Problèmes de conception sur les circuits imprimés en cuivre épais/lourds pour les applications militaires et aérospatiales

Exigence en matière de PCB pour les produits électroniques Mil/Aero

Lorsque les ingénieurs en électronique se préparent à la conception de circuits imprimés pour des applications militaires/aérospatiales (abréviation de "mil/aero"), certains détails et exigences de performance doivent être pris en considération. Il est généralement connu que les produits militaires et aéronautiques nécessitent de multiples conditions de fonctionnement et une large plage de températures de fonctionnement. Ils doivent être capables de résister à plusieurs environnements rigoureux avec soit une chaleur extrême, comme le désert, soit un froid extraordinaire, comme le pôle Sud. Outre les températures extrêmes, l'humidité est également un facteur clé. Par conséquent, lors du processus de conception de PCB pour les applications militaires/aérodynamiques, les conditions de travail particulières des produits doivent être soigneusement prises en compte, telles que la température et l'humidité.

La fiabilité des produits militaires et aérospatiaux est une préoccupation majeure sur laquelle les ingénieurs concepteurs de circuits imprimés doivent se concentrer. En tant qu'aspect clé de la fiabilité des produits, la durée de conservation a été considérée comme une norme de jugement de premier plan. Prenons l'exemple du missile. Il n'est pas autorisé à exploser tant qu'il n'a pas atteint la cible, ce qui signifie qu'il doit normalement fonctionner dans un environnement bénin et qu'il a une durée de conservation relativement courte. Les ingénieurs préféraient réduire la complexité des circuits imprimés appliqués aux industries militaires et aérospatiales uniquement en raison de la grande fiabilité des produits militaires/aérospatiaux. Les départements militaires et aérospatiaux hésiteraient à connaître les nouvelles techniques de fabrication de produits électroniques tant qu'elles n'auraient pas été prouvées réalisables dans les industries correspondantes. Actuellement, cependant, les exigences fonctionnelles des produits électroniques mil/aero empêchent les ingénieurs en conception électronique de s'en tenir à des idées de conception simples et à l'expérience uniquement. Certains d'entre eux ont commencé à adopter les nouvelles techniques de fabrication de PCB.

Avec l'augmentation des techniques et de la complexité des PCB, les ingénieurs en électronique doivent se concentrer à la fois sur les règles de conception des PCB et sur les technologies de fabrication des PCB afin que les produits atteignent un équilibre optimal entre la sécurité, le coût et les exigences de performance, conduisant à un risque de fabrication le plus faible.

La fabrication réussie de PCB repose sur une communication fréquente et fluide entre les ingénieurs de conception électronique et les ingénieurs de fabrication, ce qu'il faut garder à l'esprit. Les ingénieurs de conception doivent être pleinement conscients des capacités détaillées du fabricant telles que la largeur de trace, l'espacement, la taille des pastilles et le diamètre des vias, etc. De plus, ils doivent prendre en compte toutes les exigences en termes de type de PCB, de matériau, de structure traversante et de puissance.

En ce qui concerne la conception de produits militaires/aéro, les ingénieurs doivent se conformer aux normes MIL. D'autres normes de qualité peuvent également être appliquées comme référence. Par exemple, la norme IPC peut être utilisée pour ses éléments d'inspection et sa norme de qualité.

Actuellement, les gens ont tendance à montrer une préférence pour le matériau de substrat de transmission à grande vitesse, qui couvre une large gamme de variations des paramètres de performance. Dans les structures de produits électroniques plus complexes, la fiche technique fournie par les fournisseurs de substrats ne peut qu'indiquer qu'un certain type de matériau de substrat fonctionne mieux que d'autres types. Néanmoins, l'expérience des fabricants de PCB ne peut jamais être sous-estimée car, dans une certaine mesure, ils sont authentiquement conscients des performances des matériaux de substrat, en particulier en fonction des situations pratiques. Par exemple, bien que les concepteurs de circuits imprimés puissent déterminer l'impédance des conducteurs, différentes méthodes de fabrication rendront éventuellement l'impédance incompatible avec les exigences de conception.

La structure joue également un rôle important dans les PCB militaires/aéro, car elle permet d'éviter des coûts inutiles ou de réduire les risques résultant de structures complexes. Et pour les produits électroniques militaires/aérodynamiques plus complexes, leurs structures influencent également la fabricabilité des produits.

Historiquement, la question des coûts était rarement prise en compte dans les produits électroniques militaires et aérospatiaux. Mais il faut admettre que l'augmentation du coût de fabrication du produit serait en fait bénéfique pour la réduction des risques dans le processus de fabrication, ce qui, après tout, en vaut la peine. Dans la procédure d'introduction des PCB, le risque peut être réduit en augmentant la période de recherche et de développement et en examinant l'intégrité des données avant l'arrangement de fabrication.

PCB en cuivre épais/lourd pour les applications Mi/Aero

• Définition

Les produits électroniques Mil/Aero à haute puissance entraînent de nouvelles exigences pour les PCB, ce qui suscite la création de PCB en cuivre épais/lourds ou même de PCB en cuivre extrêmes. Les PCB en cuivre lourd font référence aux circuits imprimés dont le conducteur présente une épaisseur de cuivre comprise entre 137,2 μm et 686 μm, tandis que les circuits imprimés dont l'épaisseur de cuivre est supérieure à 686 μm ou atteint 6860 μm sont appelés PCB en cuivre extrême.

Les avantages structurels des PCB en cuivre lourd incluent :
a. Capable de résister au stress thermique grâce à la capacité anti-stress du PCB améliorée ;
b. Amélioration de la capacité de courant de transport des PCB ;
c. Augmentation de la capacité de dissipation thermique des PCB sans avoir besoin d'assembler des ailettes de refroidissement ;
d. Améliorer la résistance mécanique du drapage entre les couches et les trous métallisés ;
e. Applicable pour transformateur planaire à haute puissance placé à bord.

Chaque pièce a deux faces. Outre ces avantages, les PCB en cuivre lourd présentent également certains inconvénients. Il est important de connaître les deux aspects concernant les structures des PCB en cuivre lourd afin de comprendre clairement comment utiliser les fonctions et applications potentielles.

• Construction de circuits imprimés en cuivre lourd

Semblables aux PCB FR4 standard, les PCB en cuivre lourd présentent la même méthode de fabrication avec des technologies de gravure et de placage spéciales appliquées, telles que le placage à grande vitesse et la gravure par déviation. Pendant un certain temps dans le passé, les gens ont essayé de fabriquer des PCB en cuivre lourd avec juste une gravure. Certaines des cartes de circuits imprimés fabriquées selon cette méthode souffraient de rebuts dus à des lignes de bord inégales et à une gravure excessive de la marge. Afin d'éviter cela, des techniques avancées de placage et de gravure ont ensuite été appliquées afin d'obtenir un bord droit et une gravure optimale des marges.

Le placage sur PCB en cuivre lourd permet aux fabricants de PCB d'épaissir à la fois la paroi plaquée du trou traversant et la paroi du trou traversant, dont les avantages incluent :
a. Le nombre de couches diminue ;
b. Réduction de la distribution d'impédance ;
c. Minimisation des emballages ;
d. Coût de fabrication en baisse.

La carte PCB en cuivre lourd peut être fixée de manière transparente à une carte ordinaire. En ce qui concerne le traçage et l'espacement le plus petit sur les cartes de circuits imprimés et la plage dans les limites de tolérance et de capacité de fabrication, ils doivent être déterminés par une discussion entre les ingénieurs de conception et les fabricants avant la fabrication authentique.

• Capacité de charge actuelle et élévation de température

Quelle quantité de courant le PCB en cuivre lourd est-il capable de transporter ? Cette question dépend généralement des ingénieurs en conception électronique. Il comprend l'épaisseur et la largeur du cuivre et l'augmentation maximale de la température du PCB en cuivre lourd est capable de résister à la détermination. Cette question se pose comme ça puisque la chaleur générée par les PCB en cuivre lourd en cours de fonctionnement est étroitement liée au courant.

Lorsque le courant passe à travers les fils, le taux de consommation d'énergie pendant le fonctionnement est de 12 % de la puissance d'origine, de sorte que la puissance perdue génère localement de la chaleur de transition qui sera dissipée dans l'environnement par conduction thermique. Les fils de courant maximum sur les PCB en cuivre lourd peuvent supporter doivent être découverts et une méthode pour juger de l'élévation de température et du courant imposé correspondant doit être creusée. Selon les directives de l'IPC-2221A, une formule indiquant la capacité de courant porteur par les fils externes est disponible :I =0,048 x DT ^0,44 x L x É ^0,725 .

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 :μin); Th fait référence à l'épaisseur de la trace (unité :μin). La capacité de charge actuelle des traces internes est de 50 % de celle des traces externes.

Conformément à la formule, le tableau 1 résume la capacité de charge actuelle indiquant le courant porteur à la température de 30 °C pour différentes zones de section.

Tableau 1 Courant porteur (A) à une largeur de trace fixe (l'augmentation de température est de 30 °C)

Des matériaux de substrat avec différentes performances sont disponibles pour les fabricants et les concepteurs de PCB, allant du matériau de substrat en résine époxy FR-4 ordinaire avec une température de fonctionnement de 130 ° C aux matériaux de substrat à haute Tg. Jusqu'à présent, un ensemble de méthodes a été développé pour tester la qualité de résistance à la chaleur des produits finis contenant des PCB. En raison de la différence en termes d'expansivité thermique entre le cuivre et le matériau du substrat, une "force motrice" est créée entre eux, c'est-à-dire une contrainte thermique pouvant entraîner des fissures, des rassemblements et une croissance, ce qui conduit finalement le PCB à l'échec.

Dans le test de circulation sur la capacité des trous traversants à lutter contre les chocs thermiques, un ensemble de 32 trous traversants plaqués en série est conçu comme un échantillon sur la carte et leurs situations seront vérifiées après le test de choc thermique. Le premier trou débouchant plaqué défaillant sera déterminé en fonction de la contrainte thermique qu'une carte de circuit imprimé peut supporter. L'application de PCB en cuivre lourd dans la circulation des chocs thermiques réduira ou éliminera les défaillances.

• Analyse de la dissipation thermique

Au cours du processus de fonctionnement des composants électroniques, une perte de puissance élevée se produit sous la forme d'un échauffement qui doit être généré par une source thermique (composants) et rayonné dans l'environnement. Sinon, les composants subiront une surchauffe ou même une panne. Cependant, les PCB en cuivre lourd sont capables de dissiper la chaleur plus efficacement que les autres types de cartes de circuits imprimés, ce qui réduit considérablement le taux de défaillance des cartes.

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

D'une manière générale, les ailettes de refroidissement ordinaires sont connectées à la zone de revêtement en cuivre sur le PCB par conduction thermique. Il existe également des situations dans lesquelles des rivets ou des vis sont utilisés pour la connexion. La plupart des ailettes de refroidissement sont en cuivre ou en aluminium.

Par conséquent, il est très important d'assembler des ailettes de refroidissement pendant la fabrication des PCB, ce qui peut être réalisé dans des PCB en cuivre lourd. La couche de cuivre à la surface de la carte de circuit imprimé peut être épaissie par galvanoplastie, 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 thermique traversant peut être épaissie et que la résistance thermique du PCB en cuivre lourd peut être réduite.

Il y a si longtemps que des PCB lourds en cuivre ont été utilisés pour transporter des composants de grande puissance dans les industries militaires et aérospatiales, ce type de PCB lourds en cuivre sera largement appliqué dans différentes industries dans un avenir proche.

Ressources utiles :
• Circuit imprimé en cuivre épais et son service de fabrication
• Relation entre le poids du cuivre, la largeur de piste et la capacité de transport de courant
• Les principales règles de conception de circuits imprimés que vous devez connaître
• Service complet de fabrication de circuits imprimés de PCBCart - Plusieurs options à valeur ajoutée
• Service d'assemblage de circuits imprimés avancé de PCBCart - Commencez à partir de 1 pièce