군사 및 항공 우주 응용 분야를 위한 두꺼운/무거운 구리 PCB의 설계 문제

Mil/Aero 전자 제품에 대한 PCB 요구 사항

전자 엔지니어가 군사/항공 우주(약칭 "mil/aero") 애플리케이션용 PCB 설계를 준비할 때 몇 가지 세부 사항과 성능 요구 사항을 고려해야 합니다. 일반적으로 mil 및 aero 제품 모두 다양한 작동 조건과 광범위한 작동 온도를 요구하는 것으로 알려져 있습니다. 그들은 사막과 같은 극한의 열이나 남극과 같은 극한의 추위와 함께 여러 엄격한 환경을 견딜 수 있어야 합니다. 극한의 온도 외에도 습도도 주요 고려 사항입니다. 따라서 밀/항공용 PCB를 설계하는 과정에서 온도 및 습도와 같은 제품의 특수 작업 조건을 신중하게 고려해야 합니다.

군사 및 항공우주 제품의 신뢰성은 PCB 설계 엔지니어가 집중해야 하는 주요 관심사였습니다. 제품 신뢰성의 핵심 측면으로 유통 기한은 주요 판단 기준으로 간주되었습니다. 미사일을 예로 들어보자. 목표물에 도달할 때까지 폭발이 허용되지 않습니다. 즉, 일반적으로 무해한 환경에서 작동해야 하고 비교적 짧은 수명이 특징입니다. 엔지니어들은 군사/항공 제품의 높은 신뢰성 때문에 군사 및 항공 우주 산업에 적용되는 회로 기판의 복잡성을 줄이는 것을 선호했습니다. 군사 및 항공 우주 부서는 해당 산업에서 실현 가능성이 입증될 때까지 전자 제품 제조의 새로운 기술에 대해 알기를 주저할 것입니다. 그러나 현재 밀/항공 전자 제품의 기능 요구 사항은 전자 설계 엔지니어가 단순한 설계 아이디어와 경험에만 집착하는 것을 막습니다. 그들 중 일부는 새로 등장한 PCB 제조 기술을 수용하기 시작했습니다.

PCB 기술과 복잡성이 증가함에 따라 전자 엔지니어는 제품이 보안, 비용 및 성능 요구 사항 간의 최적 균형에 도달하여 제조 위험을 최소화할 수 있도록 PCB 설계 규칙과 PCB 제조 기술에 집중해야 합니다.

성공적인 PCB 제조는 전자 설계 엔지니어와 제조 엔지니어 간의 빈번하고 원활한 의사 소통에 달려 있으며 이를 염두에 두어야 합니다. 설계 엔지니어는 트레이스 폭, 간격, 패드 크기 및 비아 직경 등과 같은 제조업체의 세부 기능을 완전히 알고 있어야 합니다. 또한 PCB 유형, 재료, 쓰루 홀 구조 및 전력 측면에서 모든 요구 사항을 고려해야 합니다.

mil/aero 제품 설계와 관련하여 엔지니어는 MIL 표준을 준수해야 합니다. 다른 품질 표준도 참조로 적용할 수 있습니다. 예를 들어, IPC 표준은 검사 항목 및 품질 표준에 사용할 수 있습니다.

현재 사람들은 광범위한 성능 매개변수 변화를 포괄하는 고속 전송 기판 재료를 선호하는 경향이 있습니다. 보다 복잡한 전자 제품의 구조에서 기판 공급자가 제공하는 데이터 시트는 일부 유형의 기판 재료가 다른 유형보다 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 나타낼 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 PCB 제조업체의 경험은 어느 정도 특히 실제 상황에 따라 기판 재료 성능을 진정으로 인식하고 있기 때문에 결코 과소평가될 수 없습니다. 예를 들어 PCB 설계자는 리드의 임피던스를 파악할 수 있지만 다른 제조 방법으로 인해 임피던스가 설계 요구 사항과 호환되지 않을 수 있습니다.

구조는 또한 불필요한 비용을 피하거나 복잡한 구조로 인한 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있기 때문에 밀/항공 PCB에서 중요한 역할을 합니다. 그리고 더 복잡한 군사/항공 전자 제품의 경우 구조도 제품의 제조 가능성에 영향을 미칩니다.

역사적으로 비용 문제는 군사 및 항공 우주 전자 제품에서 거의 고려되지 않았습니다. 그러나 제품 제조 비용의 증가는 실제로 제조 과정에서 위험 감소에 도움이 될 것이라는 점을 인정해야 하며, 이는 결국 가치가 있습니다. PCB 도입 과정에서 연구 개발 기간을 늘리고 제조 준비에 앞서 데이터 무결성을 검토하여 위험을 낮출 수 있습니다.

Mi/Aero 애플리케이션을 위한 두꺼운/무거운 구리 PCB

• 정의

고전력의 Mil/Aero 전자 제품은 PCB에 대한 새로운 요구 사항을 야기하며, 이는 두꺼운/무거운 구리 PCB 또는 극한 구리 PCB의 생성을 유발합니다. Heavy Copper PCB는 도체가 구리 두께가 137.2μm에서 686μm 범위 내에 있는 회로 기판을 말하며, 구리 두께가 686μm 이상 또는 6860μm에 도달하는 회로 기판을 익스트림 구리 PCB라고 합니다.

무거운 구리 PCB의 구조적 이점은 다음과 같습니다.
a. PCB의 항응력 기능이 강화되어 열응력에 견딜 수 있음.
b. PCB 운반 전류 용량 향상,
c. 냉각 핀을 조립할 필요 없이 PCB 열 방출 능력 증가,
d. 레이어와 도금된 스루 홀 사이 레이업의 기계적 강도 향상,
e. 보드에 배치된 고전력의 평면 변압기에 적용 가능.

각 동전에는 양면이 있습니다. 이러한 장점 외에도 무거운 구리 PCB에는 몇 가지 단점도 있습니다. 잠재적인 기능과 응용 프로그램을 사용하는 방법을 명확하게 이해할 수 있도록 무거운 구리 PCB의 구조에 대한 두 가지 측면을 모두 인식하는 것이 중요합니다.

• 무거운 구리 PCB의 건설

표준 FR4 PCB와 유사하게 무거운 구리 PCB는 고속 도금 및 편차 에칭과 같은 특수 에칭 및 도금 기술이 적용된 동일한 제조 방법을 특징으로 합니다. 과거에 사람들은 에칭만으로 무거운 구리 PCB를 제조하려고 시도했습니다. 이 방법으로 제작된 일부 회로기판은 가장자리 라인이 고르지 않고 마진이 과도하게 식각되어 스크랩이 발생했습니다. 이를 피하기 위해 나중에 고급 도금 및 에칭 기술을 적용하여 직선 모서리와 최적의 마진 에칭을 달성할 수 있었습니다.

두꺼운 구리 PCB에 도금하면 PCB 제작자가 도금된 스루홀 벽과 스루홀 벽을 ​​모두 두껍게 만들 수 있으며 다음과 같은 장점이 있습니다.
a. 레이어 수 축소,
b. 임피던스 분포 감소,
c. 포장 최소화,
d. 제조원가 감소

두꺼운 구리 PCB는 일반 기판에 매끄럽게 부착할 수 있습니다. 추적 및 회로 기판의 최소 간격 및 허용오차 및 제조 능력 범위의 경우 본격적인 제작에 앞서 설계 엔지니어와 제조업체 간의 논의를 통해 결정해야 합니다.

• 전류 운반 능력 및 온도 상승

무거운 구리 PCB는 얼마나 많은 전류를 전달할 수 있습니까? 이 질문은 일반적으로 전자 설계 엔지니어에게 달려 있습니다. 그것은 구리 두께와 너비 및 최대 온도 상승을 포함합니다. 무거운 구리 PCB는 결정을 견딜 수 있습니다. 무거운 구리 PCB가 구동되는 과정에서 발생하는 열은 전류와 밀접한 관련이 있기 때문에 이런 질문이 나옵니다.

전류가 전선을 통과할 때 운전 중 소비 전력은 원래 전력의 12%이므로 손실된 전력은 국부적으로 전이 열을 생성하고 열 전도 방식으로 주변으로 소산됩니다. 무거운 구리 PCB에서 견딜 수 있는 최대 전류 와이어를 찾아야 하고 온도 상승 및 해당 부과 전류를 판단하는 방법을 파헤쳐야 합니다. IPC-2221A의 지침에 따르면 외부 와이어에 의한 전류 용량을 나타내는 공식을 사용할 수 있습니다. I =0.048 x DT ^0.44 x 너비 x 목 ^0.725 .

이 공식에서 I는 전류를 나타냅니다(단위:A). DT는 온도 상승을 나타냅니다(단위:°C). W는 선폭(단위:μin)을 나타냅니다. Th는 트레이스 두께를 나타냅니다(단위:μin). 내부 트레이스의 전류 전달 용량은 외부 트레이스의 50%입니다.

표 1은 공식에 따라 서로 다른 단면적에 대해 30°C의 온도에서 통전 전류를 나타내는 통전 용량을 요약했습니다.

표 1 고정 트레이스 폭(온도 상승은 30°C임)에서의 전류(A)

PCB 제조업체 및 설계자는 작동 온도가 130°C인 일반 FR-4 에폭시 수지 기판 재료에서 높은 Tg 기판 재료에 이르기까지 다양한 성능의 기판 재료를 사용할 수 있습니다. 지금까지 완성된 PCB 제품의 내열 품질을 테스트하기 위한 일련의 방법이 개발되었습니다. 구리와 기판 재료 사이의 열팽창성 측면에서 차이로 인해 "구동력"이 이들 사이에 생성됩니다. 즉, 실제로 열 응력이 발생하여 균열, 뭉침 및 성장을 유발할 수 있으며, 이는 결국 PCB를 실패로 몰아갑니다.

관통 구멍의 열 충격 방지 능력에 대한 순환 테스트에서 32개의 직렬 도금된 관통 구멍 세트가 기판의 샘플로 설계되었으며 열 충격 테스트 후에 상황이 확인됩니다. 첫 번째 불량 도금 관통 구멍은 회로 기판이 견딜 수 있는 열 응력으로 결정됩니다. 열 충격 순환에 무거운 구리 PCB를 적용하면 오류가 줄어들거나 제거됩니다.

• 열 발산 분석

전자부품이 동작하는 과정에서 열원(부품)에서 발생하여 주변으로 방사되어야 하는 발열의 형태로 고전력 손실이 발생한다. 그렇지 않으면 구성 요소가 과열되거나 고장이 발생합니다. 그러나 Heavy Copper PCB는 다른 유형의 회로 기판보다 더 효과적으로 열을 발산할 수 있으므로 기판의 고장률이 크게 감소합니다.

열을 쉽게 발산시키기 위해 열전도, 복사 또는 대류를 통해 방열된 열을 공기 중으로 밀어내는 일종의 냉각 핀이 요구됩니다. 일반적으로 냉각핀의 열원 반대쪽은 구리 도금 관통 구멍을 통해 구리 영역에 연결됩니다.

일반적으로 일반 냉각 핀은 열전도를 통해 PCB의 구리 코팅 영역과 연결됩니다. 연결을 위해 리벳이나 나사를 사용하는 상황도 있습니다. 대부분의 냉각 핀은 구리 또는 알루미늄으로 만들어집니다.

따라서 두꺼운 구리 PCB에서 달성할 수 있는 PCB 제조 중에 냉각 핀을 조립하는 것이 매우 중요합니다. 회로 기판 표면의 구리 층은 전기 도금을 통해 두꺼워질 수 있어 기판 표면의 열 전도 특성을 향상시킵니다. 이 방법의 또 다른 장점은 Thermal thru-hole 구리 도금층을 두껍게 할 수 있고 두꺼운 구리 PCB의 내열성을 감소시킬 수 있다는 것입니다.

무거운 구리 PCB가 군사 및 항공 우주 산업에서 대용량 부품을 운반하는 데 사용된 이후로 오랜 시간 동안 이러한 유형의 무거운 구리 PCB가 가까운 장래에 다양한 산업에 널리 적용될 것입니다.

유용한 리소스:
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