Особенности проектирования печатных плат на...

Особенности Особенности проектирования проектирования

печатных плат на печатных плат на металлическом металлическом

основании основании

Муравьёв Ю.В.Муравьёв Ю.В.

Возникновение Возникновение температурного полятемпературного поля

• Только 5-10% потребляемой Только 5-10% потребляемой электронными устройствами электронными устройствами мощности превращается в мощность мощности превращается в мощность полезных сигналовполезных сигналов

• Остальные 90-95% потребляемой Остальные 90-95% потребляемой мощности рассеиваются в виде мощности рассеиваются в виде тепловой энергии, что приводит к тепловой энергии, что приводит к возникновению температурного полявозникновению температурного поля

Решение задач Решение задач теплового теплового

проектирования проектирования методом методом

иерархического иерархического моделированиямоделирования5 уровней иерархического5 уровней иерархического

моделированиямоделирования

Пятый уровеньПятый уровень

Моделирование Моделирование температурно-температурно-

влажностного режима влажностного режима помещения, в котором помещения, в котором

будет устанавливаться и будет устанавливаться и эксплуатироваться эксплуатироваться

проектируемое электронное проектируемое электронное изделиеизделие

Четвертый Четвертый уровеньуровень

Моделирование и расчет поля Моделирование и расчет поля температуры и влажности температуры и влажности

воздушной среды внутри каждой воздушной среды внутри каждой стойки проектируемого стойки проектируемого

электронного устройстваэлектронного устройства

Третий уровеньТретий уровень

Моделирование и расчет поля Моделирование и расчет поля температуры, скорости движения и температуры, скорости движения и

влажности воздушной среды, влажности воздушной среды, протекающей внутри панелей протекающей внутри панелей проектируемогопроектируемого электронного электронного

устройстваустройства

Второй уровеньВторой уровень

Моделирование теплового режима Моделирование теплового режима каждого электронного модуля в каждого электронного модуля в

панели: температурное поле панели: температурное поле печатной платы с установленными печатной платы с установленными

на ней электронными на ней электронными компонентами, температура компонентами, температура

корпусов электронных компонентовкорпусов электронных компонентов

Первый уровеньПервый уровень

Моделирование Моделирование температуры на кристалле температуры на кристалле электронного компонентаэлектронного компонента

Влияние температуры на Влияние температуры на кристаллах ИС на кристаллах ИС на эксплуатационные эксплуатационные

характеристики характеристики электронного изделияэлектронного изделия

• НадежностьНадежность• РаботоспособностьРаботоспособность• ПомехоустойчивостьПомехоустойчивость• БыстродействиеБыстродействие

Печатные платы –Печатные платы –второй уровень второй уровень иерархического иерархического моделированиямоделирования

Пример теплового Пример теплового расчета расчета

• Рассеиваемая мощность на Рассеиваемая мощность на светодиоде: светодиоде:

PD = VF * IF PD = VF * IF ГдеГде IF = Прямой токIF = Прямой ток

VF = Прямое напряжениеVF = Прямое напряжение

Тепловой расчетТепловой расчет

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

Тепловой расчетТепловой расчет• Тепловое сопротивление светодиода Тепловое сопротивление светодиода θJBθJB

θJBθJB = = θJc + θcb θJc + θcbГде Где θJc – θJc – тепловое сопротивление между p-n тепловое сопротивление между p-n переходом и корпусом переходом и корпусом θcb – θcb – тепловое сопротивлениетепловое сопротивление (припоя, (припоя, пасты) между корпусом и печатной пасты) между корпусом и печатной платойплатой

Тепловой расчетТепловой расчет

• Тепловое сопротивлениеТепловое сопротивление печатной печатной платы платы θBAθBA θBA = θJa – θJBθBA = θJa – θJBГде Где θJa – θJa – тепловое сопротивление между тепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой p-n переходом и окружающей средой θJB – θJB – Тепловое сопротивление Тепловое сопротивление светодиода светодиода

Расчет минимальной Расчет минимальной ширины проводникаширины проводника

Ширина проводника в Ширина проводника в зависимости от толщины зависимости от толщины

фольги для материала фольги для материала FR4 (FR4 (ΔΔT - 10T - 10°°C)C)

0

10

20

30

40

50

60

70

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ток (А)

Шир

рина

про

водн

ика

(мм

)

Фольга 35 мкмФольга 105 мкм

Ширина проводника в Ширина проводника в зависимости от толщины зависимости от толщины

фольги для материала фольги для материала T111 (T111 (ΔΔT - 10T - 10°°C)C)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Ток (А)

Шир

ина

пров

одни

ка (м

м)

Фольга 35 мкмФольга 105 мкм

FR4 FR4 и платы на и платы на алюминиевом основанииалюминиевом основании

((ΔΔT - 10T - 10°°C)C)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ток (А)

Шир

ина

пров

одни

ка (м

м) FR4; фольга 105 мкм

Т111; фольга 105 мкм

Конструкции Конструкции печатных платпечатных плат

TT--pregpregс медной фольгой на обеих с медной фольгой на обеих

сторонахсторонах

Платы на металлическом Платы на металлическом основанииосновании

• Однослойные печатные платыОднослойные печатные платы

• Двухслойные и многослойные Двухслойные и многослойные печатные платыпечатные платы

Базовый материал Базовый материал

Используемые Используемые электронные компонентыэлектронные компоненты

• SMT – SMT – элементы элементы ДАДА

• DIP – DIP – элементы элементы НЕТНЕТ

Образцы печатных плат Образцы печатных плат на металлическом на металлическом

основанииосновании

Образцы печатных плат Образцы печатных плат на металлическом на металлическом

основанииосновании

Двухслойная печатная Двухслойная печатная плата с металлическим плата с металлическим

ядромядром

МПП с металлическим МПП с металлическим основаниемоснованием

МПП с металлическим МПП с металлическим основаниемоснованием

Используемые Используемые электронные компонентыэлектронные компоненты

• SMT – SMT – элементы элементы ДАДА

• DIP – DIP – элементы элементы ДАДА

Образец многослойной Образец многослойной печатной платы с печатной платы с

алюминиевым основаниемалюминиевым основанием

Образец многослойной Образец многослойной печатной платы с печатной платы с

алюминиевым алюминиевым основаниемоснованием

Краткий обзор Краткий обзор материалов, материалов,

используемых на используемых на нашем производственашем производстве

Базовый материал Базовый материал

Медная фольгаМедная фольгаТеплопроводящий изоляционный Теплопроводящий изоляционный

слойслой

Металлическое основаниеМеталлическое основание

Медная фольгаМедная фольга(однослойные платы)(однослойные платы)

•35 мкм35 мкм•70 мкм70 мкм•105 мкм105 мкм•140 мкм140 мкм

Металлическое Металлическое основаниеоснование

•АлюминийАлюминий•МедьМедь•СтальСталь

Теплопроводность Теплопроводность

• Алюминий -Алюминий -

• Медь -Медь -

150150WW//MKMK

400400WW//MKMK

Толщина базового Толщина базового материаламатериала

Срочное Срочное производствопроизводство

• 1.5 мм1.5 мм

Серийное Серийное производствопроизводство

• 1.0 мм1.0 мм• 1.5 мм1.5 мм• 2.0 мм2.0 мм

Варианты Варианты теплопроводящего теплопроводящего

диэлектрика, диэлектрика, использующегося использующегося

на нашем на нашем производствепроизводстве

Изоляционный слойИзоляционный слойПрепрег на основе стекловолокнаПрепрег на основе стекловолокна

• RUIKAI IMSRUIKAI IMS-03 -03 • 75 75 мкммкм• 1.42°1.42°CC//WW

Изоляционный слойИзоляционный слой• Теплопроводящие материалы из Теплопроводящие материалы из

полимеров на основании керамики полимеров на основании керамики

• RUIKAI;RUIKAI; BERGQUIST;BERGQUIST; TOTKINGTOTKING• От 75 мкм до 150 мкмОт 75 мкм до 150 мкм• От 0.45°От 0.45°CC//W W до 1.0°C/W до 1.0°C/W

Изоляционный слойИзоляционный слой• BERGQUISTBERGQUIST

• От 0.45°От 0.45°CC//W W до 0.7°C/W до 0.7°C/W

Изоляционный слойИзоляционный слой• TOTKING - T111TOTKING - T111

• 100 100 мкммкм• 0.7°0.7°CC//WW

Напряжение пробояНапряжение пробоя• TOTKING - TOTKING - 2.52.5KVKV

• RUIKAI - RUIKAI - от 4.0KV до 8.0от 4.0KV до 8.0KVKV

• BERGQUISTBERGQUIST - - до 11KV до 11KV

Структура платыСтруктура платыМедная фольгаМедная фольга

FR4 or PrepregFR4 or Prepreg

Медная фольгаМедная фольга

FR4 or PrepregFR4 or Prepreg

Медная фольгаМедная фольга

FR4 or PrepregFR4 or Prepreg

Медная фольгаМедная фольга

Теплопроводящий изоляционный слойТеплопроводящий изоляционный слой

Металлическое основаниеМеталлическое основание

Медная фольгаМедная фольга(двухслойные и (двухслойные и многослойные многослойные

печатные платы)печатные платы)•18 мкм18 мкм•35 мкм35 мкм•70 мкм70 мкм•105 мкм105 мкм•140 мкм140 мкм

Металлическое Металлическое основаниеоснование

•АлюминийАлюминий•МедьМедь•СтальСталь

Изоляционный слойИзоляционный слой

• ARLON ML99ARLON ML99

• ARLON ML92ARLON ML92

• ARLON 49NARLON 49N

Сравнение Сравнение теплопроводности теплопроводности

материаловматериалов• FR4 0.25-0.35 FR4 0.25-0.35

W/MKW/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 Маскирующее покрытиепокрытие

Двухкомпозитная жидкая паяльная Двухкомпозитная жидкая паяльная маска маска

• БелаяБелая• ЧернаяЧерная• ЗеленаяЗеленая• СиняяСиняя• КраснаяКрасная

Позиционные Позиционные обозначенияобозначения

(шелкография)(шелкография)• БелыйБелый

• ЧерныйЧерный

• ЖелтыйЖелтый

• Зеленый (срочное производство)Зеленый (срочное производство)

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

Технологические Технологические возможностивозможности

Срочное производствоСрочное производство

Используемый Используемый материалматериал

• TOTKING - T111TOTKING - T111

• Толщина алюминиевого основания – Толщина алюминиевого основания – 1.5 мм1.5 мм

• Толщина диэлектрика - Толщина диэлектрика - 100 100 мкммкм• Толщина медной фольги – 35 мкмТолщина медной фольги – 35 мкм• Тепловое сопротивление диэлектрика Тепловое сопротивление диэлектрика

- 0.7°- 0.7°CC//WW

Технологические Технологические требования срочного требования срочного

производствапроизводства• Минимальный зазор – 0.24 ммМинимальный зазор – 0.24 мм• Мин. ширина проводника – 0.24 Мин. ширина проводника – 0.24

мммм• Минимальное отверстие – 0.9 ммМинимальное отверстие – 0.9 мм• Отверстия более 4.0 мм - Отверстия более 4.0 мм -

фрезеровкафрезеровка• Максимальный размер готовой Максимальный размер готовой

платы – 380 мм Х 320 ммплаты – 380 мм Х 320 мм

Технологические Технологические требования срочного требования срочного

производствапроизводства• Минимальный зазор от края платы Минимальный зазор от края платы

до металла – 0.25 ммдо металла – 0.25 мм• Минимальное расстояние от края Минимальное расстояние от края

платы до отверстия – одна платы до отверстия – одна толщина платы (1.5 мм)толщина платы (1.5 мм)

Технологические Технологические требования срочного требования срочного

производствапроизводства• Минимальное вскрытие площадки в маске – Минимальное вскрытие площадки в маске – размер площадки +0.20 мм (0.10 мм на размер площадки +0.20 мм (0.10 мм на

сторону)сторону)

Технологические Технологические требования срочного требования срочного

производствапроизводства• Минимальная ширина масочного мостика Минимальная ширина масочного мостика – 0.15 мм (желательно 0.20 мм)– 0.15 мм (желательно 0.20 мм)

Технологические Технологические требования срочного требования срочного

производствапроизводства• Минимальная ширина линии маркировки –Минимальная ширина линии маркировки – 0.15 мм0.15 мм

Размер рабочего поля Размер рабочего поля заготовки на срочном заготовки на срочном

производствепроизводстве

• Малая заготовка - 173 мм х 285 ммМалая заготовка - 173 мм х 285 мм• Большая заготовка - 320 мм х 380 Большая заготовка - 320 мм х 380

мммм

• Максимальный размер готовой Максимальный размер готовой платы – 380 мм Х 320 ммплаты – 380 мм Х 320 мм

Пример топологии платы Пример топологии платы на алюминиевом на алюминиевом

основанииосновании

Внимание!Внимание!

Паразитная емкостьПаразитная емкость

Технологические Технологические возможностивозможности

Серийное производствоСерийное производство

Используемые материалыИспользуемые материалы(однослойные печатные (однослойные печатные

платы)платы)• RUIKAI;RUIKAI; BERGQUIST;BERGQUIST; TOTKINGTOTKING

• 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 материалыИспользуемые материалы(однослойные печатные (однослойные печатные

платы)платы)• RUIKAI;RUIKAI; BERGQUIST;BERGQUIST; TOTKINGTOTKING

• Толщина медной фольги –Толщина медной фольги – - от 35 мкм до 140 мкм- от 35 мкм до 140 мкм• Тепловое сопротивление Тепловое сопротивление

диэлектрика – диэлектрика – - от 0.45°- от 0.45°CC//W W до 1.42°C/W до 1.42°C/W

Медная фольгаМедная фольга(двухслойные и (двухслойные и многослойные многослойные

печатные платы)печатные платы)•18 мкм18 мкм•35 мкм35 мкм•70 мкм70 мкм•105 мкм105 мкм•140 мкм140 мкм

Технологические Технологические требования серийного требования серийного

производствапроизводства• Минимальная ширина Минимальная ширина

проводника/минимальный зазор проводника/минимальный зазор

• Для фольги 18 мкм — 0Для фольги 18 мкм — 0..10/010/0..10 мм10 мм• Для фольги 35 мкм — 0Для фольги 35 мкм — 0..15/015/0..15 мм 15 мм • Для фольги 70 мкм — 0Для фольги 70 мкм — 0..20/020/0..20 мм 20 мм • Для фольги 105 мкм — 0Для фольги 105 мкм — 0..25/025/0..25 мм 25 мм • Для фольги 140 мкм — 0Для фольги 140 мкм — 0..30/030/0..30 мм30 мм

Технологические Технологические требования серийного требования серийного

производствапроизводства• Минимальный зазор от края платы до Минимальный зазор от края платы до

металла (фрезерование) – 0.20 ммметалла (фрезерование) – 0.20 мм• Минимальный зазор от края платы до Минимальный зазор от края платы до

металла (скрайбирование) – 0.40 ммметалла (скрайбирование) – 0.40 мм• Минимальное расстояние от края Минимальное расстояние от края

платы до отверстия – одна толщина платы до отверстия – одна толщина платы платы

Технологические Технологические требования серийного требования серийного

производствапроизводства• Минимальное вскрытие площадки в маске Минимальное вскрытие площадки в маске

– – размер площадки +0.10 мм (0.05 мм на размер площадки +0.10 мм (0.05 мм на

сторону)сторону)• Минимальная ширина масочного мостика Минимальная ширина масочного мостика

– 0.15 мм (желательно 0.20 мм)– 0.15 мм (желательно 0.20 мм)• Минимальная ширина линии маркировки Минимальная ширина линии маркировки

–– 0.15 мм0.15 мм

Спасибо за Спасибо за вниманиевнимание