reducirá dramáticamente.

Para hacer que el calor se disipe fácilmente, se demanda un tipo de aleta de refrigeración para empujar el calor disipado al aire a través de conducción térmica, radiación o convección. Usualmente, el otro lado de la fuente de calor de la aleta de refrigeración se conecta al área de cobre a través de plateado de cobre through-hole.

En general, las aletas de refrigeración ordinarias se conectan con el área de recubrimiento de cobre en el PCB a través de conducción térmica. También hay situaciones en las que se usan remaches o tornillos para la conexión. La mayoría de las aletas de refrigeración están hechas de cobre o aluminio.

Por tanto, es de mucha importancia ensamblar aletas de refrigeración durante la fabricación de PCB, lo que puede lograrse en los PCBs de cobre pesado. La capa de cobre en la superficie de la placa de circuito puede engrosarse a través de electroplateado, lo que mejora la propiedad de conducción de calor de la superficie de la placa. Otra ventaja de este método reside en que la capa de plateado de cobre del through-hole térmico puede engrosarse y la resistencia térmica del PCB de cobre pesado puede reducirse.

Ha pasado tanto tiempo desde que los PCBs de cobre pesado se han empleado para transportar componentes de gran potencia en las industrias militares y aeroespaciales que este tipo de PCBs de cobre pesado será ampliamente aplicado entre diferentes industrias en el futuro próximo.

Recursos útiles:
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• Relación entre peso de cobre, ancho de traza y capacidad de transporte de corriente
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