Principaux défis de conception pour les PCB à cuivre épais/lourds dans les applications militaires et aérospatiales

Exigences PCB pour les produits électroniques Mil/Aéro

Lorsque les ingénieurs électroniques préparent la conception PCB pour des applications militaires/aérospatiales (forme courte « mil/aéro »), certains détails et exigences de performance doivent être pris en considération. Il est généralement connu que les produits mil et aéro exigent de multiples conditions de fonctionnement et une large gamme de températures de fonctionnement. Ils doivent être capables de résister à de multiples environnements rigoureux, soit avec une chaleur extrême, comme le désert, ou un froid extraordinaire, comme le pôle Sud. En plus de la température extrême, l'humidité est aussi une considération clé. En résultat, dans le processus de conception de PCB pour les applications mil/aéro, les conditions de travail spéciales des produits doivent être soigneusement considérées, telles que la température et l'humidité.

La fiabilité des produits militaires et aérospatiaux a été une préoccupation principale sur laquelle les ingénieurs de conception PCB doivent se concentrer. En tant qu'aspect clé de la fiabilité des produits, la durée de conservation a été considérée comme un standard de jugement principal. Prenez le missile comme exemple. Il n'est pas autorisé à exploser avant d'atteindre la cible, ce qui signifie qu'il doit fonctionner normalement dans un environnement bénin et présente une durée de conservation relativement courte. Les ingénieurs avaient l'habitude de préférer réduire la complexité des cartes de circuit appliquées pour les industries militaires et aérospatiales juste en raison de la haute fiabilité des produits mil/aéro. Les départements militaires et aérospatiaux hésitaient à connaître les nouvelles techniques de fabrication de produits électroniques jusqu'à ce qu'elles aient été prouvées réalisables dans les industries correspondantes. Actuellement, cependant, l'exigence de fonction des produits électroniques mil/aéro empêche les ingénieurs de conception électronique de s'en tenir seulement aux idées de conception simples et à l'expérience. Certains d'entre eux ont commencé à adopter les techniques de fabrication PCB nouvellement émergentes.

Avec l'augmentation des techniques PCB et de la complexité, les ingénieurs électroniques doivent se concentrer sur les règles de conception PCB et les technologies de fabrication PCB afin que les produits atteindront un équilibre optimal entre sécurité, coût et exigence de performance, menant au risque de fabrication le plus bas.

La fabrication PCB réussie repose sur une communication fréquente et fluide entre les ingénieurs de conception électronique et les ingénieurs de fabrication, ce qui doit être gardé à l'esprit. Les ingénieurs de conception doivent être pleinement conscients des capacités détaillées du fabricant, telles que la largeur de piste, l'espacement, la taille du plot et le diamètre du via, etc. De plus, ils doivent prendre en compte toutes les exigences en termes de type de PCB, matériau, structure de trou traversant et alimentation.

Quand il s'agit de la conception de produits mil/aéro, les ingénieurs doivent se conformer aux standards MIL. D'autres standards de qualité peuvent aussi être appliqués comme référence. Par exemple, le standard IPC peut être utilisé pour ses articles d'inspection et son standard de qualité.

Actuellement, les gens ont tendance à montrer une préférence pour les matériaux de substrat à transmission haute vitesse, qui couvrent une large gamme de variation de paramètres de performance. Dans les structures de produits électroniques plus complexes, la fiche technique fournie par les fournisseurs de substrat ne peut indiquer que certains types de matériaux de substrat performent mieux que d'autres types. Néanmoins, l'expérience du fabricant de PCB ne peut jamais être sous-estimée car, dans une certaine mesure, ils sont authentiquement conscients de la performance du matériau de substrat, en particulier conformément aux situations pratiques. Par exemple, bien que les concepteurs de PCB puissent calculer l'impédance des pistes, différentes méthodes de fabrication pourraient mener l'impédance à être incompatible avec l'exigence de conception.

La structure joue aussi un rôle important dans les PCB mil/aéro car elle est capable d'aider à éviter les coûts inutiles ou à réduire le risque résultant de structures complexes. Et pour des produits électroniques mil/aéro plus complexes, leurs structures influencent aussi la fabricabilité des produits.

Historiquement, le problème de coût était rarement considéré dans les produits électroniques militaires et aérospatiaux. Mais il faut admettre que l'augmentation du coût de fabrication du produit serait en fait bénéfique à la réduction du risque dans le processus de fabrication, ce qui est, après tout, valable. Dans la procédure d'introduction de PCB, le risque peut être baissé en augmentant la période de recherche et développement et en révisant l'intégrité des données avant l'arrangement de fabrication.

PCB à cuivre épais/lourds pour applications Mil/Aéro

Définition

Les produits électroniques Mil/Aéro à haute puissance apportent de nouvelles exigences aux PCB, ce qui suscite la création de PCB à cuivre épais/lourds ou même de PCB à cuivre extrême. Les PCB à cuivre lourd font référence aux cartes de circuit dont l'épaisseur de cuivre du conducteur est dans la plage de 137,2 µm à 686 µm, tandis que les cartes de circuit dont l'épaisseur de cuivre est supérieure à 686 µm ou atteint 6860 µm sont appelées PCB à cuivre extrême.

Les avantages structurels des PCB à cuivre lourd incluent :

• a. Capables de résister au stress thermique avec la capacité anti-stress du PCB améliorée ;
• b. Amélioration de la capacité de transport de courant du PCB ;
• c. Augmentation de la capacité de dissipation thermique du PCB sans besoin d'assembler des ailettes de refroidissement ;
• d. Amélioration de la résistance mécanique de l'empilement entre les couches et les trous métallisés ;
• e. Applicables pour transformateur planaire à haute puissance placé sur la carte.

Chaque médaille a son revers. En plus de ces avantages, les PCB à cuivre lourd présentent aussi certains inconvénients. Il est significatif d'être conscient des deux aspects concernant les structures des PCB à cuivre lourd afin de comprendre clairement comment utiliser les fonctions et applications potentielles.

Construction des PCB à cuivre lourd

Similaires aux PCB FR4 standards, les PCB à cuivre lourd présentent la même méthode de fabrication avec des technologies de gravure et de placage spéciales appliquées, telles que le placage haute vitesse et la gravure par déviation. Pendant un certain temps dans le passé, les gens ont essayé de fabriquer des PCB à cuivre lourd avec juste la gravure. Certaines cartes de circuit fabriquées avec cette méthode ont souffert de rebut en raison de lignes de bord inégales et de sur-gravure de marge. Afin d'éviter cela, des techniques avancées de placage et de gravure ont été appliquées plus tard pour que des bords droits et une gravure de marge optimale puissent être atteints.

Le placage sur PCB à cuivre lourd permet aux fabricants de PCB d'épaissir à la fois la paroi de trou métallisé et la paroi de trou traversant, dont les avantages incluent :

• a. Réduction du nombre de couches ;
• b. Réduction de la distribution d'impédance ;
• c. Minimisation de l'encapsulage ;
• d. Diminution du coût de fabrication.

Le PCB à cuivre lourd peut être joints sans couture à une carte ordinaire. Quand il s'agit du tracé et du plus petit espacement sur les cartes de circuit et de la plage dans la tolérance et la capacité de fabrication, ils doivent être déterminés par discussion entre les ingénieurs de conception et les fabricants avant la fabrication authentique.

Capacité de transport de courant et élévation de température

Combien de courant le PCB à cuivre lourd est-il capable de transporter ? Cette question dépend généralement des ingénieurs de conception électronique. Elle inclut la détermination de l'épaisseur de cuivre, de la largeur et de l'élévation de température maximale que le PCB à cuivre lourd est capable de supporter. Cette question se pose ainsi car la chaleur générée par le PCB à cuivre lourd dans le processus de fonctionnement est étroitement liée au courant.

Lorsque le courant passe à travers les fils, le taux de consommation de puissance pendant le fonctionnement est de 12 % de la puissance originale, de sorte que la puissance perdue génère une chaleur de transition localement qui sera dissipée dans l'environnement par conduction thermique. Le courant maximum que les fils sur le PCB à cuivre lourd peuvent supporter doit être découvert et une méthode pour juger l'élévation de température et le courant imposé correspondant doit être trouvée. Selon les directives de l'IPC-2221A, une formule indiquant la capacité de transport de courant par les fils externes est disponible : I = 0,048 × DT⁰·⁴⁴ × W × Th⁰·⁷²⁵.

Dans cette formule, I fait référence au courant (unité : A) ; DT fait référence à l'élévation de température (unité : °C) ; W fait référence à la largeur de ligne (unité : mil) ; Th fait référence à l'épaisseur de piste (unité : mil). La capacité de transport de courant des pistes internes est de 50 % de celle des pistes externes.

Conformément à la formule, le Tableau 1 résume la capacité de transport de courant indiquant le courant de transport à la température de 30 °C pour différentes surfaces de section.

Tableau 1 Courant de transport (A) à une largeur de piste fixe (élévation de température de 30 °C)

Des matériaux de substrat avec différentes performances sont disponibles pour les fabricants et concepteurs de PCB, allant du matériau de substrat époxy FR-4 ordinaire avec une température de fonctionnement de 130 °C aux matériaux de substrat à Tg élevé. Jusqu'à présent, un ensemble de méthodes a été développé pour tester la qualité résistante à la chaleur des produits PCB finis. En raison de la différence en termes d'expansivité thermique entre le cuivre et le matériau de substrat, une « force motrice » est créée entre eux, qui est en fait le stress thermique pouvant mener à des fissures, à l'accumulation et à la croissance, qui conduit finalement le PCB à l'échec.

Dans le test de circulation sur la capacité des trous traversants à combattre le choc thermique, un ensemble de 32 trous traversants métallisés en série est conçu comme échantillon sur la carte et leurs situations seront vérifiées après le test de choc thermique. Le premier trou traversant métallisé en échec sera décidé comme le stress thermique qu'un circuit imprimé peut supporter. L'application des PCB à cuivre lourd dans la circulation de choc thermique réduira ou éliminera les échecs.

Analyse de dissipation thermique

Dans le processus de fonctionnement des composants électroniques, une perte de puissance élevée a lieu sous forme de chauffage qui doit être générée par la source thermique (composants) et rayonnée vers l'environnement. Sinon, les composants souffriront de surchauffe ou même d'échec. Les PCB à cuivre lourd, cependant, sont capables de dissiper la chaleur plus efficacement que les autres types de cartes de circuit, de sorte que le taux d'échec des cartes sera dramatiquement diminué.

Afin de rendre la chaleur facilement dissipée, un type d'ailette de refroidissement est demandé pour pousser la chaleur dissipée dans l'air par conduction thermique, rayonnement ou convection. Généralement, l'autre côté de la source de chaleur de l'ailette de refroidissement est connecté à la zone de cuivre par le placage de cuivre à travers les trous.

En général, les ailettes de refroidissement ordinaires sont connectées avec la zone de revêtement de cuivre sur le PCB par conduction thermique. Il y a aussi des situations dans lesquelles des rivets ou des vis sont utilisés pour la connexion. La plupart des ailettes de refroidissement sont faites de cuivre ou d'aluminium.

Par conséquent, il est très significatif d'assembler les ailettes de refroidissement pendant la fabrication de PCB, ce qui peut être réalisé dans les PCB à cuivre lourd. La couche de cuivre sur la surface du circuit imprimé peut être épaissie par placage électrolytique, ce qui améliore la propriété de conduction thermique de la surface de la carte. Un autre avantage de cette méthode réside dans le fait que la couche de placage de cuivre des trous traversants thermiques peut être épaissie et la résistance thermique du PCB à cuivre lourd peut être réduite.

Cela fait si longtemps que les PCB à cuivre lourd ont été employés pour porter des composants de grande puissance dans les industries militaires et aérospatiales que ce type de PCB à cuivre lourd sera largement appliqué parmi différentes industries dans un futur proche.

Ressources utiles

• PCB à cuivre épais et son service de fabrication
• Relation entre le poids de cuivre, la largeur de piste et la capacité de transport de courant
• Les règles clés de conception PCB que vous devez connaître
• Service de fabrication PCB complet de PCBCart - Options à valeur ajoutée multiples
• Service d'assemblage PCB avancé de PCBCart - À partir de 1 pièce