Особенности проектирования печатных плат на металлическом основании Муравьёв Ю.В.

Возникновение температурного поля Только 5-10% потребляемой электронными устройствами мощности превращается в мощность полезных сигналовТолько 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 поляОстальные 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 НадежностьНадежность РаботоспособностьРаботоспособность ПомехоустойчивостьПомехоустойчивость БыстродействиеБыстродействие

Печатные платы – второй уровень иерархического моделирования

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

Тепловой расчет тепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой θJaтепловое 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 θJBТепловое 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 θBAТепловое 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 платыОднослойные печатные платы Двухслойные и многослойные печатные платыДвухслойные и многослойные печатные платы

Базовый материал

Используемые электронные компоненты SMT – элементы ДАSMT – элементы ДА DIP – элементы НЕТDIP – элементы НЕТ

Образцы печатных плат на металлическом основании

Двухслойная печатная плата с металлическим ядром

МПП с металлическим основанием

Используемые электронные компоненты SMT – элементы ДАSMT – элементы ДА DIP – элементы ДАDIP – элементы ДА

Образец многослойной печатной платы с алюминиевым основанием

Краткий обзор материалов, используемых на нашем производстве

Базовый материал Медная фольга Теплопроводящий изоляционный слой Металлическое основание

Медная фольга (однослойные платы) 35 мкм35 мкм 70 мкм70 мкм 105 мкм105 мкм 140 мкм140 мкм

Металлическое основание АлюминийАлюминий МедьМедь СтальСталь

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

Толщина базового материала Срочное производство 1.5 мм1.5 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-03RUIKAI IMS мкм75 мкм 1.42°C/W1.42°C/W

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

Изоляционный слой BERGQUISTBERGQUIST От 0.45°C/W до 0.7°C/WОт 0.45°C/W до 0.7°C/W

Изоляционный слой TOTKING - T111TOTKING - T мкм100 мкм 0.7°C/W0.7°C/W

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

Структура платы Медная фольга FR4 or Prepreg Медная фольга FR4 or Prepreg Медная фольга FR4 or Prepreg Медная фольга Теплопроводящий изоляционный слой Металлическое основание

Медная фольга (двухслойные и многослойные печатные платы) 18 мкм18 мкм 35 мкм35 мкм 70 мкм70 мкм 105 мкм105 мкм 140 мкм140 мкм

Металлическое основание АлюминийАлюминий МедьМедь СтальСталь

Изоляционный слой ARLON ML99ARLON ML99 ARLON ML92ARLON ML92 ARLON 49NARLON 49N

Сравнение теплопроводности материалов FR W/MKFR W/MK ARLON 99ML 1.1 W/MKARLON 99ML 1.1 W/MK ARLON 92ML 2.0 W/MKARLON 92ML 2.0 W/MK ARLON 49N 0.25 W/MKARLON 49N 0.25 W/MK

Маскирующее покрытие Двухкомпозитная жидкая паяльная маска БелаяБелая ЧернаяЧерная ЗеленаяЗеленая СиняяСиняя КраснаяКрасная

Позиционные обозначения (шелкография) БелыйБелый ЧерныйЧерный ЖелтыйЖелтый Зеленый (срочное производство)Зеленый (срочное производство)

Финишное покрытие HASLHASL Lead Free HASLLead Free HASL Immersion GoldImmersion Gold Gold PlatingGold Plating Immersion SilverImmersion Silver Immersion TinImmersion Tin

Технологические возможности Срочное производство

Используемый материал TOTKING - T111TOTKING - T111 Толщина алюминиевого основания – 1.5 ммТолщина алюминиевого основания – 1.5 мм Толщина диэлектрика мкмТолщина диэлектрика мкм Толщина медной фольги – 35 мкмТолщина медной фольги – 35 мкм Тепловое сопротивление диэлектрика - 0.7°C/WТепловое сопротивление диэлектрика - 0.7°C/W

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

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

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

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

Технологические требования срочного производства Минимальная ширина линии маркировки –Минимальная ширина линии маркировки – 0.15 мм 0.15 мм

Размер рабочего поля заготовки на срочном производстве Малая заготовка мм х 285 ммМалая заготовка мм х 285 мм Большая заготовка мм х 380 ммБольшая заготовка мм х 380 мм Максимальный размер готовой платы – 380 мм Х 320 ммМаксимальный 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; TOTKINGRUIKAI; BERGQUIST; TOTKING Толщина алюминиевого основания –Толщина алюминиевого основания – - от 1.0 до2.0 мм - от 1.0 до2.0 мм Толщина диэлектрика -Толщина диэлектрика - - от 75 мкм до 150 мкм - от 75 мкм до 150 мкм

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

Медная фольга (двухслойные и многослойные печатные платы) 18 мкм18 мкм 35 мкм35 мкм 70 мкм70 мкм 105 мкм105 мкм 140 мкм140 мкм

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

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

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

Спасибо за внимание