DFM: kompedium wiedzy o PCB IMS

© Rayming PCB

Warstwa bazowa

Wybór metalu i grubości warstwy bazowej IMS zależy od zastosowania. Najczęściej używanym materiałem jest aluminium, a wybór konkretnego stopu jest definiowany głównie szczegółowymi wymaganiami: stop 6061 T6 jest najbardziej podatny na obróbkę skrawaniem, ale jeśli wymagane jest formowanie, zalecany jest bardziej miękki stop, taki jak 5052 H34. Grubość metalu bazowego zależy od wymagań dotyczących sztywności mechanicznej, zastosowania mechanicznych elementów złącznych (tj. press-fit) czy gwintowanych otworów, zapotrzebowania na masę termiczną i - w wielu przypadkach - ceny. Ze względu na cenę, na rynku przetwornic DC-DC zwykle wybiera się cieńsze materiały bazowe, podczas gdy w przypadku napędów silnikowych zazwyczaj wybierane są grubsze materiały ze względu na masę termiczną i sztywność mechaniczną.

W przypadku LED najczęściej wybierane są cieńsze materiały aluminiowe przede wszystkim w celu obniżenia kosztów, z wyjątkiem zastosowań o bardzo wysokiej wydajności, w których preferowana jest miedź. W zastosowaniach, w których montuje się matryce bezpośrednio do podłoża, powszechne jest stosowanie grubszych podstaw aluminiowych lub miedzianych, z materiałami bazowymi o grubości do 0,125 cala.

Coraz częściej wykorzystywana jest też możliwość bezpośredniego lutowania lub wykonywania powlekanych połączeń przelotowych na podłożu miedzianym. Oczywiście nie jest to możliwe w przypadku cienkiego aluminium, chociaż niektóre projekty wykorzystywały press-fit z jednoczesnym usuwaniem dielektryka i zgrzewaniem ultradźwiękowym.

Dostępne są  również inne specjalne materiały bazowe, stosowane w zależności od zapotrzebowania na właściwości magnetyczne, określone zakresy CTE lub inne właściwości. Szeroka oferta metali bazowych i ich grubości pozwala projektantowi dostosować projekt do wymagań aplikacji. Ta elastyczność płytek IMS pozwala na wykraczanie ich funkcji poza platformę do montażu komponentów i połączeń. Wybór materiałów IMS daje projektantowi możliwość zminimalizowania rezystancji termicznej, maksymalizacji potrzeb w zakresie izolacji elektrycznej i optymalizacji grubości obwodu miedzianego pod kątem wymagań prądowych i/lub rozpraszania ciepła.

Uwagi dotyczące testów bezpieczeństwa

Często projektanci wybierają najcieńszy możliwy materiał, optymalizują wydajność termiczną kosztem wymaganych odstępów. Podawane przez producentów wartości przebicia dielektryka są właściwościami materiału zmierzonymi w warunkach laboratoryjnych i nie koniecznie mają bezpośrednie odniesienie do konkretnych projektów. Ponadto, napięcie przebicia to napięcie, przy którym dielektryk ulega uszkodzeniu i nie jest odpowiednie jako napięcie probiercze. Tak więc projektant musi wziąć pod uwagę izolację potrzebną do przejścia testów bez degradacji dielektryka lub wystąpienia błędów w teście. Niewielki wzrost grubości dielektryka potrzebny do zapewnienia marginesu bezpieczeństwa elektrycznego nie zawsze wpływa negatywnie na wydajność cieplną. Podczas korzystania z materiałów IMS należy wziąć pod uwagę odległości izolacji napięcia wymagane w normach agencji bezpieczeństwa. Producent płytek drukowanych naprawdę nie jest w stanie określić odpowiednich wymagań dotyczących odstępów; tylko projektant może określić prześwit wymagany do niezawodnego testowania i działania.

Produkcja obwodów

Chociaż jest podobna do FR-4, produkcja IMS różni się na końcowym etapie depanelizacji. Początkowe etapy obrazowania, trawienia, maski lutowniczej i wykańczania powierzchni wykorzystują podobny typ sprzętu i podobne procesy jak FR-4. Podczas gdy większość płyt FR-4 to konstrukcje dwustronne lub wielowarstwowe, IMS jest z natury układem jednostronnym, wymagającym ochrony strony bazowej.

Głównym obostrzeniem projektowym dotyczącym możliwości produkcyjnych jest to, że płyty IMS do zastosowań o dużej mocy są budowane przy zastosowaniu miedzi o większej wadze. Średnia waga miedzi wynosi zazwyczaj 4 uncje, a wiele projektów ma od 6 uncji do 10 uncji. Ze względu na ciężar miedzi, układ płytki musi uwzględniać właściwości jej wytrawiania. Typowa aplikacja LED zawiera 2 uncje miedzi, cieńsze ścieżki i odstępy i pewne ilości miedzi wypełniającej i poprawiającej rozpraszanie ciepła. Możliwości procesowej producentów różnią się nieznacznie, ale ich wymagania kontroli reguł projektowych (design rule check, DRC) uwzględniają minimalne odstępy i szerokość ścieżek. Dlatego układ płytki z większą ilością miedzi musi uwzględniać większe odstępy między elementami (0,014” dla 4 uncji lub 0,030” dla 10 uncji) i minimalne szerokości ścieżek (0,008” dla 4 uncji i 0,015” dla 10 uncji). W związku z tym możliwość umieszczenia elementów o drobniejszym rozstawie wyprowadzeń i komponentów zasilających SMD na tej samej płytce drukowanej może nie być możliwa. Widać to w częstym podejściu stosowanym w projektach przetwornic DC-DC; urządzenia zasilające są zamontowane na płytce IMS, a urządzenia o drobniejszej podziałce znajdują się na wielowarstwowej płytce FR-4, przymocowanej powyżej za pomocą pinów połączeniowych.

Grube folie miedziane

Stosując większe ilości miedzi, wynikające z wymagań prądowych i rozpraszania ciepła, należy wziąć pod uwagę inne kwestie związane z procesem. Aby zapewnić odpowiednie pokrycie, zarówno między obwodami, jak i na krawędzi ścieżek, aplikacja maski lutowniczej wymaga optymalizacji procesu. Wynika to z wysokości grubej miedzi i zdolności ekranowania maski lutowniczej w zagłębieniach: soldermaska powinna mieć odpowiednie właściwości tiksotropowe, aby mogła pozostać na krawędzi lub kolanie ścieżki. Kolejną kwestią dotyczącą pokrycia maską lutowniczą jest zalecenie, aby przysłaniała ona pady lutownicze. Konieczność utrzymania czystości jonowej ma kluczowe znaczenie dla długoterminowej niezawodności. Obecność  maski lutowniczej na krawędzi padów eliminuje możliwość uwięzienia resztek topnika w rogach, co mogłoby doprowadzić do późniejszej awarii.

W przypadku IMS używanego w aplikacji przewidującej bezpośrednie mocowanie matrycy do substratu, maska lutownicza jest często używana jako tama lutownicza. Pytaniem do rozważenia jest tutaj minimalna szerokość linii, tak aby zachować przyczepność maski lutowniczej w dalszych etapach procesu. Projektanci płytek powinni również wziąć pod uwagę kompatybilność maski lutowniczej z procesem zalewania lub lakierowania. Podobnie jak w przypadku wymagań dotyczących powlekania, maski lutownicze różnią się w zależności od dostawcy i należy je zweryfikować pod kątem zgodności z tymi procesami.

Inna kwestia projektowa związana z grubymi elementami miedzianymi dotyczy płyt wymagających wykonania napisów. Ponieważ jest to również proces sitodruku, należy wziąć pod uwagę wysokość miedzi i rozmieszczenie znaków lub elementów. W większości przypadków ten problem można rozwiązać za pomocą cyfrowego druku.

Wykończenie powierzchni

Wymagania dotyczące wykończenia powierzchni dla płytek IMS są podobne do tych dla płytek FR-4, jednak rozmiary elementów zasilających mają wpływ na grubość wykończenia HASL. Utworzenie odpowiedniej grubości wykończenia na dużych padach spowoduje zwiększenie grubości również na małych padach, tak więc aby zrównoważyć grubość na różnych rozmiarach komponentów, producent PCB musi dostosować proces. W przypadku wykończenia ENIG lub ENEPIG, stosowanych w aplikacjach związanych z połączeniami w drutem aluminiowym lub złotym w technologii wire-bond, producent musi odizolować metal bazowy od procesu powlekania.

Ponadto, aplikacje wymagające tego typu wykończenia, muszą uwzględniać cenę wykończenia powierzchni wyrażoną w calach kwadratowych, dlatego też powierzchnia platerowana powinna być ograniczona do minimum przy użyciu maski lutowniczej.

Specyficzne dla IMS są wykończenia metalowej podstawy IMS, które obejmują anodowanie i powlekanie konwersyjne aluminium oraz powlekanie miedzią. W zależności od wymagań, w ten sposób można wykańczać cały panel lub jego poszczególne partie. Jeśli aplikacja wymaga pokrycia krawędzi, wówczas proces wykańczania zawsze wykonywany jest na pojedynczej płytce. Należy zdać sobie sprawę, że ze względu na robociznę, cena części wykończanych indywidualnie jest znacznie wyższa niż cena części wykańczanych w panelu.

Wiercenie otworów

Wiercenie otworów - rutynowe działanie w przypadku FR-4 - znacznie różni się w przypadku podłoży IMS. Wiercenie polimeru wypełnionego ceramiką zawierającego zwykle grubą metalową bazę zdecydowanie wpływa na wielkość otworów i żywotność wiertła. Zazwyczaj rozmiary otworów wahają się od średnicy 0,010” dla przelotek platerowanych do średnicy 0,250” dla niepowlekanych otworów montażowych. W przypadku większych otworów, wymagany jest otwór prowadzący. Zwykle wymagany jest również etap usuwania zadziorów ze względu na tworzenie się zadziorów na wyjściu z metalowej podstawy. Optymalną metodą w przypadku dużych otworów jest ich przebicie (np. prasą wykrawającą CNC).

Nietypowe procesy

Podłoża IMS mogą również zostać poddane wielu innym procesom mechanicznym, takim jak pogłębianie, gwintowanie, formowanie kołnierzy i ablacja materiału dielektrycznego w celu odsłonięcia metalu podstawowego dla połączeń elektrycznych. Wymagana tolerancja i dokładność wykonania tych operacji wpływa na rodzaj procesu, co ma bezpośredni wpływ na cenę.

Stosowanie połączeń mechanicznych jest bardzo powszechne w IMS i niedostępne w przypadku podłoży ceramicznych. Specjalne procesy, które można zastosować obejmują: selektywne usuwanie dielektryka, tworzenie cokołu, ślepe przelotki do metalowej podstawy, przelotki zarówno wypełnione, jak i niewypełnione oraz przelotki w podkładce (operacje te pokazano na rysunku poniżej).

Depanelizacja

Do depanelizacji stosowane są frezy V-kształtne, podobne do tych stosowanych w FR-4, jednak prędkość procesu są bardzo różne, konieczne są specjalne ostrza tnące do metalu, wymagające chłodziwa w celu zapewnienia ich wystarczającej trwałości. Możliwości maszyn CNC pozwalają na tworzenie płytek o rozmaitych kształtach, choć w większości przypadków PCB przybiera formę kwadratu lub prostokąta.

Frezowanie płytek jest zwykle stosowane w przypadku małych serii i prototypów, wiąże się bowiem z określonymi kosztami: wydłużony czas pracy maszyn, zużycie narzędzi i zwykle konieczność dodatkowego operacji usuwania zadziorów i mycia. Jednak przewagą tych metod nad v-scoringiem jest możliwość tworzenia różnorodnych geometrii PCB, które mogą przybrać np. okrągły kształt.

Preferowaną i najbardziej konkurencyjną cenowo metodą depanelizacji płyt IMS jest sztancowanie za pomocą wykrojnika. Metoda ta może generować geometrie płytek w szerokiej gamie kształtów i rozmiarów. Jest dostępny dla każdego materiału, jaki ma do zaoferowania IMS. Jedynym czynnikiem ograniczającym jest rozmiar części, ponieważ jest to związane z kosztem oprzyrządowania, ale typowe płytki IMS są niewielkich rozmiarów. Używa się tego samego typu jednokierunkowych i szybkich pras wykrawających, które są stosowane w przemyśle metalowym wraz z zestawami stempel / matryca. Podstawowa różnica polega na konstrukcji stempla, który nie może stykać się obwodem, aby uniknąć deformacji miedzi w dielektryku.

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!