Особенности проектирования печатных плат на металлическом основании

Возникновение температурного поля
Только 5-10% потребляемой электронными устройствами мощности превращается в мощность полезных сигналов
Остальные 90-95% потребляемой мощности рассеиваются в виде тепловой энергии, что приводит к возникновению температурного поля

Решение задач теплового проектирования методом иерархического моделирования
5 уровней иерархического
моделирования

Пятый уровень
Моделирование температурно-влажностного режима помещения, в котором будет устанавливаться и эксплуатироваться проектируемое электронное изделие

Четвертый уровень
Моделирование и расчет поля температуры и влажности воздушной среды внутри каждой стойки проектируемого электронного устройства

Третий уровень
Моделирование и расчет поля температуры, скорости движения и влажности воздушной среды, протекающей внутри панелей проектируемого электронного устройства

Второй уровень
Моделирование теплового режима каждого электронного модуля в панели: температурное поле печатной платы с установленными на ней электронными компонентами, температура корпусов электронных компонентов

Первый уровень
Моделирование температуры на кристалле электронного компонента

Влияние температуры на кристаллах ИС на эксплуатационные характеристики электронного изделия
Надежность
Работоспособность
Помехоустойчивость
Быстродействие

Печатные платы –
второй уровень иерархического моделирования

Пример теплового расчета
Рассеиваемая мощность на светодиоде:
PD = VF * IF
Где
IF = Прямой ток
VF = Прямое напряжение

Тепловой расчет
тепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой θJa
θJa= ( TJ – TA )/PD
Где
TJ - рекомендуемая температура p-n перехода
TA - температура окружающей среды

Тепловой расчет
Тепловое сопротивление светодиода θJB
θJB = θJc + θcb
Где
θJc – тепловое сопротивление между p-n переходом и корпусом
θcb – тепловое сопротивление (припоя, пасты) между корпусом и печатной платой

Тепловой расчет
Тепловое сопротивление печатной платы θBA
θBA = θJa – θJB
Где
θJa – тепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой
θJB – Тепловое сопротивление светодиода

Расчет минимальной ширины проводника

Ширина проводника в зависимости от толщины фольги для материала FR4 (ΔT - 10°C)

Ширина проводника в зависимости от толщины фольги для материала T111 (ΔT - 10°C)

FR4 и платы на алюминиевом основании (ΔT - 10°C)

Конструкции печатных плат

T-preg
с медной фольгой на обеих сторонах

Платы на металлическом основании
Однослойные печатные платы
Двухслойные и многослойные печатные платы

Базовый материал

Используемые электронные компоненты
SMT – элементы ДА
DIP – элементы НЕТ

Образцы печатных плат на металлическом основании

Образцы печатных плат на металлическом основании

Двухслойная печатная плата с металлическим ядром

МПП с металлическим основанием

МПП с металлическим основанием

Используемые электронные компоненты
SMT – элементы ДА
DIP – элементы ДА

Образец многослойной печатной платы с алюминиевым основанием

Образец многослойной печатной платы с алюминиевым основанием

Краткий обзор материалов, используемых на нашем производстве

Базовый материал

Медная фольга
(однослойные платы)
35 мкм
70 мкм
105 мкм
140 мкм

Металлическое основание
Алюминий
Медь
Сталь

Теплопроводность
Алюминий -
Медь -
150W/MK
400W/MK

Толщина базового материала
Срочное производство
1.5 мм
Серийное производство
1.0 мм
1.5 мм
2.0 мм

Варианты теплопроводящего диэлектрика, использующегося на нашем производстве

Изоляционный слой
Препрег на основе стекловолокна
RUIKAI IMS-03
75 мкм
1.42°C/W

Изоляционный слой
Теплопроводящие материалы из полимеров на основании керамики
RUIKAI; BERGQUIST; TOTKING
От 75 мкм до 150 мкм
От 0.45°C/W до 1.0°C/W

Изоляционный слой
BERGQUIST
От 0.45°C/W до 0.7°C/W

Изоляционный слой
TOTKING - T111
100 мкм
0.7°C/W

Напряжение пробоя
TOTKING - 2.5KV
RUIKAI - от 4.0KV до 8.0KV
BERGQUIST - до 11KV

Структура платы

Медная фольга
(двухслойные и многослойные печатные платы)
18 мкм
35 мкм
70 мкм
105 мкм
140 мкм

Металлическое основание
Алюминий
Медь
Сталь

Изоляционный слой
ARLON ML99
ARLON ML92
ARLON 49N

Сравнение теплопроводности материалов
FR4 0.25-0.35 W/MK
ARLON 99ML 1.1 W/MK
ARLON 92ML 2.0 W/MK
ARLON 49N 0.25 W/MK

Маскирующее покрытие
Двухкомпозитная жидкая паяльная маска
Белая
Черная
Зеленая
Синяя
Красная

Позиционные обозначения
(шелкография)
Белый
Черный
Желтый
Зеленый (срочное производство)

Финишное покрытие
HASL
Lead Free HASL
Immersion Gold
Gold Plating
Immersion Silver
Immersion Tin

Технологические возможности
Срочное производство

Используемый материал
TOTKING - T111
Толщина алюминиевого основания – 1.5 мм
Толщина диэлектрика - 100 мкм
Толщина медной фольги – 35 мкм
Тепловое сопротивление диэлектрика - 0.7°C/W

Технологические требования срочного производства
Минимальный зазор – 0.24 мм
Мин. ширина проводника – 0.24 мм
Минимальное отверстие – 0.9 мм
Отверстия более 4.0 мм - фрезеровка
Максимальный размер готовой платы – 380 мм Х 320 мм

Технологические требования срочного производства
Минимальный зазор от края платы до металла – 0.25 мм
Минимальное расстояние от края платы до отверстия – одна толщина платы (1.5 мм)

Технологические требования срочного производства
Минимальное вскрытие площадки в маске –
размер площадки +0.20 мм (0.10 мм на сторону)

Технологические требования срочного производства
Минимальная ширина масочного мостика – 0.15 мм (желательно 0.20 мм)

Технологические требования срочного производства
Минимальная ширина линии маркировки –
0.15 мм

Размер рабочего поля заготовки на срочном производстве
Малая заготовка - 173 мм х 285 мм
Большая заготовка - 320 мм х 380 мм
Максимальный размер готовой платы – 380 мм Х 320 мм

Пример топологии платы на алюминиевом основании

Внимание!
Паразитная емкость

Технологические возможности
Серийное производство

Используемые материалы
(однослойные печатные платы)
RUIKAI; BERGQUIST; TOTKING
Толщина алюминиевого основания –
- от 1.0 до2.0 мм
Толщина диэлектрика -
- от 75 мкм до 150 мкм

Используемые материалы
(однослойные печатные платы)
RUIKAI; BERGQUIST; TOTKING
Толщина медной фольги –
- от 35 мкм до 140 мкм
Тепловое сопротивление диэлектрика –
- от 0.45°C/W до 1.42°C/W

Медная фольга
(двухслойные и многослойные печатные платы)
18 мкм
35 мкм
70 мкм
105 мкм
140 мкм

Технологические требования серийного производства
Минимальная ширина проводника/минимальный зазор
Для фольги 18 мкм — 0.10/0.10 мм
Для фольги 35 мкм — 0.15/0.15 мм
Для фольги 70 мкм — 0.20/0.20 мм
Для фольги 105 мкм — 0.25/0.25 мм
Для фольги 140 мкм — 0.30/0.30 мм

Технологические требования серийного производства
Минимальный зазор от края платы до металла (фрезерование) – 0.20 мм
Минимальный зазор от края платы до металла (скрайбирование) – 0.40 мм
Минимальное расстояние от края платы до отверстия – одна толщина платы

Технологические требования серийного производства
Минимальное вскрытие площадки в маске –
размер площадки +0.10 мм (0.05 мм на сторону)
Минимальная ширина масочного мостика – 0.15 мм (желательно 0.20 мм)
Минимальная ширина линии маркировки –
0.15 мм