Principais Desafios de Projeto para PCBs de Cobre Espesso/Pesado em Aplicações Militares e Aeroespaciais

Requisito de PCB para Produtos Eletrônicos Mil/Aero

Quando engenheiros eletrônicos estão se preparando para projeto de PCB para aplicações militares/aeroespaciais (forma curta como "mil/aero"), alguns detalhes e requisitos de desempenho têm que ser levados em consideração. É geralmente conhecido que tanto produtos mil quanto aero exigem múltiplas condições de operação e uma ampla faixa de temperatura de operação. Eles têm que ser capazes de suportar múltiplos ambientes rigorosos com tanto calor extremo, como deserto, quanto frio extraordinário, como Polo Sul. Além de temperatura extrema, umidade também é uma consideração-chave. Como resultado, no processo de projeto de PCBs para aplicações mil/aero, as condições especiais de trabalho dos produtos têm que ser cuidadosamente consideradas, como temperatura e umidade.

Confiabilidade de produtos militares e aeroespaciais tem sido uma preocupação principal que engenheiros de projeto de PCB devem focar. Como um aspecto-chave da confiabilidade dos produtos, vida de prateleira tem sido considerada como um padrão de julgamento líder. Tome míssil como exemplo. Não é permitido que seja explodido até que atinja o alvo, o que significa que ele tem que funcionar normalmente em um ambiente benigno e apresenta uma vida de prateleira relativamente curta. Engenheiros costumavam preferir reduzir a complexidade de placas de circuito aplicadas para indústrias militares e aeroespaciais apenas devido à alta confiabilidade de produtos mil/aero. Departamentos militares e aeroespaciais hesitariam em saber sobre novas técnicas de fabricação de produtos eletrônicos até que tivessem sido provadas como viáveis nas indústrias correspondentes. Atualmente, porém, o requisito de função de produtos eletrônicos mil/aero impede engenheiros de projeto eletrônico de se ater a ideias e experiência de projeto simples apenas. Alguns deles começaram a abraçar técnicas de fabricação de PCB recém-emergidas.

Com o aumento de técnicas de PCB e complexidade, engenheiros eletrônicos têm que se concentrar em ambas as regras de projeto de PCB e tecnologias de fabricação de PCB para que os produtos alcancem um equilíbrio ótimo entre segurança, custo e requisito de desempenho, levando ao menor risco de fabricação.

Fabricação de PCB bem-sucedida depende de comunicação frequente e suave entre engenheiros de projeto eletrônico e engenheiros de fabricação, o que tem que ser mantido em mente. Engenheiros de projeto devem estar plenamente cientes das capacidades detalhadas do fabricante, como largura de trilha, espaçamento, tamanho de pad e diâmetro de via, etc. Além disso, eles têm que levar em conta todos os requisitos em termos de tipo de PCB, material, estrutura through-hole e energia.

Quando se trata de projeto de produtos mil/aero, engenheiros devem conformar aos padrões MIL. Outros padrões de qualidade também podem ser aplicados como referência. Por exemplo, padrão IPC pode ser usado para seus itens de inspeção e padrão de qualidade.

Atualmente, pessoas tendem a mostrar preferência por material de substrato de transmissão de alta velocidade, que cobre uma ampla faixa de variação de parâmetro de desempenho. Em estruturas de produtos eletrônicos mais complexos, folha de dados fornecida por fornecedores de substrato pode apenas indicar que algum tipo de material de substrato performa melhor que outros tipos. No entanto, a experiência do fabricante de PCB nunca pode ser subestimada, pois, em certa medida, eles são autenticamente cientes do desempenho do material de substrato, especialmente de acordo com situações práticas. Por exemplo, embora designers de PCB possam calcular a impedância de terminais, diferentes métodos de fabricação possivelmente levarão a impedância a ser incompatível com o requisito de projeto.

A estrutura também desempenha um papel importante em PCBs mil/aero porque é capaz de ajudar a evitar custo desnecessário ou reduzir risco resultante de estruturas complexas. E para produtos eletrônicos mil/aero mais complexos, suas estruturas também influenciam a fabricabilidade dos produtos.

Historicamente, a questão de custo era raramente considerada em produtos eletrônicos militares e aeroespaciais. Mas tem que ser admitido que o aumento do custo de fabricação do produto seria realmente benéfico para a redução de risco no processo de fabricação, o que é, afinal, valioso. No procedimento de introdução de PCB, o risco pode ser baixado através do aumento do período de pesquisa e desenvolvimento e revisão da integridade de dados antes do arranjo de fabricação.

PCBs de Cobre Espesso/Pesado para Aplicações Mil/Aero

Definição

Produtos eletrônicos Mil/Aero com alta potência trazem novos requisitos para PCBs, o que desperta a criação de PCBs de cobre espesso/pesado ou até mesmo PCBs de cobre extremo. PCBs de cobre pesado referem-se a placas de circuito cujo condutor apresenta espessura de cobre na faixa de 137.2µm a 686µm, enquanto placas de circuito cuja espessura de cobre é mais de 686µm ou atinge 6860µm são chamadas de PCBs de cobre extremo.

Vantagens estruturais de PCBs de cobre pesado incluem:
a. Capaz de suportar estresse térmico com capacidade anti-estresse do PCB aprimorada;
b. Aumentando a capacidade de transporte de corrente do PCB;
c. Aumentando a capacidade de dissipação térmica do PCB sem necessidade de montar aletas de resfriamento;
d. Aumentando a resistência mecânica de layup entre camadas e furos plated-through;
e. Aplicável para transformador planar com alta potência colocado na placa.

Cada moeda tem dois lados. Além daquelas vantagens, PCBs de cobre pesado apresentam algumas desvantagens também. É de significância estar ciente de ambos os aspectos concernentes a estruturas de PCBs de cobre pesado para que como fazer uso de funções e aplicações potenciais possa ser claramente entendido.

Construção de PCBs de Cobre Pesado

Similar a PCBs FR4 Padrão, PCBs de cobre pesado apresentam o mesmo método de fabricação com tecnologias especiais de gravação e revestimento aplicadas, como revestimento de alta velocidade e gravação de desvio. Por algum tempo no passado, pessoas uma vez tentaram fabricar PCB de cobre pesado com apenas gravação. Algumas das placas de circuito fabricadas neste método sofreram de sucata devido a linhas de borda irregulares e sobre-gravação de margem. A fim de evitar isso, técnicas avançadas de revestimento e gravação foram posteriormente aplicadas para que borda reta e gravação de margem ótima pudessem ser alcançadas.

Revestimento em PCB de cobre pesado permite que fabricantes de PCB engrossem tanto a parede de furo plated through-hole quanto a parede de thru-hole, cujas vantagens incluem:
a. Redução de contagem de camadas;
b. Redução de distribuição de impedância;
c. Minimização de empacotamento;
d. Redução de custo de fabricação.

PCB de cobre pesado pode ser perfeitamente anexado a placa ordinária. Quando se trata de rastreamento e menor espaçamento em placas de circuito e faixa dentro de tolerância e capacidade de fabricação, eles precisam ser determinados por discussão entre engenheiros de projeto e fabricantes antes da fabricação autêntica.

Capacidade de Transporte de Corrente e Aumento de Temperatura

Quanta corrente o PCB de cobre pesado é capaz de transportar? Esta pergunta geralmente depende de engenheiros de projeto eletrônico. Inclui determinação de espessura de cobre e largura e aumento máximo de temperatura que o PCB de cobre pesado é capaz de suportar. Esta pergunta surge como isso, pois o calor gerado pelo PCB de cobre pesado no processo de execução está estreitamente relacionado com a corrente.

À medida que a corrente passa através de fios, a taxa de consumo de potência durante a execução é 12% da potência original para que a potência perdida gere calor de transição localmente que será dissipado nos arredores de uma forma de condução térmica. A corrente máxima que fios em PCB de cobre pesado podem suportar tem que ser descoberta e um método para julgar aumento de temperatura e corrente imposta correspondente tem que ser descoberto. De acordo com diretrizes de IPC-2221A, uma fórmula indicando capacidade de transporte de corrente por fios externos está disponível: I = 0.048 x DT⁰·⁴⁴ x W x Th⁰·⁷²⁵.

Nesta fórmula, I refere-se à corrente (unidade: A); DT refere-se ao aumento de temperatura (unidade: °C); W refere-se à largura da linha (unidade: µin); Th refere-se à espessura do traço (unidade: µin). A capacidade de transporte de corrente de trilhas internas é 50% daquela de trilhas externas.

Em conformidade com a fórmula, a Tabela 1 resumiu a capacidade de transporte de corrente indicando corrente de transporte na temp de 30°C para diferentes áreas de seção transversal.

Tabela 1 Corrente de Transporte (A) em Largura de Traço Fixa (aumento de temperatura é 30°C)

Materiais de substrato com diferentes desempenhos estão disponíveis para fabricantes e designers de PCB, variando desde material de substrato de resina epóxi FR-4 ordinário com uma temperatura de operação 130°C até materiais de substrato de alto-Tg. Até agora, um conjunto de métodos foi desenvolvido para testar a qualidade resistente ao calor de produtos de PCB acabados. Devido à diferença em termos de expansividade térmica entre cobre e material de substrato, uma "força motriz" é criada entre eles, que é, na verdade, estresse térmico possivelmente levando a rachadura, reunião e crescimento, o que finalmente impulsiona o PCB à falha.

No teste de circulação na capacidade de furos through-hole de combater choque térmico, um conjunto de 32 furos plated through-hole seriais é projetado como uma amostra na placa e suas situações serão verificadas após teste de choque térmico. O primeiro furo plated through-hole falho será decidido como o estresse térmico que uma placa de circuito pode suportar. Aplicação de PCBs de cobre pesado em circulação de choque térmico reduzirá ou eliminará falhas.

Análise de Dissipação Térmica

No processo de execução de componentes eletrônicos, perda de alta potência ocorre na forma de aquecimento que tem que ser gerada por fonte térmica (componentes) e radiada aos arredores. Caso contrário, componentes sofrerão de superaquecimento ou até falha. PCBs de cobre pesado, porém, são capazes de dissipar calor mais efetivamente que outros tipos de placas de circuito para que a taxa de falha de placas será dramaticamente diminuída.

A fim de tornar o calor facilmente dissipado, um tipo de aleta de resfriamento é demandado para empurrar o calor dissipado no ar através de condução térmica, radiação ou convecção. Geralmente, o outro lado da fonte de calor da aleta de resfriamento é conectado à área de cobre através de furos de cobre plated through.

Geralmente falando, aletas de resfriamento ordinárias são conectadas com área de revestimento de cobre no PCB através de condução térmica. Existem também situações em que rebites ou parafusos são usados para conexão. A maioria das aletas de resfriamento são feitas de cobre ou alumínio.

Portanto, é de muita significância montar aletas de resfriamento durante a fabricação de PCB, o que pode ser alcançado em PCBs de cobre pesado. Camada de cobre na superfície da placa de circuito pode ser engrossada através de eletro-revestimento, o que melhora a propriedade de condução de calor da superfície da placa. Outra vantagem deste método reside no fato de que a camada de revestimento de cobre de furo térmico through-hole pode ser engrossada e a resistência térmica do PCB de cobre pesado pode ser reduzida.

Faz tanto tempo desde que PCBs de cobre pesado têm sido empregados para transportar componentes de grande potência em indústrias militares e aeroespaciais que este tipo de PCBs de cobre pesado será amplamente aplicado entre diferentes indústrias no futuro próximo.

Recursos Úteis

• PCB de Cobre Espesso e Seu Serviço de Fabricação
• Relação entre Peso de Cobre, Largura de Traço e Capacidade de Transporte de Corrente
• As Principais Regras de Projeto de PCB que Você Precisa Conhecer
• Serviço Completo de Fabricação de PCB da PCBCart - Múltiplas Opções de Valor Agregado
• Serviço Avançado de Montagem de PCB da PCBCart - A Partir de 1 Peça