DFM: ПЛАТИ З ІЗОЛЬОВАНОЮ МЕТАЛЕВОЮ ПІДКЛАДКОЮ ІМП

У статті зібрано інформацію про сферу застосування технології ІМП: вибір основного металу, діелектрика та деяких інших властивостей, важливих для проектування та виробництва даного типу плати.

Вступ

З величезним розвитком технології ІМП (ізольовані металеві підкладки), яка широко використовується в світлодіодному освітленні, автомобільних додатках, перетворенні електроенергії, двигунах і напівпровідникових модулях, зростаюча складність конструкцій вимагає правильного вибору матеріалів і оптимізованих процесів виробництва схем. Це вже не просто основна платформа для монтажу компонентів, що вимагають термічних навантажень – контроль максимальних температур переходу та щільності потужності став критичним. Крім того, значна частина застосувань вимагає проходження випробувань агентств безпеки при напрузі, вищій за робочу. Тому важливим стає правильний вибір матеріалу, включаючи тип основної підкладки, теплові характеристики та товщину діелектрика, а також вагу плівки. Нарешті, економічні вимоги передбачають реалістичні очікування щодо вартості друкованої плати та використання процесу DFM (Design For Manufacturing – Проектування для виробництва) протягом усього проекту, від виготовлення друкованої плати до монтажу. Відповідність вимогам RoHS і REACH, що вимагає монтаж без свинцю, також важлива.

Вибір матеріалів

Рішення використовувати друковану плату з підкладкою ІМП – це набагато більше, ніж просто вибір правильного теплового рішення. Вибір матеріалів основного матеріалу підкладки до типу діелектрика та ваги мідної фольги, матиме значний вплив на надійність системи. Конструкція цих композитних матеріалів змушує враховувати тепломеханічний вплив не лише на матеріал підкладки, але й на компоненти, встановлені на друкованій платі.

Найпоширенішим базовим матеріалом, який сьогодні використовується, є алюміній, але для підводних освітлювальних установок потрібен мідний сплав. Зі збільшенням потреби в потужності та струму зростає і товщина міді, яка використовується в схемі. Композит з міді, діелектрика та алюмінію більше схильний до різниці в коефіцієнті теплового розширення (КТР). Як правило, коли товщина мідної фольги стає більшою ніж 10% від товщини алюмінієвої, ефект невідповідності КТР під час зміни температури стає проблемою, але справжньою проблемою є підтримка ідеальної адгезії поверхні друкованої плати. Це означає, що для максимізації теплопередачі до радіатора необхідно забезпечити повний контакт по всій поверхні, а можливі повітряні зазори неприпустимі.

Ефекти КТР

Різниця в КТР у композиційних матеріалах може різко вплинути на їхню надійність у застосуваннях із широким діапазоном робочих температур. Невідповідність КТР може спричинити механічне навантаження на конструкцію, спричиняючи механічну втому паяного з’єднання або руйнування компонента. Тому слід ретельно підходити до вибору металів, які використовуються. Оскільки пристрої потребують дедалі більшої потужності, вибір основного матеріалу з міді замість алюмінію став популярним рішенням для задоволення вимог щодо ваги мідної фольги. З мідною основою фольга та неблагородні метали мають дуже близькі КТР, що призводить до значного зниження напружень у композиті, хоча це рішення коштує дорожче: мідь дорожча за алюміній і часто вимагає додаткової обробки, щоб відповідати всім вимогам до продукту. Труднощі зв’язування діелектрика з міддю означають, що існує лише обмежена кількість постачальників для такого рішення, і мідна підкладка зазвичай вимагає міцного захисного покриття, наприклад нікелювання, для запобігання корозії. Нові матеріали, такі як композити з металевою матрицею карбіду алюмінію та карбіду кремнію (AlSiC), можуть вирішити проблеми невідповідності КТР і дорогого процесу захисту поверхні чистої міді.

Вибір діелектрика

Вибір діелектричного матеріалу повинен бути зосереджений на тепловому опорі, діелектричній міцності та температурі склування (Tg): ті, хто обирає друковані плати з ІМП повинні добре розуміти ці характеристики. Хоча теплопровідність, виражена у Вт/мК, є важливою, тонші діелектрики з такою ж масовою провідністю матимуть кращий тепловий опір. І навпаки, більш товсті матеріали матимуть підвищений термічний опір. Термічний опір ІМП дійсно важливий: він також включає міжфазний опір у композитних шарах, який у поєднанні з властивостями паяного з’єднання має бути дуже важливим для розробника. Загальний тепловий опір у поєднанні з опором робочого пристрою визначатиме температуру переходу при заданому рівні потужності та при заданій температурі навколишнього середовища. Зосередження лише на теплопровідності може ввести в оману при спробі визначити справжні характеристики підкладки. Розуміння термічного опору потрібне при порівнянні з чистими керамічними підкладками, такими як DBC (direct bond copper – мідь прямого зв’язку) або товстоплівковими. Хоча ці матеріали мають набагато вищу теплопровідність, ніж ІМП, їх загальна товщина дає значення термічного опору, дуже схожі до високоефективних підкладок ІМП.

Температура склування (Tg)

Поширеною «помилкою» є занепокоєння щодо роботи ІМП вище температури Tg діелектрика. При температурі, вищої Tg матеріалу, його механічні та електричні властивості починають змінюватися. Механічні зміни, на які слід звернути увагу, це зниження міцності на відрив мідної фольги, збільшення КТР і зниження так званого модуля зберігання. Завдяки використанню в ІМП діелектриків на основі керамо-полімерних сумішей, відсутності скла і малій товщині шару діелектрика значно зменшуються деформації, викликані розширенням по осі Z. Завдяки цим дуже тонким діелектрикам основний матеріал повністю домінує над композитом. Існує реальна перевага в зменшенні залишкових напруг на діелектричних підкладках, паяних з’єднаннях та інших з’єднаннях, створених через невідповідність КТР, шляхом вибору діелектрика з Tg нижче робочої температури. Це пояснюється тим, що діелектричний матеріал вище Tg знаходиться в еластомерному стані (має набагато нижчий модуль зберігання), що дозволяє зменшити деякі напруги. Зміни в електричних властивостях також слід враховувати при роботі вище Tg, хоча вони зазвичай важливі лише на частотах вище 1 МГц. Впливи, які слід враховувати, це зміни діелектричної проникності, діелектричних втрат і міцності матеріалу на розрив.

Іншим ключовим моментом є те, що більшість доступних підкладок ІМП мають Tg в діапазоні 105°C, але деякі мають максимальну робочу температуру (МРТ) UL 130°C або більше (однак це не проблема для світлодіодного освітлення, де максимальна робоча температура з’єднання становить 95°C). Експлуатація вище межі МРТ UL призведе до зниження електричних і механічних властивостей протягом прогнозованого терміну служби в 100 000 годин.

Поточна ємність

Вага мідної фольги є дуже важливим фактором при проектуванні конструкції. Товщина мідної фольги, необхідна для задоволення вимог щодо потоку енергії, повинна розглядатися разом із вимогами до ефективного розсіювання тепла пристроєм. Додатковий струм, який може накопичуватися в ІМП, зумовлений здатністю матеріалу розсіювати тепло, що утворюється через втрати I²R, як показано на малюнку 1.

Малюнок 1. Поширення тепла

На здатність ІМП поширювати тепло впливає товщина діелектрика і товщина фольги. Завдяки збільшенню товщини мідного провідника разом із втратами I²R у мідних доріжках збільшується розсіювання тепла та знижується температура пристрою. Це забезпечує набагато вищу теплову пропускну здатність  друкованої плати з ІМП ніж з FR4 завдяки здатності розсіювати тепло через втрати I²R у мідних ланцюгах.

Розповсюдження тепла

Здатність ІМП до розсіювання тепла також дуже важлива, і на неї впливає як товщина міді, так і товщина діелектрика. Більша здатність до розсіювання тепла означає нижчу температуру переходу, що дозволяє збільшити потужність системи та підвищити надійність. Збільшення товщини міді відповідно знижує температуру корпусу джерела живлення. Важливість цього зв’язку неможливо переоцінити з точки зору доступної потужності та довгострокової надійності. Як правило, зниження температури з’єднання на 10°C може подвоїти середній час напрацювання на відмову (mean time between failures, MTBF). Головним чином завдяки цим властивостям ІМП так швидко поширився майже у всіх сферах світлодіодного освітлення.

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