เครื่องทำความร้อนทองแดงหนา: สงครามระหว่างแอมป์และการบัดกรี

คุณใช้สัปดาห์ในการวางผัง โครงร่างได้รับการตรวจสอบแล้ว DRC ใน Altium สะอาด และแผ่นพลังงานเป็นแท่งทองแดง 3oz ขนาดใหญ่มากที่ออกแบบมาให้รองรับกระแส 100 แอมป์โดยไม่เหนื่อยล้า บนหน้าจอ ดูเหมือนผลงานชิ้นเอกของการเชื่อมต่อเส้นทางอิมพีแดนซ์ต่ำ สายดินเชื่อมต่อครบทุกสาย สายลมหมดไป และการจำลองแสดงเส้นทางสีฟ้าสวยงามเยือกเย็นสำหรับกระแสไฟฟ้าของคุณ

จากนั้น แผ่นวงจรกลับมาจากโรงงาน และกลายเป็นอิฐ

ข้อต่อหลุดออกเพราะการเชื่อมจุดบัดกรีเย็นและเป็นเม็ด ๆ ฟีท FET พลังงานล้มเหลวในสนามเพราะมันไม่เคยชุบวางลงบนแผ่น ทำให้เกิดการเชื่อมต่อความต้านทานสูงซึ่งร้อนขึ้นและในที่สุดก็แตกร้าว คุณไม่ได้ออกแบบวงจร คุณได้ออกแบบซิงค์ความร้อนที่กลืนพลังงานความร้อนจากเตาเผาขึ้นสนิท

นี่คือความขัดแย้งพื้นฐานของการออกแบบ PCB พลังงาน รูปทรงของทองแดงที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายกระแสไฟฟ้าสูงมักเป็นรูปทรงเดียวกันกับที่ป้องกันการเชื่อมต่อบัดกรีที่เชื่อถือได้ ฟิสิกส์ไม่สนใจเกี่ยวกับความเชื่อมต่อเน็ตลิสต์ของคุณ หากคุณไม่สามารถให้ความร้อนหลอมละลาย ชีวิตของบอร์ดก็จะจบลง

อุณหพลศาสตร์ของอิฐ

หยุดคิดเหมือนวิศวกรไฟฟ้าแล้วเริ่มคิดเหมือนช่างประปาที่จัดการกับการไหลของความร้อน เมื่อคุณวางแผ่นบัดกรีของส่วนประกอบโดยตรงบนแผ่นทองแดงขนาดใหญ่ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีความหนา 2oz, 3oz หรือมากกว่า) คุณกำลังเชื่อมต่อแอ่งโลหะที่หลอมละลายเข้ากับอ่างความร้อนขนาดใหญ่

เมื่อเตาเผาหรือเตาเชื่อมจุ่มสัมผัสกับแผ่นนั้น มันพยายามยกอุณหภูมิในท้องถิ่นให้ถึงจุดหลอมละลายของบัดกรี—โดยปกติประมาณ 217°C สำหรับ SAC305 อย่างไรก็ตาม ทองแดงเป็นฉนวนความร้อนที่ยอดเยี่ยม แผ่นดินที่ใหญ่โตนี้ทำหน้าที่เป็นถนนหลวง ที่ดูดซับความร้อนออกจากแผ่นเร็วกว่าที่แหล่งความร้อนจะให้ได้ มันเหมือนกับพยายามเติมถังด้วยสายแรงดันน้ำที่ระบายออกด้านล่าง คุณสามารถเปิดเตาเชื่อมของคุณที่อุณหภูมิ 450°C และเสี่ยงต่อการเสียหายกับกาวยึดทองแดงบน FR-4 แต่ก็ไม่สำคัญ ความร้อนจะไม่อยู่ที่จุดเชื่อมต่อ มันจะระบายออกไปยังแผ่น

ผลลัพธ์คือ "จุดเย็น" บัดกรีอาจละลายบนสายไฟของส่วนประกอบ แต่ก็แข็งตัวเมื่อมันแตะบนแผ่นทองแดง มันกลมกลืนอยู่บนพื้นผิวเหมือนเมอร์คิวรีบอล แทนที่จะไหลออกเป็นลูกกลิ้งเรียบ หากช่างเทคนิคพยายามบังคับโดยการถือเตาไว้เป็นเวลา 45 วินาที ปกติจะหลุดลอกแผ่น หรือเผาฟลักซ์ออกก่อนที่จะเกิดการเปียกชื้น นี่เป็นจุดที่มักจะโทษเครื่องมือของพวกเขา คิดว่าจำเป็นต้องใช้เตาที่วัตต์สูงขึ้น แต่แม้แต่ Metcal MX-500 กับหัวจับน้ำหนักเยอะก็ไม่สามารถต้านแผ่น 4oz ได้โดยไม่มีความช่วยเหลือ มวลความร้อนชนะเสมอ

ความเชื่อผิด ๆ เกี่ยวกับ “การเชื่อมต่อโดยตรง”

ความเชื่อผิด ๆ ที่แพร่หลายเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง กล่าวว่ามีเส้นทางกระแสสูง ต้อง ใช้โพลิกอนเชื่อมต่อโดยตรง กลอุบายดูเหมาะสม: การจำกัดใด ๆ ในเส้นทองแดงจะเพิ่มความต้านทาน ซึ่งจะเพิ่มความร้อน ดังนั้น เพื่อให้ความร้อนน้อยที่สุด เราต้องเพิ่มการสัมผัสทองแดงสูงสุด

กลอุบายนี้อันตรายเพราะมันละเลยชั้นการผลิต การเชื่อมต่อโดยตรงที่ผลลัพธ์เป็นการเชื่อมจบร้อนเย็นจะมีความต้านทานการสัมผัสสูงกว่าการเชื่อมต่อที่ถูกต้องผ่าน spokes การเชื่อมนี้เป็นเวลาเวลารอระเบิด การทำงานในวงจรความร้อน—เช่นตัวควบคุมมอเตอร์ที่ร้อนขึ้นและเย็นลง โครงสร้างของ cold solder จะแตก เมื่แตก ความต้านทานจะพุ่งสูงขึ้น การเชื่อมจะร้อนขึ้น และในที่สุดคุณจะเจอการเปิดวงจรหรือไฟไหม้รุนแรง

นี่ไม่จำกัดเฉพาะตัวเชื่อมต่อขนาดใหญ่เท่านั้น สาเหตุเดียวกันของความไม่สมดุลทางความร้อนทำให้เกิด tombstoning บนชิ้นส่วนเล็ก ๆ หากคุณม capacitor ขนาด 0603 เชื่อมต่อเส้นสัญญาณกับ plane ดินและคุณใช้การเชื่อมต่อโดยตรงกับด้านดิน การละลายของตะกั่วบนด้านสัญญาณจะเกิดก่อน ความตึงผิวดึงชิ้นส่วนขึ้นตั้งตรง ทำให้มันยืนบนปลาย เตา reflow ให้ความร้อนบนแผงวงจรเท่าเทียมกัน แต่แผงวงจรไม่ รับ ความร้อนเท่าเทียมกัน ยกเว้นคุณทำงาน RF ที่ความผิดเพี้ยนของ impedance มีความสำคัญ หรือจัดการกับกระแส pulse สูงจนทำให้ Spoke ระเหยทันที การเชื่อมต่อโดยตรงบน power planes ปกติเป็นข้อบกพร่องด้านการออกแบบที่แสร้งทำเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพ

การคำนวณการประนีประนอม

เข้าสู่ความร้อน relief: พวก spokes ที่เชื่อมต่อวงล้อรถไฟกับ plane พวกเขาทำหน้าที่เป็นเขื่อนความร้อน จำกัดการไหลของความร้อนเพียงพอให้แผ่นสามารถถึงอุณหภูมิในช่วงเวลา 60-90 วินาทีของหน้าต่าง reflow

นี่คือจุดที่ความกลัวเริ่มเข้ามา หากคุณทำ spokes บางเกินไป พวกเขาจะกลายเป็นฟิวส์

ค่าเริ่มต้น CAD จะทำให้คุณเสียเวลา กฎมาตรฐานใน KiCad หรือ Eagle มักถูกปรับให้เหมาะสมสำหรับชั้นสัญญาณ ซึ่งสร้าง spokes ขนาด 10-mil ที่ระเหยทันทีเมื่อคุณส่งกระแส 20 แอมป์ผ่านพวกเขา คุณต้องคำนวณความกว้างของ spoke ตามภาระงานจริง มันคือการแลกเปลี่ยน: ทองแดงพอที่จะรับกระแส แต่ไม่มากพอที่จะกันความร้อน

เริ่มต้นด้วยพื้นฐาน กำหนดกระแสไฟต่อพิน หากพินของตัวเชื่อมต่อรับ 40 แอมป์ อย่าเข้าใจผิดว่าพินเดียวกันต้องรับ 40 แอมป์เอง โดยปกติพินเป็นข้อจำกัด แต่สมมุติว่าคุณต้องรองรับภาระนั้น ใช้มาตรฐาน IPC-2152 เพื่อกำหนดความกว้างของเส้นทางที่จำเป็นสำหรับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น หากคุณต้องการทองแดงความกว้าง 100 mil เพื่อรับกระแสนั้นด้วยการขึ้นของอุณหภูมิ 10°C และคุณมีสี่ spoke แต่ละ spoke ต้องมีความกว้าง 25 mil

แต่รอ สป็อกที่มีความกว้าง 25-mil บนทองแดง 3oz ยังเป็นท่อความร้อนที่สำคัญ อาจจะมีความนำความร้อนมากเกินไปสำหรับโปรไฟล์ reflow มาตรฐาน คุณอาจต้องลดจำนวน spoke ลงเหลือสองสายที่กว้างขึ้น หรือลองเพิ่มความยาวของ spoke เพื่อสร้างเส้นทางความร้อนที่ยาวขึ้น มันคือกระบวนการทวนฤดู คุณกำลังหาสมดุลระหว่างความเสี่ยงของการสื่บฟิวส์ (ความล้มเหลวทางไฟฟ้า) กับความเสี่ยงของการเชื่อมต่อที่ไม่เคยเปียก (ความล้มเหลวทางกล)

มีความไม่แน่นอนที่นี่ มาตรฐาน IPC เป็นแบบอนุรักษ์นิยม และประสิทธิภาพในโลกจริงขึ้นอยู่กับการไหลของอากาศและความนำความร้อนของ substrate ของคุณ แต่อย่าคิดไปเอง คำนวณด้วยสูตรของ Saturn PCB Toolkit ดีกว่าการประมาณค่า และในขณะที่นักออกแบบบางคนพยายามโกงโดยการเย็บ vias รอบๆ pad เพื่อเพิ่มการไหลของกระแสแนวตั้ง จำไว้ว่าทุกบ่อผ่านเคลือบเป็นจุดยึดความร้อนอีกจุดที่ลากความร้อนออกจากพื้นผิว

ความเป็นจริง DFM: การต่อสู้ของช่างเทคนิค

เพิกเฉยการคำนวณเหล่านี้และท่วม plane แล้วคุณประกาศสงครามกับชั้นการประกอบ เมื่อบอร์ดที่มีความร้อน relief ที่ไม่ดีมาถึงโต๊ะแก้ไข มันกลายเป็นฝันร้าย

ภาพช่างเทคนิคพยายามเปลี่ยน MOSFET บนบอร์ดของคุณ เขาใช้เตารีดแล้วไม่มีอะไรเกิดขึ้น บอก็ไม่ละลาย เขาเพิ่มตะกั่วใหม่ไปยังปลายหัวเพื่อเพิ่มพื้นที่สัมผัส ตอนนี้มันเป็นของเหลวข้น เขาต้องจับแผ่นความร้อน คาดสายบอร์ดของคุณไว้ และอุ่นแรงด้วยอุณหภูมิ 150°C—การอบไฟฟ้าในคาปาซิเตอร์ของคุณ—เพียงเพื่อให้ความต่างของความร้อนลดลงพอที่จะให้เตารีดเชื่อมต่อช่องว่างได้

ความเครียดทางความร้อนนี้ทำให้วัสดุ FR-4 เสื่อมคุณภาพและลดอายุของทุกชิ้นส่วนบนบอร์ด คุณอาจประหยัดความต้านทานได้ 2 มิลิโอห์มด้วยการเชื่อมต่อโดยตรง แต่คุณจะเสียเวลาในการแก้ไขและบอร์ดที่ต้องทิ้งเป็นพันในต้นทุนการทำใหม่ บอร์ดที่ไม่สามารถแก้ไขได้คือบอร์ดทิ้ง การสร้างของเล่นสำหรับผู้บริโภคแบบทิ้งแล้วทิ้งไม่ใช่ข้อกำหนดที่เข้มงวดของการแก้ไข

การออกแบบสำหรับเตาอบ

เป้าหมายง่ายๆ คือ การหลอกลวงความร้อนให้อยู่ในตำแหน่งที่คุณต้องการ เพียงพอที่จะสร้างพันธะโลหะอัดแน่นที่ทำให้จุดเชื่อมหรือข้อต่อ solder เป็นของจริง

อย่าให้เครื่องมือ CAD ควบคุมคุณ ไปที่กฎการออกแบบ ตั้งชั้นเฉพาะสำหรับเครือข่ายไฟฟ้าของคุณ บังคับให้ซอฟต์แวร์ใช้ล้อร้อนทางความร้อนที่คำนวณแล้ว แทนค่าเริ่มต้นทั่วโลก มันใช้เวลาสองชั่วโมงเพิ่มเติมในช่วงการออกแบบเพื่อกำหนดกฎเหล่านี้และตรวจสอบให้ถูกต้อง ชั่วโมงนี้จะประหยัดสัปดาห์ในการรัน prototypes ครั้งแรกที่มีการหลุดออกของตัวเชื่อมต่อบนบอร์ด

เรามักจะหลงทางในการไล่ตามแผนภาพวงจรไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ โดยสมมุติว่าถ้ามีเส้นทางของอิเล็กตรอน ก็หมายความว่างานเสร็จแล้ว แต่ตัวอิเล็กตรอนไม่ได้โอกาสไหลผ่านเลยถ้ากระบวนการผลิตล้มเหลว ทองแดงหนาๆ ต้องการความคิดที่รอบคอบเกี่ยวกับเทอร์โมไดนามิกส์ เคารพความร้อน ขัดขวางการไหลในบริเวณ pad และให้ตะกั่วทำงานของมัน