DFM: ЗБІРНИК ЗНАНЬ ПРО PCB ІМП

12.07.2023 |

Продовжуємо розгляд питань щодо використання ІМП (ізольованих металевих підкладок) – надано данні щодо дизайну та процесу.

Металева основа

Вибір металу та товщини основного шару ІМП залежить від конкретного застосування. Найпоширенішим матеріалом є алюміній, і вибір конкретного сплаву в основному визначається конкретними вимогами: сплав 6061 T6 найкраще піддається механічній обробці, але якщо потрібне формування, рекомендується використовувати більш м’який сплав, наприклад 5052 H34. Товщина основного металу залежить від вимог до механічної жорсткості, використання механічних кріплень (press-fit) або різьбових отворів, потреби в термічній масі та, у багатьох випадках, ціни. Через ціну на ринку для перетворювачів постійного струму зазвичай вибирають більш тонкі основні матеріали, тоді як для приводів двигунів — більш товсті матеріали для термічної маси та механічної жорсткості.

Для світлодіодів найчастіше обирають більш тонкі алюмінієві матеріали, щоб знизити вартість, за винятком дуже високоефективних застосувань, де перевага віддається міді. У додатках, де матриці монтуються безпосередньо на підкладку, зазвичай використовують більш товсті алюмінієві або мідні основи з основними матеріалами товщиною до 0,125 дюйма.

Все частіше використовується також можливість прямого паяння або виготовлення покритих наскрізних з’єднань на мідній підкладці. Звичайно, це неможливо з тонким алюмінієм, хоча в деяких конструкціях використовується запресовування (press-fit ) з одночасним видаленням діелектрика та ультразвуковим зварюванням.

Інші спеціальні матеріали також доступні як основний матеріал, залежно від потреби в магнітних властивостях, певних діапазонах КТР або інших властивостях. Широкий діапазон основних металів і їх товщини дозволяє дизайнеру адаптувати конструкцію до вимог застосування. Така гнучкість плат ІМП дозволяє виходити за рамки платформи для монтажу компонентів і з’єднань. Вибір матеріалів ІМП дає розробнику можливість мінімізувати термічний опір, максимізувати потреби в електричній ізоляції та оптимізувати товщину мідної схеми відповідно до поточних вимог та/або розсіювання тепла.

Примітки до безпекових тестувань  

Часто дизайнери вибирають найтонший можливий матеріал, оптимізуючи теплові характеристики за рахунок необхідної відстані. Значення діелектричного пробою виробника – це властивості матеріалу, виміряні в лабораторних умовах і не обов’язково залежать від конкретного проекту. Крім того, напруга пробою – це напруга, при якій діелектрик виходить з ладу, і не підходить як випробувальна напруга. Таким чином, розробник повинен розглянути ізоляцію, необхідну для проходження випробувань без погіршення діелектрика або помилок тестування. Незначне збільшення товщини діелектрика, необхідного для забезпечення запасу електричної безпеки, не завжди негативно впливає на теплові характеристики. При використанні матеріалів ІМП слід враховувати відстані ізоляції напруги, які вимагаються стандартами агентства безпеки. Для виробника друкованих плат дійсно неможливо вказати належні вимоги до відстаней; тільки проектувальник може визначити зазор, необхідний для надійного тестування та експлуатації.

Виробництво плат

Подібно до FR-4, виробництво ІМП відрізняється кінцевою стадією депанелізації. На початкових етапах формування зображення, травлення, паяльної маски та фінішної обробки поверхні використовується подібне обладнання та подібні процеси, що й для FR-4. У той час як більшість плат FR-4 є двосторонніми або багатошаровими конструкціями, ІМП за своєю суттю є односторонніми, що вимагає захисту базової сторони.

Основним обмеженням щодо технологічності є те, що плати ІМП для додатків із високою потужністю виготовляються з використанням більшої ваги міді. Середня вага міді, як правило, становить 4 унції (113,4 г), у багатьох дизайнах від 6 до 10 унцій (170-283,5 г). Через вагу міді макет плати повинен враховувати властивості травлення. Типове світлодіодне застосування включає 2 унції міді (56,7 г), тонші доріжки та відстані, а також деяку кількість міді для заповнення та покращення відведення тепла. Можливості процесу виробників дещо відрізняються, але їхні вимоги перевірки правил проектування (design rule check, DRC) враховують мінімальний інтервал і ширину доріжки. Тому компонування плати з більшою кількістю міді має враховувати більшу відстань між компонентами (0,014″ для 4oz або 0,030″ для 10oz) і мінімальну ширину доріжки (0,008″ для 4oz і 0,015″ для 10oz). Тому може бути неможливо розмістити компоненти з меншим кроком і компоненти живлення SMD на одній друкованій платі. Це можна побачити в загальному підході, який використовується в конструкціях перетворювачів постійного струму: пристрої живлення монтуються на платі ІМП, а пристрої з малим кроком – на багатошаровій платі FR-4, прикріпленій зверху за допомогою з’єднувальних контактів.

Товста мідна фольга

У разі використання більшої кількості міді через поточні вимоги та розсіювання тепла слід враховувати й інші аспекти процесу. Щоб забезпечити належне покриття як між ланцюгами, так і на краю доріжок, нанесення паяльної маски вимагає оптимізації процесу. Це пов’язано з висотою товстої міді та екрануючою здатністю паяльної маски в поглибленнях: паяльна маска повинна мати відповідні тиксотропні властивості, щоб мати можливість залишатися на краю або вигині доріжки. Інша проблема щодо покриття паяльної маски – це рекомендація, щоб вона закривала паяльні майданчики. Необхідність підтримувати іонну чистоту є критичною для довгострокової надійності. Наявність паяльної маски на краю контактних площадок виключає можливість потрапляння залишків флюсу в кути, що може призвести до подальшого виходу з ладу.

Для ІМП, що використовується в додатках, що передбачають пряме з’єднання матриці з підкладкою, паяльну маску часто використовують як паяльну площадку. Питання, яке слід розглянути тут, це мінімальна ширина лінії для підтримки адгезії паяльної маски на пізніх стадіях процесу. Розробники плат також повинні враховувати сумісність паяльної маски з процесом заливки або фарбування. Як і вимоги до покриття, паяльні маски відрізняються залежно від постачальника, тому їх слід перевіряти на сумісність із цими процесами.

Інша проблема дизайну, пов’язана з товстими мідними компонентами, стосується плат, які потребують написів. Оскільки це також процес трафаретного друку, слід враховувати висоту міді та розміщення символів або компонентів. У більшості випадків цю проблему можна вирішити за допомогою цифрового друку.

Обробка поверхні

Вимоги до обробки поверхні для плат ІМП подібні до вимог до плат FR-4, однак розмір елементів живлення впливає на товщину покриття HASL. Створення правильної товщини покриття на великих контактних площадках також збільшить товщину покриття на малих контактних площадках, тому, щоб збалансувати товщину між різними розмірами компонентів, виробник друкованої плати повинен скоригувати процес. Для покриттів ENIG або ENEPIG, які використовується в застосуваннях, пов’язаних із з’єднанням алюмінієвих або золотих проводів у технології wire-bond, виробник повинен ізолювати основний метал від процесу нанесення покриття.

Крім того, програми, які вимагають такого типу обробки, повинні враховувати ціну обробки поверхні в квадратних дюймах, тому поверхня з покриттям повинна бути зведена до мінімуму за допомогою маски для пайки.

Оздоблення поверхні також може включати покриття металевої основи ІМП підкладки, яке включає анодування та конверсійне покриття для алюмінію та покриття для міді. Залежно від вимог, таким чином можна обробити всю панель або її окремі частини. Якщо нанесення вимагає покриття країв, процес обробки завжди виконується на одній платі. Важливо розуміти, що через трудомісткість ціна окремо готових деталей значно вища, ніж ціна панелей.

Свердління отворів

Свердління отворів, яке вважається рутинним для матеріалу FR-4, значно відрізняється в залежності від підкладок ІМП. Свердління полімеру з керамічним наповнювачем, який зазвичай містить товсту металеву основу, значно впливає на розмір отвору та термін служби свердла. Типові розміри отворів коливаються від діаметра 0,01” (0,254 мм)  для отворів з покриттям до 0,25” (6,35 мм) для монтажних отворів без покриття. Для отворів більшого розміру потрібен пілотний отвір. Крім того, зазвичай потрібен етап зняття задирок через їх утворення на металевій основі. Оптимальним методом для великих отворів є їх пробивання (наприклад, за допомогою перфоратора з ЧПК).

Незвичайні процеси

Підкладки ІМП також можуть піддаватися різноманітним іншим механічним процесам, таким як зенкерування, нарізка різьби, формування фланців та абляція діелектричних матеріалів, щоб відкрити основний метал для електричних з’єднань. Необхідні допуск і точність цих операцій впливають на тип процесу, що безпосередньо впливає на ціну.

Використання механічних з’єднань дуже поширене в ІМП і недоступне для керамічних підкладок. Спеціальні процеси, які можуть бути використані, включають: вибіркове видалення діелектрика, формування цоколя, сліпих отворів до металевої основи, як заповнених, так і незаповнених отворів, а також отворів у контактних площадках.

Депанелізація

Для депанелізації плат з ІМП використовуються V-подібні фрези, подібні до тих, що використовуються для плат з FR-4, однак швидкість процесу значно відрізняється, вимагаючи спеціальних металевих ріжучих лез, які потребують охолоджуючої рідини для забезпечення достатнього терміну служби інструменту. Можливості верстатів з ЧПК дозволяють створювати плати різної форми, хоча в більшості випадків друкована плата має форму квадрата або прямокутника.

Фрезерування плат зазвичай використовується для невеликих партій і прототипів, оскільки це пов’язано з певними витратами: збільшення часу безвідмовної роботи машини, знос інструменту та, як правило, додаткові операції з видалення задирок і очищення. Однак перевага цих методів перед V-scoring полягає в можливості створювати різні геометрії друкованих плат, які можуть мати, наприклад, круглу форму.

Переважним і найбільш економічно конкурентоспроможним методом депанелювання плат з ІМП є штампування. Цей метод може створювати геометрії плат у широкому діапазоні форм і розмірів. Він доступний для будь-якого матеріалу, який пропонує ІМП. Розмір деталі є єдиним обмежуючим фактором, оскільки він пов’язаний із вартістю інструменту, але типові плати ІМП невеликі. Односторонній і високошвидкісний прес для штампування, який використовується в металургійній промисловості, використовують разом із комплектами пуансонів і матриць. Основна відмінність полягає в конструкції пуансона, який не повинен стикатися з ланцюгом, щоб уникнути деформації міді в діелектрику.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl