最高可靠性-功率电子设备可用的超厚铜PCB技术介绍

译 / 卤咸鱼是鹹魚啊。

超厚铜PCB

越来越多航天、军用和商用功率电子产品正在采用PCB行业的新趋势：超厚铜PCB。大部分常见的低压低功率用途PCB采用铜层重0.5 oz/ft^2到3 oz/ft^2的PCB。厚铜PCB的铜厚可以达到4 ~ 20 oz，20 oz以上铜厚的PCB一般称为超厚铜PCB。

采用超厚铜的PCB拥有以下优点：

• 对热应力耐受更好
• 更高的载流量
• 拐角处和PTH过孔处更强的机械强度
• 发挥特种材料的全部潜力（如高温）而不会导致电路失效
• 通过在同一层使用不同铜厚减少产品体积（如图1）
• 用最高120 oz铜厚将散热片直接置入PCB
• 板载高功率密度平面变压器

图1.1 同一层包括2 oz 10 oz 20 oz 30 oz铜厚

图1.2 同一层包括2 oz 10 oz 20 oz 30 oz铜厚

超厚铜电路的结构

标准PCB，无论双面或多层，都使用一种结合铜蚀刻和电镀的过程。电路层由薄铜箔开始（通常0.5 oz/ft^2 到2 oz/ft^2），蚀刻去除不需要的部分，镀铜以增加铜层和过孔厚度。所有板层使用FR-4或聚酰亚胺等的环氧树脂类物质压合成整体。

超厚铜电路板的制造方式与普通PCB完全相同，但采用特殊蚀刻和镀铜方式，如高速/分步镀铜和差异蚀刻。早期超厚铜PCB由超厚铜层的覆铜板整体蚀刻，导致线路侧壁不均匀和不能接受的咬边。镀铜技术的发展允许超厚铜层通过蚀刻和镀铜的组合方法实现，能够做到垂直的侧壁和可以接受的咬边。

超厚铜的镀层技术允许电路板制造商增加过孔和插件孔侧壁的铜厚。现在还可以混合超厚铜和普通铜厚在同一块板，也称为PowerLink技术。这可以减少层数，降低功率线路内阻，减小体积和降低成本。一般情况下，高压/大电流电路和对应的控制电路要使用分开的电路板分别生产。超厚铜技术使得集成高功率电路和控制电路来实现高密度的同时保持简洁的板结构变得简单。

超厚铜技术可以无缝连接至普通电路。设计师和制造商协商制造公差和能力后，超厚铜和普通电路板可以按照能实现的最小限制一同布线。

图2. 2 oz用于连接控制回路，20 oz用于连接功率回路

载流量和温升

由于温升和电流直接相关，覆铜线路可以安全承载的电流与设备能承受的温升有关。当电流流经线路时，电阻发热会导致I2R损失。线路通过向相邻的材料传到和向空间辐射进行散热。因而找到与电流相关的温升才能确定线路的最大电流。理想情况下，线路温度的上升速率应该等于散热速率。IPC公式可以用来计算。

铜厚(oz)	厚度(inch)	0.0625	0.1250	0.2500	0.5000	1.0000	2.0000	4.0000	8.0000	16.0000
1	0.0014	4.6	7.6	12.5	20.7	34.2	56.6	93.6	154.7	255.6
2	0.0028	7.6	12.5	20.7	34.2	56.6	93.6	154.7	255.6	422.5
4	0.0056	12.5	20.7	34.2	56.6	93.6	154.7	255.6	422.5	698.4
6	0.0084	16.8	27.8	46.0	76.0	125.5	207.5	343.0	566.9	937.1
8	0.0112	20.7	34.2	56.6	93.6	154.7	255.6	422.5	698.4	1154.4
10	0.0140	24.4	40.3	66.5	110.0	181.8	300.5	496.7	821.1	1357.1
12	0.0168	27.8	46.0	76.0	125.5	207.5	343.0	566.9	937.1	1548.9
14	0.0196	31.1	51.4	84.9	140.4	232.0	383.6	634.0	1047.9	1732.1
16	0.0224	34.2	56.6	93.6	154.7	255.6	422.5	698.4	1154.4	1908.1
18	0.0252	37.3	61.7	101.9	168.4	278.4	460.2	760.7	1257.3	2078.2
20	0.0280	40.3	66.5	110.0	181.8	300.5	496.7	821.1	1357.1	2243.2
24	0.0336	46.0	76.0	125.5	207.5	343.0	343.0	937.1	1548.9	2560.2
28	0.0392	51.4	84.9	140.4	232.0	383.6	634.0	1047.9	1732.1	2863.0
32	0.0448	56.6	93.6	154.7	255.6	422.5	698.4	1154.4	1908.1	3154.0
36	0.0504	61.7	101.9	168.4	278.4	460.2	760.7	1257.3	2078.2	3435.1
40	0.0560	66.5	110.0	181.8	300.5	496.7	821.1	1357.1	2243.2	3707.8
45	0.0630	72.5	119.8	198.0	327.3	541.0	894.3	1478.1	2443.2	4038.3
50	0.0700	78.2	129.3	213.7	353.3	584.0	965.2	1595.5	2637.1	4358.9
55	0.0770	83.8	138.6	229.0	378.6	625.7	1034.3	1709.6	2825.8	4670.8
60	0.0840		147.6	244.0	403.2	666.5	1101.7	1820.9	3009.8	4974.9
70	0.0980		165.0	272.8	450.9	745.3	1231.9	2036.2	3365.7	5563.1
80	0.1120		181.8	300.5	496.7	821.1	1357.1	2243.2	3707.8	6128.6
90	0.1260		198.0	327.3	541.0	894.3	1478.1	2443.2	4038.3	6675.0
100	0.1400		213.7	353.3	584.0	965.2	1595.5	2637.1	4358.9	7204.8
120	0.1680			403.2	666.5	1101.7	1820.9	3009.8	4974.9	8223.0
140	0.1960			450.9	745.3	1231.9	2036.2	3365.7	5563.1	9195.3
160	0.2240			496.7	821.1	1357.1	2243.2	3707.8	6128.6	10130.0
180	0.2520			541.0	894.3	1478.1	2443.2	4038.3	6675.0	11033.1
200	0.2800			584.0	965.2	1595.5	2637.1	4358.9	7204.8	11908.9

*表1. 超厚铜电路板20℃温升下不同线宽对应载流量，A

IPC-2221A电路板表面线路载流量计算公式[1]:
I = .048 * DT(.44) * (W * Th)(.725)

其中，I为电流（A），DT为温升（℃），W是线宽（mil），Th是线路厚度（mil）。内层线路需要至少50%余量。不同设备允许发热量不同。大部分绝缘材料可以允许100℃温升，但大部分场合这是不能接受的。

电路板强度和可靠性

电路板制造商和设计师可以从普通FR-4（温度最高130℃）到高温聚酰亚胺（温度最高250℃）中选择绝缘材料。高温或极端环境使用的电路板可能会需要聚酰亚胺等特种材料，但普通1 oz铜厚过孔和线路能否在此种极端环境下稳定工作？电路板行业研究了一种测试方法来测试PCB的热稳定性。热应力在PCB制造、组装和修理的多种过程中都会形成，铜和绝缘材料的热膨胀系数不同是压合的PCB中裂隙成核和裂隙生长的驱动力。热循环测试（TCT）在25℃~260℃的空气-空气热循环中检查电路阻抗的增加。

阻抗增加意味着铜线路中有裂缝而导致电连接失效。这个测试的一个标准被测是一串32个沉铜过孔，这是广泛认为的在热应力下最容易损坏的设计。

热循环测试结果显示在普通1oz铜厚下无论PCB使用何种材料其结果都不能接受。对一块标准FR4板、0.8 mil ~ 1.2 mil覆铜PCB的测试表明，32%的线路在8次循环后失效（20%阻抗增加即认为失效）。使用特种材料氰酸酯树脂的PCB失效率显示出大幅度改善（8次循环后3%），但是其成本太高（5到10倍的材料成本）而且很难处理。一遍普通的表面贴组装过程需要至少4次这样的循环，每次元件修理还会需要额外2次循环。

使用厚铜PCB可减小或彻底消除这类失效。给过孔孔壁镀一层2 oz铜将失效率降至几乎为0（TCT结果显示8次循环后0.57%失效率，普通FR-4，最小2.5 mil覆铜）。实际上，这个电路已不受热循环导致的机械应力的影响。

热管理

当前设计师们正努力使自己的产品价值和性能最大化，这使得PCB变得越来越复杂，功率密度越来越大。微型化，使用功率器件，极端环境和高功率需求使得热管理的重要性增强。在电子器件使用中经常会出现的以热能形式的损耗，需要从发热源导出并散发至环境中，否则器件可能过热和损坏。超厚铜电路板可以通过线路的铜导出元件产生的热量，从而辅助散热，降低元件损坏率。

散热片被用来散发电路板表面和内部热量，将热源的热量通过传导和辐射散发到环境中。电路板一面的热源或内部热源可以通过过孔（heat vias）传导到电路板另一面的大面积裸铜区域。一般来说，传统的散热片通过导热胶或硅脂连接到这一裸铜区域。有些场合也使用铆钉或螺钉。大部分散热片材料是铜或铝。

普通散热片的组装过程包括三个高成本和劳动强度的过程。这一过程需要大量时间和工作，并且不能自动化作业。对比之下，超厚铜电路板因为具有较厚的铜层可以用作散热片，因而可以直接将散热片印刷在电路板上。这一技术可以利用PCB表面的几乎任何区域，并且通过过孔直接连接到发热器件，因而大副提高了导热性能。另一优势是导热过孔的内壁厚度增加，降低了PCB的热阻，可以提高PCB制造过程中的精度和重复性。

板载平面变压器

由于扁平线圈实际上由覆铜板上的铜形成，其截面为扁平状降低了高频电流的趋肤效应，对比圆柱形导线提高了整体的功率密度。板载平面变压器因为在所有层之间使用了相同的绝缘材料，具有极佳的一次-二次绝缘和二次-二次绝缘。此外，一次绕组可以分开因而二次绕组可以被夹在一次绕组之间，实现更低的泄露电感。标准PCB压板技术使用多种不同的环氧树脂，可以安全的压合最多50层10 oz/ft2厚的铜绕组。

超厚铜电路板制作的平面变压器

在超厚铜PCB的制造过程中，需要镀上相当厚度的铜。因而在设计过程中公差必须被考虑到。设计师应在设计开始阶段就和生产厂家沟通，获取设计指导建议等。

军事应用

传统PCB应用于军事领域时设计师通常通过增加重复的层以增加3 ~ 4 oz铜，并联并交叉来分担电流。在实际中做不到完全平均分配电流，某些层会承载更多电流，产生更大的损耗，电路板会比设计时发热量更大。通过使用超厚铜的PCB、加厚的过孔和插件孔可以消除并联层的需要，从而消除多层并联时的负载不均衡。损耗产生的温升可以更为准确的估计。过孔和插件孔壁的厚铜可以极大降低热应力导致的失效，从而得到温度更低、更可靠的PCB。

超厚铜PCB的应用：

• 武器控制系统
• 雷达系统电源
• 高功率平面变压器绕组
• 配电盘
• 电池充电和监控系统

航空航天、军用领域的功率电子设备应用超厚铜PCB已有很多年，并在工业应用中逐渐增长。在未来市场需求将会继续扩展这类产品的应用。

参考文献：
[1] IPC -2221A

原文地址：
http://www.epectec.com/articles/heavy-copper-pcb-design.html