Hohe PCB-Kupferdicke: Was sind die Tücken?

Wir müssen hohe Ströme auf einer Leiterplatte führen (~ 30 Ampere), daher werden wir wahrscheinlich unsere Leiterplatten mit hoher Kupferdicke bestellen. Bisher haben wir nur 35 Mikron (1 Unze) in unseren Designs verwendet, was bedeutet, dass "hohe Dicke" für uns 70 (2 Unzen) oder 105 (3 Unzen) bedeutet.

Wir wissen nicht, worauf bei Kupferdicken zu achten ist. Wir würden uns über jede Erfahrung freuen. Da dies ein sehr weit gefasstes Thema ist, gehe ich vor und stelle spezifische Fragen:

1. Es scheint, dass für viele Produktionshäuser 105 Mikron so hoch sind, wie es nur geht. Ist das richtig oder sind höhere Dicken möglich?

2. Kann das Kupfer in den inneren Schichten so dick sein wie das Kupfer oben und unten auf der Platine?

3. Wenn ich Strom durch mehrere Platinenschichten leite, ist es dann erforderlich oder vorzuziehen (oder sogar möglich?), Den Strom so gleichmäßig wie möglich über die Schichten zu verteilen?

4. Zu den IPC-Regeln bezüglich der Trace-Breiten: Halten sie im wirklichen Leben? Für 30 Ampere und einen Temperaturanstieg von 10 Grad benötige ich, wenn ich die Grafiken richtig lese, etwa 11 mm Leiterbahnbreite auf der oberen oder unteren Schicht.

5. Was ist die bessere Vorgehensweise beim Verbinden mehrerer Schichten von Hochstromspuren: Platzieren eines Arrays oder Rasters von Durchkontaktierungen in der Nähe der Stromquelle oder Platzieren der Durchkontaktierungen in der Hochstromspur?

Ich bin zu spät zum Spiel, aber ich werde es versuchen:

1- Es scheint, dass für viele Produktionshäuser 105 Mikron so hoch sind, wie es nur geht. Ist das richtig oder sind höhere Dicken möglich?

Einige Fab-Shops können interne Schichten überziehen. Der Kompromiss ist normalerweise eine größere Toleranz in der Gesamtdicke der Platte, z. B. 20% anstelle von 10%, höhere Kosten und spätere Versanddaten.

2- Kann das Kupfer in den inneren Schichten so dick sein wie das Kupfer oben und unten auf der Platine?

Ja, innere Schichten leiten zwar nicht so viel Wärme ab wie äußere Schichten, und wenn Sie die Impedanzsteuerung verwenden, handelt es sich eher um Streifenleitungen als um Mikrostreifen (dh, Sie verwenden zwei Referenzebenen anstelle einer). Streifenleitungen sind schwieriger, eine Zielimpedanz zu erhalten; Mikrostreifen auf den äußeren Schichten können nur so lange plattiert werden, bis die Impedanz nahe genug ist. Dies ist jedoch bei inneren Schichten nicht mehr möglich, nachdem die Schichten zusammenlaminiert wurden.

3- Wenn ich Strom durch mehrere Platinenschichten leite, ist es dann notwendig oder bevorzugt (oder sogar möglich?), Den Strom so gleichmäßig wie möglich über die Schichten zu verteilen?

Ja, es ist bevorzugt, aber es ist auch schwierig. Normalerweise wird dies nur mit den Grundebenen durchgeführt, indem Durchkontaktierungen genäht und vorgeschrieben werden, dass Löcher und Durchkontaktierungen mit allen Ebenen desselben Netzes verbunden werden.

4- Über die IPC-Regeln bezüglich der Spurweiten: Halten sie im wirklichen Leben durch? Für 30 Ampere und einen Temperaturanstieg von 10 Grad benötige ich, wenn ich die Grafiken richtig lese, etwa 11 mm Leiterbahnbreite auf der oberen oder unteren Schicht.

Der neue IPC-Standard für die aktuelle Kapazität (IPC-2152) behauptet sich in der Praxis. Vergessen Sie jedoch niemals, dass der Standard keine Spuren in der Nähe berücksichtigt, die auch vergleichbare Wärmemengen erzeugen. Überprüfen Sie außerdem die Spannungsabfälle auf Ihren Leiterbahnen, um sicherzustellen, dass sie akzeptabel sind.

Außerdem berücksichtigt der Standard keinen erhöhten Widerstand aufgrund von Skin-Effekten für Hochfrequenzschaltungen (z. B. Schaltnetzteilschaltungen). Die Hauttiefe für 1 MHz entspricht in etwa der Dicke von 2 Unzen. (70 um) Kupfer. 10 MHz ist weniger als 1/2 oz. Kupfer. Beide Seiten des Kupfers werden nur verwendet, wenn auf beiden Seiten der betreffenden Schicht Rückströme in parallelen Schichten fließen, was normalerweise nicht der Fall ist. Mit anderen Worten, Strom bevorzugt die Seite, die dem Pfad des entsprechenden Rückstroms zugewandt ist (normalerweise eine Masseebene).

5- Was ist die bessere Vorgehensweise beim Verbinden mehrerer Schichten von Hochstromspuren: Platzieren eines Arrays oder Rasters von Durchkontaktierungen in der Nähe der Stromquelle oder Platzieren der Durchkontaktierungen in der gesamten Hochstromspur?

Am besten (und aus praktischer Sicht in der Regel einfacher) ist es, die Stichlöcher auszubreiten. Außerdem ist Folgendes zu beachten: gegenseitige Induktivität. Wenn Sie Durchkontaktierungen, die in die gleiche Richtung fließenden Strom führen, zu nahe beieinander platzieren, treten gegenseitige Induktivitäten auf, wodurch die Gesamtinduktivität der Durchkontaktierungen erhöht wird (möglicherweise sieht ein 4x4-Gitter von Durchkontaktierungen beim Entkopplungskondensator wie ein 2x2- oder 1x2-Gitter aus) Frequenzen). Als Faustregel gilt, dass diese Durchkontaktierungen mindestens eine Plattendicke voneinander haben (einfacher) oder mindestens den doppelten Abstand zwischen den Ebenen, die die Durchkontaktierungen verbinden (mehr Mathematik).

Schließlich ist es immer noch ratsam, den Schichtaufbau der Platine symmetrisch zu halten, um ein Verwerfen der Platine zu verhindern. Einige Fabriken sind möglicherweise bereit, zusätzliche Anstrengungen zu unternehmen, um die Verwerfungen durch asymmetrische Stapelung zu bekämpfen, in der Regel indem sie die Vorlaufzeiten und die Kosten erhöhen, da sie einige Versuche unternehmen müssen, um sie für Ihre Stapelung richtig zu machen.

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Ist das Strom DC? Mit Wechselstrom können Sie durch Hauteffekte eingeschränkt sein.

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Ich denke, die Nummer 1 der unerwarteten Probleme könnte sein: Die Leiterplattenhersteller geben an, dass sie sehr enge Leiterbahn - / Spaltbreiten herstellen können, und sie geben an, dass sie Kupfer mit einer Dicke von 35, 71 und 105 um (im Allgemeinen als 1, 2 und 3 bezeichnet) herstellen können 3 Unzen Kupfer), aber sie können nicht beide auf der gleichen Platine machen. Wenn Sie dickeres Kupfer wünschen, müssen Sie die Leiterbahnen weiter auseinander halten, als Sie es von typischeren Leiterplatten gewohnt sind.

1. Sie können immer eine Leiterplattenfabrik anrufen und fragen, ob sie dickeres Kupfer verarbeiten kann. Aber seien Sie sicher und fragen Sie, wie viel das kosten wird. Selbst wenn sie dickeres Kupfer herstellen können, möchten Sie den Kostenaddierer möglicherweise nicht bezahlen.

2. Das Kupfer auf den beiden äußeren Schichten ist immer dicker als die inneren Schichten. Leiterplattenfabriken kaufen normalerweise "leere" kupferkaschierte Leiterplatten mit einer Dicke von 17,5 um oder 35 um, ätzen sie und fügen Abstandshalter zwischen ihnen hinzu und kleben sie zusammen, so dass dies die Dicke jeder inneren Schicht ist. Dann bohren sie Löcher und werfen die Leiterplatte in das Beschichtungsbad, in dem sich in jedem Loch und auf den äußeren Schichten eine Kupferschicht befindet. Das Ergebnis ist, dass alle inneren Schichten die gleiche Dicke haben und beide äußeren Schichten die gleiche Dicke haben, dicker als die inneren Schichten.

3. Wenn Sie mit hohen Strömen arbeiten, benötigen Sie normalerweise breite, kurze Leiterbahnen, um den Widerstand und damit die in diesen Leiterbahnen erzeugte I2R-Wärme zu verringern. Wenn Sie 2 ungleiche Leiterbahnen auf verschiedenen Schichten "parallel" haben, erhöht die Verringerung der Breite eines Teils einer der Leiterbahnen den Widerstand und damit die erzeugte I2R-Wärme, was die Situation verschlimmert - es spielt keine Rolle, ob Sie die Leiterplatte ausgewogener gestalten durch Verringern der Breite der breiteren Spur oder durch Verringern der Breite der schmaleren Spur unsymmetrischer.

5- Was ist die bessere Vorgehensweise beim Verbinden mehrerer Schichten von Hochstromspuren: Platzieren eines Arrays oder Rasters von Durchkontaktierungen in der Nähe der Stromquelle oder Platzieren der Durchkontaktierungen in der gesamten Hochstromspur?

Ich vermute, dass die Anordnung in der Nähe der Stromquelle einen geringeren Nettowiderstand ergibt.

"Gibt es irgendwelche Probleme mit asymmetrischen Kupfergewichten? ZB 35 um auf den Schichten 1-4 und 70 um auf den Schichten 5 und 6?"

Frühe PCB-Fabriken hatten Probleme, es sei denn, die Schichten waren "ausgeglichen". Ich verstehe, dass moderne Leiterplattenfabriken diese Probleme nicht mehr haben, sodass die Leute im Prinzip unausgeglichene Leiterplatten herstellen können. Aber die meisten Leute stören sich nicht daran - die Standard-Dünnschicht-Innenschicht, Dickschicht-Außenschicht mit zwei unterschiedlichen Dicken ist für die meisten Bretter oft ausreichend.

Die beste Quelle für viele dieser Fragen ist der Leiterplattenhersteller, den Sie ausgewählt haben. Verschiedene Leiterplattenhersteller zeichnen sich durch unterschiedliche Leiterplattentypen aus: Einige bieten hervorragende Leistung bei hohen Geschwindigkeiten und engen Toleranzen. andere sind gut in Hochleistungsanwendungen. Die meisten tun so gut wie alles, was Sie verlangen, aber es kann eine Preisprämie geben.

Sie haben nicht erwähnt, ob der hohe Strom hohe Spannungen aufweist. In diesem Fall müssen Sie zusätzliche Anforderungen an das Kriech- / Luftvermögen erfüllen, um die Produktsicherheitsanforderungen zu erfüllen.

1. Es scheint, dass für viele Produktionshäuser 105 Mikron so hoch sind, wie es nur geht. Ist das richtig oder sind höhere Dicken möglich?

Es gibt eine viel kleinere Anzahl von Boardhäusern, die mehr als 3 Unzen leisten können. Wenn Sie Ihr Board jedoch so gestalten, können Sie es möglicherweise nicht mehr verwenden, da es nicht viele andere Optionen gibt. Ich würde höchstens bei 3 Unzen bleiben.

Viele Boardhäuser können 3 Unzen Kupfer verarbeiten. Aber denken Sie daran, dass viele Boardhäuser das 3-Unzen-Kupfermaterial nicht auf Lager haben. Wenn Sie es also verwenden, müssen Sie möglicherweise ein oder zwei zusätzliche Wochen warten, bis sie das Material bestellt haben. Dies war meiner Erfahrung nach normalerweise kein allzu großes Problem, solange Sie dies in Ihrem Projektplan planen.

2.Kann das Kupfer in den inneren Schichten so dick sein wie das Kupfer oben und unten auf der Platine?

Es ist normalerweise das Gegenteil.

Wenn Sie SMD-Komponenten auf die Platine legen, beträgt die äußere Schicht wahrscheinlich noch 1 Unze und einige der inneren Schichten 3 Unzen.

3. Wenn ich Strom durch mehrere Platinenschichten leite, ist es dann notwendig oder bevorzugt (oder sogar möglich?), Den Strom so gleichmäßig wie möglich über die Schichten zu verteilen?

Es ist sowohl bevorzugt als auch möglich, den Strom gleichmäßig zwischen den Schichten zu verteilen, es besteht jedoch keine Anforderung.

Die Berechnungen sind viel einfacher, wenn alle Ebenen gleich sind.

Der beste Weg, dies zu tun, ist sicherzustellen, dass die aktuellen Carying-Formen auf allen Ebenen identisch sind. Außerdem sollten alle Schichten an der Quelle und am Ziel miteinander verbunden sein, entweder durch ein Gitter von Durchkontaktierungen, ein Durchkontaktierungsloch oder beides.

Wenn Sie jedoch auf einer anderen Schicht Platz haben, verwenden Sie auf jeden Fall zusätzliches Kupfer, um die Wärme zu reduzieren.

4. Über die IPC-Regeln bezüglich der Spurweiten: Halten sie im wirklichen Leben? Für 30 Ampere und einen Temperaturanstieg von 10 Grad benötige ich, wenn ich die Grafiken richtig lese, etwa 11 mm Leiterbahnbreite auf der oberen oder unteren Schicht.

Ich habe die IPC-Empfehlungen für die Spurbreite ohne Probleme verwendet. Wenn Sie jedoch in mehreren Schichten einen hohen Strom haben, müssen Sie damit rechnen, dass der Temperaturanstieg für eine bestimmte Kupfermenge höher ist (verwenden Sie also mehr Kupfer, wenn Sie über ausreichend Platz verfügen).

Es lohnt sich auch, den Spurenwiderstand zu schätzen. Wenn Ihr CAD-Tool dies kann, können Sie einfach die Anzahl der Kupferquadrate von einem Ende zum anderen abschätzen. Der Widerstand beträgt typischerweise 0,5 Ohm pro Quadrat bei 1 Unze oder 166 Ohm pro Quadrat bei 3 Unzen. Berechnen Sie anhand des Stroms und des Widerstands die Spurenleistung. Vergewissern Sie sich, dass die Leistung angemessen ist, bevor Sie fortfahren.

Vergessen Sie auch nicht die Leistung, die durch Steckerkontakte, Crimps, Lötstellen usw. erzeugt wird. Diese Dinge summieren sich beim Umgang mit hohem Strom.

5.Wenn Sie mehrere Schichten von Hochstromspuren verbinden, was ist die bessere Vorgehensweise: Platzieren eines Arrays oder Rasters von Durchkontaktierungen in der Nähe der Stromquelle oder Platzieren der Durchkontaktierungen in der gesamten Hochstromspur?

Es hängt davon ab, ob Ihre Quelle und Ihr Ziel oberflächenmontiert oder durchbohrt sind.

Wenn es sich um ein Durchgangsloch handelt, bindet das plattierte Loch bereits alle Schichten zusammen, sodass möglicherweise keine zusätzlichen Durchkontaktierungen erforderlich sind.

Sie möchten, dass der Strom für so viele Routen wie möglich auf so vielen Ebenen wie möglich liegt. Bei SMD-Pads sollten sich daher Vias in der Nähe der Quelle und des Ziels befinden. Idealerweise würden Sie gefüllte Durchkontaktierungen direkt in das Pad einfügen, da Sie sonst Ihren gesamten Strom auf nur einer äußeren Schicht verlegen würden, bis Sie die ersten Durchkontaktierungen erreichen.

Wenn Sie die Durchkontaktierungen von der Quelle und dem Ziel entfernen, fließt ein Teil des Stroms für einen Teil der Route auf weniger Ebenen. Wenn Sie die Durchkontaktierungen gleichmäßig über den gesamten Pfad verteilen, wird wahrscheinlich der größte Teil des Stroms durch die ersten Durchkontaktierungen fließen (möglicherweise werden sie stark erwärmt), und dann wird weniger Strom durch die weiter entfernten Durchkontaktierungen fließen. Aus diesem Grund werden Sie diese Durchkontaktierungen nicht sehr effizient nutzen und benötigen insgesamt mehr Durchkontaktierungen. Da Durchkontaktierungen den Routing-Platz beanspruchen, kann dies die Größe Ihres Boards insgesamt erhöhen.