Grube warstwy miedzi w obwodach drukowanych - zastosowanie i projektowanie

W artykule przedstawione zostaną typowe zastosowania obwodów drukowanych o grubych warstwach mozaik, ich zalety, zasady projektowania i ograniczenia technologiczne. Informacje te umożliwią prawidłowe zaprojektowanie takich obwodów oraz ich produkcję przy zachowaniu optymalnych kosztów.

Zastosowania

Rys. 1. Przykładowe obwody drukowane z grubymi warstwami folii miedzianej

Obwody drukowane o grubych warstwach mozaik, których wygląd przedstawiono na rys. 1, mogą być wykonywane jako jedno-, dwu- i wielowarstwowe. Początkowo były one głównie wykorzystywane w kosmonautyce oraz branży wojskowej, gdzie pracują przede wszystkim w urządzeniach systemów zasilania, zarządzania i dystrybucji energii. Obecnie obwody te znalazły zastosowanie w wielu sektorach przemysłu: przy produkcji sprzętu spawalniczego, paneli solarnych, różnego typu zasilaczy i przetwornic dużych mocy, w energetyce, w przemyśle motoryzacyjnym i kolejowym.

Obwody drukowane z grubymi warstwami folii miedzianych mają szereg walorów. Z uwagi na to, że miedź jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu oraz ciepła, stosowanie grubych mozaik usprawnia transfer ciepła na wskroś i wzdłuż obwodu, co redukuje szkodliwe naprężenia powstałe w wyniku nierównomiernego rozgrzania płyty. Naprężenia mogą wywoływać mikropęknięcia mozaiki prowadzące do okresowych lub trwałych rozwarć i w efekcie do niesprawności urządzenia.

Rys. 2. Transfer i rozpraszanie ciepła poprzez mozaiki

Dobry transfer ciepła umożliwia montowanie klasycznych radiatorów wprost do powierzchni mozaik. Często stosowane jest także rozwiązanie, w którym elementy mocy generujące ciepło znajdują się na jednej stronie obwodu, cała druga strona, pokryta warstwą miedzi, stanowi radiator, a transfer ciepła pomiędzy warstwami zapewniają matryce przelotek (rys. 2). Techniki takie pozwalają istotnie zredukować koszty montażu i produkcji urządzeń.

Zaletą grubej warstwy przewodnika jest także zwiększona wytrzymałość termiczna oraz obciążalność prądowa obwodów, która prowadzi do poprawy niezawodności urządzeń pracujących w niekorzystnych warunkach środowiskowych, szczególnie w wysokich temperaturach. Rośnie także odporność mechaniczna punktów kontaktowych oraz otworów metalizowanych.

Rys. 3. Przekrój transformatora planarnego z laminatem dwustronnym (a) oraz widok gotowego modułu transformatora na bazie obwodu wielowarstwowego (b)

Innym przykładem wykorzystania tego typu obwodów drukowanych są miniaturowe transformatory planarne (rys. 3), które coraz powszechniej stosuje się w przetwornicach impulsowych. W odróżnieniu od typowych transformatorów tu uzwojenia wykonane są na płaszczyźnie obwodu w postaci ścieżek uformowanych w cewki.

Uzwojenia rozmieszczone są wokół wycięć, w które wchodzą elementy rdzenia ferrytowego łączone ze sobą sprężystymi klamrami (rys. 3a) lub klejone (rys. 3b). Dzięki takiemu rozwiązaniu transformatory te mają bardzo małe wymiary, a rozproszona indukcyjność ich uzwojeń jest niewielka. Planarne wykonanie uzwojeń wpływa ponadto korzystnie na ich chłodzenie oraz na redukcję zjawiska naskórkowości, które pogarsza sprawność energetyczną transformatorów.

Zasady projektowania

Tab 1. Zależność parametrów DRC od grubości początkowej folii miedzianej

Podczas projektowania obwodów o grubych warstwach przewodnika należy mieć przede wszystkim na uwadze możliwości technologiczne producentów, które są uwarunkowane maszynami, jakimi dysponują w ciągu technologicznym oraz roztworami chemicznymi używanymi do trawienia. Możliwości techno logiczne definiują wartości parametrów DRC (Design Rule Check), które określają minimalne dopuszczalne rozmiary elementów mozaik oraz odległości pomiędzy nimi. Wartości parametrów DRC producenta obwodów TS PCB przedstawiono w tabeli 1. Jak widać, parametry DRC powiększają się wraz ze wzrostem grubości folii miedzianej.

W procesie trawienia grubych mozaik występuje zjawisko tzw. podtrawiania objawiające się ubytkiem szerokości ścieżek. Zjawisko to zobrazowano na poniższym rysunku, który prezentuje przekrój poprzeczny laminatu przed (rys. 4a) oraz po trawieniu (rys. 4b). Oznaczone na rysunku elementy Resist są warstwą ochronną, która dla obwodów jednostronnych jest fotopolimerem, dla dwu- i wielowarstwowych cyną nakładaną na zakończenie procesu galwanizacji.

Rys. 4. Przekrój poprzeczny laminatu przed (a) i po trawieniu (b)

W wyniku podtrawiania przekrój poprzeczny ścieżek zmniejsza się i zmienia kształt z prostokątnego na trapezowy. W przypadku projektowania obwodów wielowarstwowych o grubych warstwach przewodzących należy zwrócić szczególną uwagę na poziom wypełnienia miedzią warstw wewnętrznych.

Zbyt małe wypełnienie przy niskim poziomie żywicy powoduje zjawisko tzw. głodu żywicy, które objawia się występowaniem pustych przestrzeni pomiędzy warstwami obwodu i prowadzi do delaminacji materiału. Te niekorzystne zjawiska oraz sposoby przeciwdziałania im zostały szerzej omówione w artykule autorstwa technologa firmy TS PCB, Rafała Tomaszewskiego, pt. "Budowa, właściwości i projektowanie wielowarstwowych obwodów drukowanych", który ukazał się w lipcowym numerze "Elektronika".

Aby uniknąć zjawiska delaminacji, wystarczy dla warstw wewnętrznych o grubości miedzi 105 µm i większej zapewnić wypełnienie miedzią na poziomie co najmniej 75%, przy jednoczesnym zachowaniu jak najbardziej równomiernego rozkładu miedzi. W celu doboru typu i liczby prepregów zaleca się korzystanie z oprogramowania wspierającego projektowanie budów obwodów wielowarstwowych, np. MultiCal firmy Isola lub Multilayer Architect oferowany przez Technolam.

Rys. 5. Niedostateczne (a) i prawidłowe (b) wypełnienie warstw wewnętrznych miedzią o grubości 140 μm

Powyżej zamieszczono rysunki opracowane w programie Multical przy zbyt niskim (rys. 5a) i prawidłowym (rys. 5b) poziomie wypełnienia miedzią przewodzących warstw wewnętrznych. Zmniejszenie wypełnienia miedzią z 75% do 50% powoduje znaczny spadek poziomu wypełnienia żywicą o 69%. W rzeczywistym obwodzie wyprodukowanym z budową przedstawioną na rys. 5a wystąpi defekt spowodowany "głodem żywicy" - delaminacja.

Proces galwanizacji obwodów z warstwami przewodzącymi o grubościach przekraczających 105 µm wymaga nałożenia większej ilości miedzi galwanicznej rzędu 40÷50 µm niż w przypadku obwodów o cieńszych warstwach miedzianych, dla których warstwa miedzi galwanicznej ma grubość typowo 25 µm.

Wzmacnia ona wytrzymałość mechaniczną otworów metalizowanych, ale równocześnie może powodować zmniejszenie średnic końcowych niektórych przelotek, przekraczające 0,1 mm, które jest zakładane dla obwodów z cieńszą miedzią. Wartość tę przyjmuje się jako średnią grubość metalizacji wewnątrz ścianek otworów metalizowanych i dodaje do średnic występujących w projekcie otworów w celu wyznaczenia średnic wierteł.

Innym następstwem stosowania grubych warstw miedzi jest znaczny przyrost końcowej grubości obwodu drukowanego, ponieważ oprócz miedzi wymagane jest nakładanie grubszej warstwy maski antylutowniczej w celu odpowiedniego zabezpieczenie krawędzi mozaik. W wyniku tego finalna grubość obwodu rośnie o co najmniej 0,25 mm w stosunku do grubości początkowej.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono charakterystykę obwodów drukowanych o grubych warstwach przewodzących. Omówiono dziedziny zastosowań tego typu obwodów, zasady ich projektowania oraz ograniczenia technologiczne. Wykorzystanie zamieszczonych informacji pozwala wyeliminować proces omawiania projektów z klientami na etapie przygotowywania dokumentacji CAM oraz uzyskać możliwie niski koszt produkcji obwodów drukowanych przy zachowaniu stałej wysokiej jakości i niezawodności.

Jerzy Bień
Technolog
TS PCB Techno-Service S.A.
www.pcb-technoservice.eu