Zware Koperen Thermische Ontlasting: De Oorlog tussen Stroom en Soldeer

Je brengt weken door met de lay-out. Het schema is geverifieerd, de DRC's in Altium zijn schoon, en de stroomvliezen bestaan uit massieve platen van 3oz koper die ontworpen zijn om 100 ampère te dragen zonder te zweten. Op het scherm lijkt het op een meesterwerk van laag-impedantie routing. De netten zijn volledig verbonden, de luchtdraden zijn verdwenen, en de simulatie toont een prachtig, koel blauw pad voor je stroom.

Toen de printplaten terugkwamen van de fabricage, waren ze bakstenen.

Connectors breken af omdat de soldeerverbindingen koud en korrelig zijn. Power FETs falen in het veld omdat ze nooit echt op het contactvlak zijn gesmeerd, wat een hoog-weerstand contact creëert dat opwarmt en uiteindelijk barslaat. Je hebt geen circuit ontworpen. Je hebt een warmteafleider ontworpen die de thermische energie van de reflow-oven volledig inslikt.

Dit is het fundamentele conflict van het ontwerp van power PCB's. De koperen geometrie die nodig is om enorme currents te verplaatsen, is vaak precies hetzelfde als die het betrouwbare soldeerverbinding verhindert. Natuurkunde geeft niet om je netlist-connectiviteit. Als je het soldeer niet kunt laten vloeien, heb je geen bord.

De Thermodynamica van een Baksteen

Stop met denken als een elektrotechnisch ingenieur en begin te denken als een loodgieter die met warmteafvoer bezig is. Wanneer je een componentpad direct op een groot koperen vlak plaatst (vooral als dat 2oz, 3oz of zwaarder is), verbind je een kleine plas gesmolten metaal met een groot thermisch reservoir.

Wanneer de reflow-oven of soldeerblam het pad raakt, probeert het de lokale temperatuur te verhogen tot het smeltpunt van het soldeer—meestal rond 217°C voor SAC305. Maar koper is een uitzonderlijke geleider. Dat grote aardvlak fungeert als een snelweg, dat thermische energie van het pad wegtrekt sneller dan de warmtebron die kan leveren. Het is alsof je een emmer probeert te vullen met een brandweer, die onderaan weggloopt. Je kunt je soldeerbout op 450°C zetten en het risico lopen de lijm die het koper aan het FR-4 houdt, te beschadigen, maar dat maakt niet uit. De warmte blijft niet bij de verbinding; het verdwijnt in het vlak.

Het resultaat is een 'koude verbinding'. Het soldeer kan smelten op de poot van het onderdeel, maar het bevriest op het moment dat het de koperen pad raakt. Het vormt een bolletje, dat op het oppervlak ligt als een kwikdruppel in plaats van eruit te vloeien in een glad profiel. Als een technicus probeert het te forceren door de soldeerbout daar 45 seconden te blijven houden, laten ze meestal het pad delamineren of verbranden ze de flux weg voordat het nat wordt. Vaak geven mensen hier de schuld aan hun gereedschap, denkend dat een krachtigere soldeerbout nodig is. Maar zelfs een Metcal MX-500 met een zware punt kan niet tegen een 4oz vlak zonder hulp. Thermische massa wint altijd.

De 'Direct Connect'-Mythe

Een hardnekkige mythe in vermogenselektronica beweert dat hoge-stroompaden moet Gebruik directe connectiepolygonen. De logica lijkt kloppend: elke beperking in het koperen pad verhoogt de weerstand, wat de warmte verhoogt. Daarom moeten we om de warmte te minimaliseren, het koperen contact maximaliseren.

Die logica is gevaarlijk omdat ze de productievloer negeert. Een directe verbinding die resulteert in een koude soldeerverbinding zal aanzienlijk hogere contactweerstand hebben dan een correct bevochtigde verbinding via thermisch ontlastingsspaken. Die koude verbinding is een tikkende tijdbom. Bij thermisch cyclisch - zoals een motorregelaar die opwarmt en afkoelt - barst de granulair structuur van de koude soldeer. Zodra het barst, stijgt de weerstand explosief, wordt de verbinding heter, en krijg je uiteindelijk een catastrofaal open circuit of brand.

Dit is niet beperkt tot grote connectors. Dezelfde thermische disbalans veroorzaakt tombstoning bij kleinere passieven. Als je een 0603-condensator hebt die een signaalspoor verbindt met een aardvlak en je gebruikt een directe connectie aan de aardzijde, smelt de soldeer aan de signaalzijde eerst. Oppervlaktetension trekt het component rechtop, waardoor het op zijn kant staat. De reflowoven verwarmt het bord gelijkmatig, maar het bord doet dat niet. accepteer De warmte wordt niet gelijkmatig verdeeld. Tenzij je RF-werk doet waarbij impedantiediscontinuïteiten kritisch zijn, of te maken hebt met pulsstromen die zo hoog zijn dat ze een spijker onmiddellijk verdampen, is directe connectie op voedingsvlakken meestal een ontwerpfout die zich voordoet als optimalisatie.

Het Berekenen van de Compromis

Voer de thermische ontlasting in: die wieltjes-spaken die het pad verbinden met het vlak. Ze fungeren als een thermisch dam, die de warmtegeleiding net genoeg beperkt om het pad tijdens de 60-90 seconden van de reflow-venster op temperatuur te laten komen.

Hier slaat de angst toe. Als je de spaken te dun maakt, worden ze zekeringen.

Standaardinstellingen in CAD maken je hier het leven moeilijk. Standaardregels in KiCad of Eagle zijn vaak afgestemd op signaallagen, met 10-mil spaken die verdampen zodra je er 20 ampère doorheen duwt. Je moet de spankwijte berekenen op basis van de daadwerkelijke belasting. Het is een afweging: genoeg koper om de stroom te dragen, maar weinig genoeg om de warmte te blokkeren.

Begin met de basis. Bepaal de stroom per pin. Als een connectorpin 40 ampère draagt, ga er dan niet van uit dat alleen de spaken 40 ampère moeten dragen. Meestal is de pin zelf de beperkende factor, maar laten we zeggen dat je die belasting moet ondersteunen. Gebruik de IPC-2152 norm om de benodigde breedte van de spoor te bepalen voor een gegeven temperatuursverhoging. Als je 100 mil koperen breedte nodig hebt om die stroom te dragen met een temperatuurstijging van 10°C en je hebt vier spaken, moet elke spaak 25 mil breed zijn.

Maar wacht. Een spaak van 25 mil op 3oz koper is nog steeds een significante warmtebron. Het kan te thermisch geleidende zijn voor een standaard reflowprofiel. Je moet mogelijk het aantal spaken verminderen tot twee bredere spaken, of de lengte van de spaken vergroten om een langere thermische weg te creëren. Het is een iteratief proces. Je weegt het risico dat de spaak fuseert (elektrisch falen) af tegen het risico dat de verbinding nooit bevochtigd wordt (mechanisch falen).

Er is onzekerheid hier. IPC-standaarden zijn conservatief, en de prestaties in de praktijk hangen af van luchtstroom en de thermische geleidbaarheid van je specifieke substraat. Maar je kunt beter vertrouwen op de wiskunde van de Saturn PCB Toolkit dan gokken. En terwijl sommige ontwerpers proberen te bedriegen door stitching vias rond het pad te maken om de verticale stroom te vergroten, onthoud dat elke geplateerde doorboring een ander thermisch anker is dat warmte wegtrekt van het oppervlak.

DFM realiteit: De strijd van de technicus

Negeer deze berekeningen en vul het vlak, en je verklaart effectief oorlog aan de assemblagevloer. Wanneer een bord met slechte thermische ontlasting op de herwerkbank ligt, wordt het een nachtmerrie.

Stel je een technicus voor die probeert een MOSFET op je board te vervangen. Ze gebruiken het soldeerijzer. Er gebeurt niets. Het soldeer smelt niet. Ze voegen vers soldeer toe aan de punt om het contactoppervlak te vergroten. Nu is het een slush-achtige massa. Ze moeten de hete plaat pakken, je board vastzetten en de hele samenstelling voorverwarmen tot 150°C—de elektrolyten in je condensatoren bakken—alleen maar om het thermische delta genoeg te verlagen zodat het ijzer de kloof kan overbruggen.

Deze thermische spanning degradeert het FR-4 materiaal en verkort de levensduur van alle andere componenten op het board. Je zou 2 milliohm weerstand kunnen besparen door een directe aansluiting te gebruiken, maar je kost het bedrijf duizenden in herwerk-tijd en afgekeurde assemblages. Een bord dat niet opnieuw kan worden bewerkt, is een wegwerpbord. Tenzij je wegwerpproducten voor consumenten bouwt, is herschikbaarheid een harde eis.

Ontwerp voor de Oven

Het doel is eenvoudig: de hitte zo laten blijven waar je het nodig hebt, net lang genoeg om de intermetallische binding te vormen die een soldeerverbinding echt maakt.

Laat de CAD-tool niet aan je trekken. Ga naar de ontwerpregels. Stel specifieke klassen in voor je stroomnetten. Forceer de software om berekende thermische spaken te gebruiken in plaats van globale standaardinstellingen. Het kost een extra uur tijdens de lay-outfase om deze regels in te stellen en te verifiëren. Dat uur bespaart weken spin-tijd wanneer de eerste prototypes terugkomen met uitvallende connectors op het board.

We raken vaak verdwaald in de jacht naar het perfecte elektrische schema, ervan uitgaande dat als de elektronen een pad hebben, de klus geklaard is. Maar de elektronen krijgen nooit de kans om te stromen als het productieproces faalt. Zwaar koper vereist zwaar nadenken over thermodynamica. Respecteer de hitte, belemmer de stroom bij de pad, en laat het soldeer zijn werk doen.