Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2024-06-21 Herkunft:Powered
Hochleistungs-PCB ist eine Leiterplatte aus schwerem Kupfer.Im Vergleich zu anderen Leiterplatten sind Hochleistungs-Leiterplatten in der Lage, höhere Stromstärken zu bewältigen, sie halten hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum stand und bieten starke Verbindungspunkte.
Hochleistungs-PCB-Funktionen
Hochleistungs-PCB-Designs werden für bestimmte Geräte hergestellt, die höhere Strommengen benötigen und häufig unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.
Damit sie effektiv funktionieren, enthalten Hochleistungs-PCB-Designs die folgenden Merkmale: Kupferschichten in Hochleistungs-PCB-Designs sind dicker und schwerer als Kupferschichten in anderen PCBs und können höhere Ströme leiten.
Diese Fähigkeit, höhere Ströme zu leiten, wird mit der Fähigkeit zur Wärmeableitung kombiniert, was dazu beiträgt, dass es beim Betrieb eines aus der Leiterplatte gefertigten Geräts nicht zu Kurzschlüssen kommt.Aus diesen Gründen sind Hochleistungs-Leiterplatten in der Lage, den schwankenden Temperaturen beim Gerätegebrauch standzuhalten und sich an diese anzupassen.
1. Arten von Hochleistungs-PCB-Designs
Es gibt viele Hochleistungs-PCBs auf dem Markt.Hier sind 3 gängige Klassifizierungsstandards:
1. Doppelseitige Hochleistungsplatine
Hierbei handelt es sich um Hochleistungsleiterplatten, die den beidseitigen Einbau von Bauteilen ermöglichen.Dies ist ein Einstiegsprodukt, das auf Hochleistungs-PCBs hergestellt wird.
Die Verwendung von Durchkontaktierungen und die abwechselnde Verkabelung zwischen der oberen und unteren Schicht machen sie im Vergleich zu einseitigen Hochleistungs-Leiterplatten effizienter und zuverlässiger.
2. Starrflexibles Hochleistungs-PCB-Design
Hochleistungs-Leiterplatten bestehen aus starren und flexiblen Schaltungsträgern.
Starrflex-Hochleistungsplatinen bestehen typischerweise aus mehreren Lagen flexibler Substrate, die dann mit einer oder mehreren starren Platinen verbunden werden.
Starr-Flex-PCB-Design
Diese Befestigung erfolgt intern oder extern, und die beabsichtigte Anwendung der Hochleistungs-Starrflexplatine ist entscheidend für die Art der Verbindung.
Darüber hinaus sind flexible Komponenten darauf ausgelegt, jederzeit flexibel zu sein.Diese Flexibilität ist in Ecken und Bereichen nützlich, in denen zusätzlicher Platz benötigt wird.Starre Untergründe sind in Bereichen hilfreich, in denen zusätzliche Unterstützung benötigt wird.
Mit diesen Eigenschaften wird sichergestellt, dass sich diese Hochleistungs-Starrflex-Boards während der Herstellung und Installation biegen können.Durch die Rigid-Flex-Technologie passen Hochleistungs-Leiterplatten in kleinere Anwendungen, was zu mehr Leistung und Komfort führt.
3. Mehrschichtiges Hochleistungs-PCB-Design
Mehrschichtige Hochleistungsleiterplatten verfügen über mindestens drei leitende Schichten.Quer durchkontaktierte Leiterplatten sind die am häufigsten verwendete elektrische Verbindungsstrategie bei diesen Leiterplatten.
Abhängig vom Verwendungszweck der Leiterplatte können die leitfähigen Schichten bis zu zwölf Schichten umfassen.Allerdings stellen einige Unternehmen inzwischen Leiterplatten mit bis zu 100 Schichten her, was Platz für die Herstellung einiger der komplexesten Hochleistungs-Leiterplattenanwendungen bietet.
Mehrschichtige Leiterplatte
2. Vorteile des Hochleistungs-PCB-Designs
Hochleistungs-PCB-Design
1. Erhöhen Sie die Toleranz gegenüber thermischer Belastung
Das dicke Kupfer von Hochleistungs-PCBs ermöglicht es ihnen, den thermischen Belastungen standzuhalten, denen sie ausgesetzt sind.Daher sind Geräte aus Hochleistungs-PCBs in der Lage, thermischen Schwankungen standzuhalten, was sie zuverlässig macht, weshalb sie im Allgemeinen bei der Herstellung militärischer Anwendungen eingesetzt werden.
2. Strombelastbarkeit erhöhen
Schweres Kupfer ermöglicht es Hochleistungs-Leiterplatten außerdem, große Ströme ohne große Belastung zu leiten.Hohe Ströme auf Leiterplatten mit leichterem Kupfer sind anfällig für Ausfälle und Ausfälle.
Geräte wie Leistungstransformatoren sind sehr hohen Strömen ausgesetzt und ohne Hochleistungs-PCBs ist es wahrscheinlich, dass sie ausfallen oder Schaltkreiskatastrophen verursachen.
3. Erhöhen Sie die mechanische Festigkeit der Verbindungsteile und PTH-Löcher
Das schwere Kupfer, das zur Herstellung von Hochleistungs-Leiterplatten verwendet wird, verleiht ihnen mechanische Festigkeit, die für die Unterstützung der auf der Platine montierten Komponenten sehr wichtig ist.Bei Hochleistungs-Leiterplatten sind die Steckverbinderteile verstärkt.Dies reicht bis zu den Durchgangslöchern, die ebenfalls aus Kupfer bestehen.
4. Reduzieren Sie die Produktgröße
Das Hochleistungs-PCB-Design trägt auch zur Reduzierung der Produktgröße bei.Dies wird durch die Kombination mehrerer Kupfergewichte auf derselben Schicht des Schaltkreises erreicht, was seine Bevorzugung bei militärischen Anwendungen erklärt, da die meisten Produkte tragbar sein müssen.
5. Wärmeübertragung zum externen Kühlkörper
Durch die Verwendung von stark verkupferten Durchgangslöchern kann eine hohe Stromübertragung durch die Leiterplatte erreicht werden.Dies trägt dazu bei, die Wärme an einen externen Kühlkörper zu übertragen, was Hochleistungs-Leiterplatten zu den effektivsten Leiterplatten für Anwendungen macht, die für einen effizienten Betrieb einen hohen Strom erfordern.
Kühlkörper in Hochleistungs-PCB-Designs können auch direkt auf der Platine plattiert werden, was erklärt, warum Hochleistungs-PCB-Designs in der Industrie häufig verwendet werden.
3. Beispiel für ein Hochleistungs-PCB-Designschema
Hier ist ein Beispiel für ein Hochleistungs-PCB-Design basierend auf dem Atmega328-Mikrocontroller.Die Platine steuert zwei Gleichstrommotoren mit integriertem H-Brücken-Treiber.Da die H-Brücke auch nahezu jede induktive/ohmsche Last ansteuern kann, kann sie auch ein Hochstrom-LED-Panel ansteuern, wobei angegeben wird, dass jeder Ausgang eine Last von 15 A antreibt, also insgesamt 30 A.
Hochleistungs-PCB-Design
Das obige Schema verwendet zwei integrierte H-Brückentreiber VNH5019A, von denen jeder kontinuierlich 30 A treiben kann.Der Atmega328 steuert die Logik des Treibers und eine einzelne 12-V-Gleichstromversorgung versorgt die Platine mit Strom.
Der Ausfall des Schaltreglers sorgt für die 5-V-Gleichstromversorgung des ATmega.Der VNH hat die gesamte Logik hochgezogen, mit Ausnahme der Ina/b-Leitungen, die die Drehrichtung des Motors festlegen.Wenn mehr Kontrolle erforderlich ist, können Sie die ENa/b-Pins vom ATmega aus steuern.
Der VNH ist in der Lage, den Großteil des Rücklaufschutzes zu bewältigen, es ist lediglich ein 1000uF-Elektrolytkondensator erforderlich.Als Haupteingang für die 12-V-Gleichstromversorgung wird hier eine Schraubklemme 74651195R mit 85 A und als Motorausgänge zwei Schnappklemmenblöcke 1792229 mit 30 A verwendet.
Jeder VNH-Treiber verfügt über eine 30-A-Eingangssicherung und eine 15-A-Sicherung.Die Sicherung für den Treiber befindet sich vor dem Treiber, und da der Treiber 30 A liefern kann, sollte die Sicherung durchbrennen, bevor der Treiber überlastet wird.
Dies stellt sicher, dass beide Seiten abgeschaltet sind, wenn die Sicherung durchbrennt, da der Treiber überhaupt keinen Strom mehr hat.Eine andere Möglichkeit besteht darin, die beiden Ausgänge des H-Brücken-Treibers abzusichern. Dies kann jedoch dazu führen, dass eine Seite nach dem Kurzschluss noch heiß ist.
5. Tipps zum Design von Hochleistungs-PCBs
1. Berücksichtigen Sie die Sicherheit
Wie bei jedem Schaltkreis besteht das Hauptanliegen bei Hochstromschaltkreisen darin, sicherzustellen, dass sie sicher funktionieren.Es gibt einige einzigartige potenzielle Probleme bei Platinen, die so hohe Lasten antreiben, und das Wichtigste, worauf man achten sollte, ist die Hitze.Unabhängig davon, wie Sie die Platine gestalten und anordnen, erzeugt sie mehr Wärme als eine Standardplatine.
Dies muss bei der Herstellung des Gehäuses immer berücksichtigt werden und es sollten externe Lüftungsschlitze/Lüfter verwendet werden.Bei allen Designs, die mehr als ein paar A ansteuern, wird ein dedizierter Temperatursensor auf der Leiterplatte installiert.Dies ist ein großartiger Firmware-basierter Fehlerschutz.Mit der Möglichkeit zur Temperaturüberwachung sollten Sie jederzeit in der Lage sein, auf eventuelle Überhitzungszustände zu reagieren.Um die von der Platine selbst erzeugte Wärme zu reduzieren, ist es am besten, Komponenten mit geringem Widerstand zu wählen.
Das nächste potenzielle Sicherheitsrisiko sind Kurzschlüsse.Da diese Platine für den Betrieb von Hochleistungsgeräten ausgelegt ist, kann sie bei einem Kurzschluss einen beträchtlichen Strom liefern.Es ist wichtig, diese Möglichkeit während der Entwurfsphase zu berücksichtigen.Die einfachste Möglichkeit, einen Kurzschluss zu beheben, besteht darin, an allen Ausgängen, die die Platine verlassen, sowie einer Eingangssicherung eine Sicherung zu installieren.Sicherungen sollten immer für weniger Strom ausgelegt sein, als die verwendeten Drähte verarbeiten können.Sie sollten außerdem für eine geringere oder gleiche Stromstärke ausgelegt sein, für die die Leiterbahn/das Ausgießen der Platine ausgelegt ist.Es ist auch eine gute Idee, einen Treiber mit integriertem Kurzschlussschutz zu verwenden.
2. PCB-Leistungsdesign
Die Einrichtung des Strompfads ist die wichtigste Regel für Hochleistungs-PCB-Schaltkreise. Sie ist entscheidend für die Bestimmung der Position und der Strommenge, die durch den Schaltkreis fließen soll, sowie für die Position des IC und die Menge der Wärmeableitung vom Vorstand gefordert.
Es gibt viele Faktoren, die das Layout eines bestimmten Designs beeinflussen:
Die erste Überlegung sollte die Menge an Strom sein, die durch den Stromkreis fließt
Ebenso wichtig ist die Umgebungstemperatur des Geräte- und Platinendesigns
Auch der erwartete Luftstrom um das Gerät und sogar die Platine herum sollte berücksichtigt werden
Ein weiterer Gesichtspunkt ist das verwendete Plattenmaterial
Ein letzter und ebenso wichtiger Faktor ist die IC-Dichte der Platine, die verwendet werden soll
3. PCB-Design-Layout
Das Platinenlayout sollte bereits in den frühen Phasen der PCB-Entwicklung berücksichtigt werden.Eine wichtige Regel, die für jede Hochleistungsplatine gilt, besteht darin, den Pfad zu bestimmen, dem die Leistung folgt.Der Ort und die Menge der durch den Schaltkreis fließenden Energie sind wichtige Faktoren bei der Beurteilung der Wärmemenge, die die Leiterplatte abführen muss.Zu den Hauptfaktoren, die das Layout der Leiterplatte beeinflussen, gehören:
Der durch den Stromkreis fließende Leistungspegel;
Die Umgebungstemperatur, bei der die Platine betrieben wird;
Die Menge des Luftstroms, der auf das Board einwirkt;
Die zur Herstellung der Leiterplatte verwendeten Materialien;
Die Dichte der Komponenten, die die Platine bestücken.
Normalerweise wird jedoch bevorzugt, eine solche Platine in Abschnitte mit niedriger und hoher Leistung zu unterteilen.Dadurch wird sichergestellt, dass alle Hochleistungsleiterbahnen so nah wie möglich an der Stromversorgung und dem Ausgang liegen.Die Platine besteht aus 2 Schichten mit 2 Unzen Kupfer.
Bei der Herstellung von Hochstrom-Leiterplatten habe ich gelernt, ein grobes Anfangslayout mit 8-mil-Leiterbahnen auf allem zu erstellen, um sicherzustellen, dass die Komponenten optimal platziert werden.Dies hat bei diesem Beispiel sehr geholfen, da es genau zeigte, wo sich die Hochstrompfade befanden und wie man die H-Brücken-Treiber am besten positioniert.
Grobes Platinenlayout mit 8-mil-Leiterbahnen
Das Bild oben zeigt das anfängliche Layout aller Komponenten sowie die 8-mil-Leiterbahnen, die zur Angabe des Pfads für alle endgültigen Leiterbahnen verwendet werden.Die Stromversorgung erfolgt über die unteren Anschlüsse, geht zur Eingangssicherung, verzweigt zu den H-Brücken-Treibern und die Niederstromleistung wird durch die Mitte der Platine zum 5-V-Regler geleitet.
Bei den H-Brücken-Treibern erfolgt die Stromversorgung über große Elektrolytkondensatoren auf der unteren Schicht, die die obere Schicht und die Pads über viele Verbindungsdurchgänge verbinden.
PCB-Hochleistungsdesign
4. Komponentenauswahl
Hochstromkonstruktionen und Stromversorgungssysteme verdanken ihre Zuverlässigkeit oft vor allem den Komponenten.So offensichtlich es auch klingen mag: Stellen Sie sicher, dass Sie bei der Auswahl die Sicherheitsmargen der Komponenten berücksichtigen.Im Allgemeinen ist es am besten, sich zunächst zwei Spezifikationen anzusehen:
Nennstrom, insbesondere für MOSFET- und Induktorkomponenten
Wärmewiderstand
Sie können den geschätzten oder geplanten Betriebsstrom (falls verfügbar) verwenden, um die Verlustleistung zu bestimmen, oder die erste Spezifikation oben verwenden, um einen Worst-Case-Wert zu erhalten.Beides hilft beim Wärmemanagement, das die Verwendung von Wärmewiderstandswerten zur Schätzung der Temperaturen erfordert.Bei einigen Komponenten können Sie feststellen, ob zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit ein Kühlkörper erforderlich ist.
Andere Komponenten, die für Hochstromplatinen wichtig sind, wie z. B. Steckverbinder, können sehr hohe Nennwerte haben und sind in Stromversorgungssystemen nützlich.Nachfolgend sind zwei Beispiele für Steckverbinder mit Maschinenschraubklemmen aufgeführt, die sehr hohe Ströme bewältigen können.
Verbinder
5. Richtiges Kupfergewicht
Der in den Leiterbahnen verwendete Kupferwiderstand erzeugt Gleichstromverluste, die in Form von Wärme abgeführt werden.Bei Designs mit sehr hohem Strom wird dies sehr wichtig, insbesondere wenn die Komponentendichte sehr hoch ist.
Die einzige Möglichkeit, DC-Verluste in Hochstrom-Leiterplatten zu verhindern, ist die Verwendung von Kupfer mit einer größeren Querschnittsfläche.Das bedeutet, dass entweder schwereres Kupfer oder breitere Leiterbahnen benötigt werden, um die Joulesche Erwärmung und die Leistungsverluste niedrig genug zu halten.
Verwenden Sie eine PCB-Leiterbahnbreite-gegen-Strom-Tabelle, um das Kupfergewicht und/oder die Leiterbahnbreite zu bestimmen, die erforderlich sind, um einen übermäßigen Temperaturanstieg zu verhindern.
6. Erdung
PCB-Hochleistungssysteme können die gleichen Sicherheitsmaßnahmen bei Ausfällen erfordern.Mit einer geeigneten Erdungsstrategie kann ein gewisses Maß an Sicherheit und elektromagnetischen Störungen erreicht werden.Im Allgemeinen sollte die Erdung nicht getrennt werden, eine Ausnahme bilden jedoch Stromversorgungssysteme mit hohem Strom und/oder hoher Spannung.Die Erdung muss zwischen den Eingangs-Wechselstrom-, ungeregelten Gleichstrom- und geregelten Gleichstromabschnitten getrennt werden.
Ein guter Ausgangspunkt ist die Erdungsstrategie, die Sie in einem Wechselstromsystem oder einer isolierten Stromversorgung finden können.Typischerweise verwenden Sie für Hochstrom-Stromversorgungssysteme eine 3-Draht-Gleichstromanordnung (PWR, COM, GND), wobei der GND-Anschluss tatsächlich ein Erdungsanschluss ist.Ihre Platine verwendet möglicherweise eine Isolationsstrategie, bei der die Ausgangsseite von GND getrennt ist, während die Eingangsseite geerdet ist, um die Sicherheit im Fehlerfall zu gewährleisten.
7. Komponentenplatzierung
Es ist wichtig, zunächst die Position von Hochleistungskomponenten auf der Leiterplatte zu bestimmen, wie z. B. Spannungswandlern oder Leistungstransistoren, die für die Erzeugung großer Wärme verantwortlich sind.
Hochleistungskomponenten sollten nicht in Randnähe der Platine montiert werden, da dies zu einem Hitzestau und erheblichen Temperaturanstiegen führen kann.Hochintegrierte digitale Komponenten wie Mikrocontroller, Prozessoren und FPGAs sollten in der Mitte der Leiterplatte platziert werden, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf der Leiterplatte zu erreichen und so die Temperaturen zu senken.Auf keinen Fall dürfen sich Leistungskomponenten im selben Bereich konzentrieren, um die Bildung von Hot Spots zu vermeiden;stattdessen wird eine lineare Anordnung bevorzugt.Die folgende Abbildung zeigt eine thermische Analyse einer elektronischen Schaltung, wobei die Bereiche mit der höchsten Wärmekonzentration rot hervorgehoben sind.
Thermische Analyse des PCB-Hochleistungsdesigns
Das Layout sollte mit den Leistungsgeräten beginnen, deren Leiterbahnen so kurz wie möglich und breit genug sein sollten, um Rauschen und unnötige Erdschleifen zu vermeiden.Generell gelten folgende Regeln:
Leiterplattenmontage
Identifizieren und reduzieren Sie Stromschleifen, insbesondere Hochstrompfade.
Minimieren Sie ohmsche Spannungsabfälle und andere parasitäre Effekte zwischen Komponenten.
Halten Sie Hochleistungsschaltkreise von empfindlichen Schaltkreisen fern.
Treffen Sie gute Erdungsmaßnahmen.
Zusätzlich zu den oben genannten Layout-Überlegungen ist es auch notwendig, eine Vermischung verschiedener Leistungskomponenten auf der Platine zu vermeiden.Um ein thermisches Gleichgewicht der Platine zu erreichen, stellen Sie sicher, dass diese Wärmekomponenten gleichmäßig auf der Platine verteilt sind.
Dadurch wird die Platine auch effektiv vor Verformungen geschützt.Dadurch können Sie sicherstellen, dass die Hitze auf der Platine reduziert wird und empfindliche Schaltkreise geschützt werden.Auch im Betrieb werden die Signale gleichermaßen geschützt.
8. IC- und Komponenteninstallation
Immer wenn in einem Stromkreis Strom fließt, ist es offensichtlich, dass alle Komponenten Wärme erzeugen.Wenn passive Komponenten und ICs Wärme erzeugen, wird die Wärme wahrscheinlich abgeführt.Diese Wärme wird an die kühlere Umgebungsluft rund um das Gerät abgegeben.
Montage von IC-Komponenten
Diese Verlustleistung wird durch den Leiterrahmen des Geräts oder durch das Gehäuse erreicht.Daher sind die meisten IC-Gehäuse so konzipiert, dass sie nicht viel Platz für externe Kühlkörper bieten.
Darüber hinaus ist eine Möglichkeit erforderlich, dem Gerät Wärme zu entziehen.Freiliegende Pads sind eine solche Methode.Um die beste thermische Leistung zu erzielen, verwenden Sie einen unbestückten Chip im Inneren des Gehäuses.
Mit diesem Würfel sollte ein EP direkt verbunden sein.Diese ICs können dann ordnungsgemäß auf der Platine montiert werden.Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung vom Gehäuse zur Platine optimiert.
9. Kühlkörper
Der Zweck der Verwendung von Wärme besteht darin, zu verhindern, dass beim Löten Wärme in den umgebenden Kupferguss gelangt.Bei vielen Hochleistungs-PCB-Designs wird das Löten intern im Allgemeinen mit einem Hochleistungslötkolben durchgeführt.Sogar auf 2 Unzen Kupfer können feste Pads schnell bearbeitet werden.Ich neige dazu, Kühlkörper an allen Netzen zu verwenden, die nicht mit Strom versorgt werden, und verwende solide Verbindungen an den Stromnetzen.
Füllebene mit Wärmeentlastung
Das Bild oben zeigt, wo der Kühlkörper platziert ist.Der Haupteingang, die Sicherungen und die Ausgänge verbrauchen im Gegensatz zu allen anderen Netzen keine Wärme.Diese Technik hat in mehreren Designs sehr gut funktioniert, Hunderte von Platinen wurden hergestellt und es gab selten Probleme mit dem Lösen gelöteter Komponenten oder anderen Problemen im Zusammenhang mit kalten Lötstellen.
10. Spurdicke und -breite
Beim Entwerfen einer Leiterplatte müssen Sie die Mindestleiterbahnbreite beachten.Dies wird beim Umgang mit Hochleistungs-PCBs von entscheidender Bedeutung.
Grundsätzlich gilt: Je länger die Leiterbahn, desto größer ihr Widerstand und desto größer die Wärmeableitung.Da das Ziel darin besteht, Leistungsverluste zu minimieren, wird empfohlen, Leiterbahnen, die hohe Ströme leiten, so kurz wie möglich zu halten, um eine hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Schaltung zu gewährleisten.Um die Breite der Schiene korrekt zu berechnen und dabei den maximalen Strom zu kennen, der durch die Schiene fließen kann, können sich Designer auf die im IPC-2221-Standard enthaltenen Formeln verlassen oder einen Online-Rechner verwenden.
Was die Leiterbahndicke betrifft, so liegen typische Werte für Standard-PCBs bei etwa 17,5 µm (1/2 oz/ft 2) für Innenschichten und etwa 35 µm (1 oz/ft 2) für Außenschichten und Masseebenen.Hochleistungs-Leiterplatten verwenden oft dickeres Kupfer, um die Leiterbahnbreite bei gleichem Strom zu reduzieren.Dies reduziert den Platzbedarf der Leiterbahn auf der Leiterplatte.
Dickere Kupferdicken reichen von 35 bis 105 µm (1 bis 3 oz/ft 2) und werden typischerweise für Ströme über 10 A verwendet. Dickeres Kupfer verursacht zwangsläufig zusätzliche Kosten, hilft jedoch, Platz auf der Karte zu sparen, da die Viskosität höher ist und die Die erforderliche Spurbreite ist viel geringer.
Spurdicke und -breite
11. Lötmaske
Eine andere Technik, die es Leiterbahnen ermöglicht, große Strommengen zu führen, besteht darin, die Lötstoppmaske von der Leiterplatte zu entfernen.Dadurch wird das darunter liegende Kupfermaterial freigelegt, das dann mit zusätzlichem Lot ergänzt werden kann, um die Kupferdicke zu erhöhen und den Gesamtwiderstand der stromführenden Komponenten der Leiterplatte zu verringern.Auch wenn dies eher als Workaround als als Designregel betrachtet werden kann, ermöglicht diese Technik, dass PCB-Leiterbahnen mehr Strom verarbeiten können, ohne die Leiterbahnbreite zu erhöhen.
12. Entkopplungskondensatoren
Wenn eine Stromschiene auf mehrere Platinenkomponenten verteilt und gemeinsam genutzt wird, können bei aktiven Komponenten gefährliche Phänomene wie Ground Bounce und Klingeln auftreten.Dies führt zu einem Spannungsabfall in der Nähe der Stromanschlüsse der Komponente.
Um dieses Problem zu lösen, werden Entkopplungskondensatoren verwendet: Ein Anschluss des Kondensators muss möglichst nahe am Pin des mit Strom versorgten Bauteils liegen, während der andere Anschluss direkt mit einer niederohmigen Masseebene verbunden sein muss.Ziel ist es, die Impedanz zwischen Stromschiene und Erde zu verringern.Der Entkopplungskondensator fungiert als Hilfsstromquelle und versorgt die Komponente bei jedem Übergang (Spannungswelligkeit oder Rauschen) mit dem erforderlichen Strom.
Bei der Auswahl eines Entkopplungskondensators sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen.Zu diesen Faktoren gehören die Wahl des richtigen Kondensatorwerts, des dielektrischen Materials, der Geometrie und der Platzierung des Kondensators relativ zur elektronischen Komponente.Ein typischer Wert für einen Entkopplungskondensator ist ein Keramikkondensator mit 0,1 μF.
13. Verdoppeln Sie die Schichten
Eine Technik, die in vielen Hochleistungsschaltkreisen verwendet wird, aber nicht oft verwendet wird, besteht darin, die Kupfergüsse zu verdoppeln und sie mit Durchkontaktierungen zusammenzunähen.Diese Doppelschicht ermöglicht die doppelte Menge Kupfer auf derselben Fläche.Bei dieser Platine wurde das Kupfer am Hauptstromeingang vom Anschluss zur Eingangssicherung verdoppelt.Das Bild unten zeigt dies.
Wenn Sie diese Technik anwenden, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine Stromschleife entsteht, da es einen Abschnitt gibt, in dem kein Rückstrom fließen kann.Ich halte nichts davon, zwei Schichten von der Eingangssicherung bis F3/F4 im Netz zu verwenden, da hier ein Großteil des Rückstroms fließt.
Doppelschicht-Nahaufnahme des Hauptstromeingangs
Die Mindestbreite dieses Gusses beträgt 460 mil, aber da er sich auf der oberen und unteren Schicht befindet, ist die tatsächliche Breite doppelt so groß, was zu einem viel geringeren Spannungsabfall im Netz führt.Je kleiner der Spannungsabfall ist, desto weniger Wärme wird erzeugt.
14. Kupfer gießen
Unabhängig davon, welche Art von Platine Sie entwerfen, werden Sie im Allgemeinen versuchen, für alle Stromnetze einen Kupferguss zu verwenden.Bei dedizierten Hochstromkonstruktionen sollten alle Netze mit hoher Leistung aus einem Guss bestehen.Kupferguss kann die Breite des Kupfers, das auf der Platine montiert werden kann, erheblich vergrößern.
Layout mit Kupferguss auf allen Hochstromnetzen
Das Bild oben zeigt einen Hochstromteil der Platine, in dem Kupfergüsse auf allen Hochstromnetzen verwendet werden.Durch das Eingießen anstelle von Spuren kann der Kupferanteil deutlich erhöht werden.Ein Trick, mit dem das Design etwas schneller vorankommt, besteht darin, ein 20-mil-Raster zu verwenden und damit sicherzustellen, dass alle Güsse symmetrisch im 45-Grad-Winkel sind.
6. Schritte zum Hochleistungs-PCB-Design
1. Bereiten Sie den Untergrund vor
Vor Beginn des Herstellungsprozesses muss das Laminat gründlich gereinigt werden.Diese Vorreinigung ist unerlässlich, da die Kupferspulen, die im Hochleistungs-PCB-Design verwendet werden, oft über Rostschutzeigenschaften verfügen und diese in der Regel von Zulieferern durchgeführt werden, um einen Antioxidationsschutz zu bieten.
2. Erzeugung von Schaltkreismustern
Beim Entwurf von Hochleistungs-Leiterplatten werden zwei Haupttechniken verwendet, um dieses Ziel zu erreichen.Zu diesen Techniken gehören:
Siebdruck – Dies ist die am meisten bevorzugte Methode, da sie das gewünschte Schaltkreismuster erzeugen kann.Dies ist auf die Fähigkeit zurückzuführen, präzise auf der Oberfläche des Laminats aufgetragen zu werden.
Photo Imaging – Dies ist die älteste Technik zur Entwicklung von Hochleistungs-PCBs.Es handelt sich jedoch immer noch um eine gängige Methode zur Darstellung von Leiterbahnen auf dem Laminat.
Diese Technik trägt dazu bei, dass der trockene Fotolackfilm, der aus der beabsichtigten Schaltung besteht, auf dem Laminat platziert wird.Das resultierende Material wird UV-Licht ausgesetzt.Dadurch wird das Muster der Fotomaske auf das Laminat übertragen.Die Folie wird chemisch vom Laminat entfernt.Dadurch erhält das Laminat das gewünschte Schaltungsmuster.
3. Ätzen des Schaltkreismusters
Beim Entwurf von Hochleistungs-Leiterplatten erfolgt dies üblicherweise durch Eintauchen des Laminats in einen Ätztank.Alternativ können sie mit einer geeigneten Ätzlösung besprüht werden.Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, werden beide Seiten gleichzeitig geätzt.
4. Bohrvorgang
Nach dem Ätzen ist der nächste Schritt das Bohren.In diesem Schritt werden Löcher, Pads und Durchkontaktierungen gebohrt.Um präzise Löcher zu bohren, müssen Sie darauf achten, dass das Bohrwerkzeug schnell arbeitet, und bei der Erstellung ultrakleiner Löcher kommen Laserbohrverfahren zum Einsatz.
5. Durchgangslochbeschichtung
Beim Entwurf von Hochleistungs-Leiterplatten ist dies ein Schritt, der sehr sorgfältig und präzise gehandhabt werden muss.Nach dem Bohren der gewünschten Löcher wird Kupfer darin abgeschieden.
Im Gegensatz zu anderen Leiterplatten wird dies in großen Mengen hergestellt und dicker gemacht.Anschließend werden sie chemisch plattiert.Das Ergebnis ist die Bildung elektrischer Verbindungen über Schichten hinweg.
6. Auftragen von Coverlay oder Cover Coating
Der Schutz beider Seiten der Platine ist bei Hochleistungsdesigns von entscheidender Bedeutung.Dies kann durch Aufbringen einer Deckschicht erreicht werden.
Die Bedeutung hiervon liegt im Schutz vor rauen Umgebungen.Dies ist für Hochleistungs-Leiterplatten unerlässlich, da diese Temperaturschwankungen unterliegen.Solche Abdeckschichten bieten auch Schutz vor aggressiven Chemikalien und Lösungsmitteln.
Mit einem Klebstoff versehener Polyimidfilm ist das am häufigsten verwendete Deckschichtmaterial, und Siebdruck kann die Deckschicht auf die Oberfläche drücken.
Die Aushärtung erfolgt mittels UV-Bestrahlung.Während des Laminierungsprozesses der Deckschicht werden kontrollierte Hitze und Druck angewendet.Es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen Coverlay-Material und Coverlay.Coverlay ist eine laminierte Folie, während sich Coverlay auf ein Material bezieht, das direkt auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen werden kann.
Es gibt viele Faktoren, die die Art der Deckung bestimmen.Dazu gehören die im Herstellungsprozess verwendeten Methoden, die verwendeten Materialien und der Anwendungsbereich.Beide Beschichtungen sind wichtig, um die elektrische Integrität der gesamten Baugruppe zu verbessern.
7. Elektrische Prüfung und Verifizierung
Die Leiterplatte wird einer Reihe elektrischer Tests unterzogen, bei denen Faktoren wie die Leistung sorgfältig überprüft werden.Sie müssen auch die Designspezifikationen als Schwelle zur Bewertung der Qualität verwenden.
7. Hochleistungs-PCB-Verarbeitung
Im Folgenden sind die grundlegenden Schritte aufgeführt:
Innere Schicht drucken
Ebene ausrichten
Bohren
Verkupferung
Abbildung der äußeren Schicht
Verkupferung und Verzinnung
Letzte Radierung
Tragen Sie eine Lötstoppmaske auf
Oberflächenfinish auftragen
Tragen Sie Siebdruck auf
Amboss
1. Schaltungsstruktur aus schwerem Kupfer
Beim Hochleistungs-PCB-Design werden dicke Kupferschaltungen verwendet.Dies erfordert in der Regel eine spezielle Ätztechnik.
Hochleistungs-PCB-Design aus einer Hand
Auch die hier zum Weben verwendete Technologie unterscheidet sich erheblich von der für andere Leiterplatten verwendeten Technologie und verwendet Hochgeschwindigkeitsbeschichtung und Differenzätzen.
Wenn Sie dicke Kupferschaltungen plattieren, können Sie die Dicke der Platine weiter erhöhen.Sie können auch dickes Kupfer mit Standardfunktionen auf einer einzigen Platine kombinieren.Dies wird auch Power-Link genannt.Dies führt zu vielen Vorteilen, einschließlich einer geringeren Anzahl von Schichten.Auch der Strom wird effizient verteilt.
Dadurch können auch Hochstromschaltungen und Steuerschaltungen auf der Platine integriert werden.Darüber hinaus ist auch eine einfache Platinenstruktur vorgesehen.
2. Strombelastbarkeit und Temperaturanstieg
Schätzen Sie den maximalen Strom, den die Leiterbahn problemlos tragen kann.Dies lässt sich ermitteln, indem man eine Methode findet, mit der sich der Wärmeanstieg abschätzen lässt.Dies hängt mit dem Strom zusammen, den Sie beantragen.
Der Idealfall besteht darin, eine stabile Betriebstemperatur zu erreichen. In diesem Fall ist die Heizrate gleich der Kühlrate.Wenn Sie = Ihr Schaltkreis Temperaturen von bis zu 100 °C standhält, können Sie loslegen.
3. Stärke und Überlebensfähigkeit des Vorstands
Sie können aus einer Vielzahl dielektrischer Materialien wählen.Darunter ist FR4, das eine Betriebstemperatur von bis zu 130 °C aufweist.Ein weiteres dielektrisches Material ist Hochtemperatur-Polyimid, das bei Temperaturen bis zu 250 °C betrieben werden kann.
Höhere Temperaturen erfordern den Einsatz spezieller Materialien, damit sie extremen Bedingungen standhalten.Es gibt verschiedene Methoden, mit denen die thermische Integrität eines Endprodukts getestet und bestimmt werden kann.Eine dieser Methoden ist die Verwendung eines thermischen Zyklustests.Es hilft, den Widerstand des Stromkreises zu überprüfen, während ein Luft-Luft-Wärmezyklus durchgeführt wird.Dieser Zyklus wird von 25°C bis 260°C überprüft.
Ein erhöhter Widerstand kann durch Risse im Kupferkreis zu einem Zusammenbruch der elektrischen Integrität führen.Stellen Sie sicher, dass Sie für diesen Test eine Kette aus 32 durchkontaktierten Löchern verwenden.Denn sie gelten als die schwächste Stelle im Stromkreis, insbesondere wenn sie thermischer Belastung ausgesetzt sind.
Dickkupferschaltkreise reduzieren oder beseitigen oft die Fehler, die diesen Platinen innewohnen.Dies liegt daran, dass die Kupferkreise während der mechanischen Belastungsphasen aufgrund thermischer Wechselwirkungen undurchlässig werden.
4. Wärmemanagement
Beim Betrieb elektronischer Geräte entsteht üblicherweise Wärme, die von der Quelle abgeleitet und an die äußere Umgebung abgestrahlt werden muss.Geschieht dies nicht, kann es zu einer Überhitzung der Komponente und damit zu einem Ausfall kommen.
Schweres Kupfer hilft, Hitze zu reduzieren.Es leitet die Wärme vom Bauteil weg, was die Ausfallrate deutlich reduziert.Verwenden Sie einen Kühlkörper, um eine ordnungsgemäße Wärmeableitung von der Wärmequelle zu erreichen.Der Kühlkörper leitet die Wärme ebenfalls von der Quelle ab, an der die Wärme erzeugt wird.Dies geschieht durch die Leitung und Abgabe der Wärme an die Umgebung.
Die Verbindungen werden über Kupferdurchkontaktierungen zu blanken Kupferflächen auf einer Seite der Platine hergestellt.Klassische Kühlkörper können auf die Grundfläche des Kupfers geklebt werden.Dies wird mit wärmeleitenden Klebstoffen erreicht.In anderen Fällen werden sie genietet oder verschraubt.
Diese Kühlkörper bestehen in der Regel aus Kupfer oder Aluminium, Einbaukühlkörper entstehen bei der Herstellung von Hochleistungs-Leiterplatten.Eine zusätzliche Montage ist hierfür nicht erforderlich.Die Copper Circuit Technology ermöglicht das Anbringen von dicken Kupferkühlkörpern an jedem Teil der Platinenoberfläche.
