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大功率电源厚铜板是怎样提高电路效率和可靠性的

电源厚铜板 大功率电源厚铜板

     在现代电子产品设计中,就热特性设计而言,除电路设计、器件特性和系统的散热方式外,电路板的特性同样有着相当重要的影响。首先电路板作为其他所有器件的载体,整个电路组件的热特性将集中反映在上面,电路板的热可靠性就显得非常关键;电路板上的印制导线起着器件之间的互连作用,随着功率器件的性能提升,电路板所承受的电流从毫安级发展到安培级,尤其是大功率电源厚铜板,传输电流达到几十安培,这时导线的发热以不容忽视;大功率电源厚铜板的导线除了互连作用以外,还有具有功能特征的平面绕组,不仅负载电流大,而且集中布设在多层板的各层对应位置,发热相当集中,如何减少发热和导热问题是提高电路效率和可靠性的关键。

大功率厚铜电源板

     导热和电气绝缘从理论上讲是一组对立的问题,但在电源模块中个别需要承受很高的电压,局部可高达几百伏甚至上一千伏,既要保证电气绝缘良好,又要使其具有良好的导热性,在模块电源印制板设计和加工时是一个值得注意的问题。

以上等等这些都要求印制板专业人员对印制板的发热、导热、散热和不同条件下印制板的可靠性有一清醒的认识,从而为设计人员提供准确的依据并且用适宜的材料和工艺来保证产品的可靠性。为此特设立本课题,就印制板的导热结构设计、导线的载流量、发热情况、不同介质的导热特性和耐热特性进行研究。

 试验内容:

本试验项目将安排以下几方面试验

1. 不同结构中,不同厚度铜层,不同线宽的载流量试验,并确定其温升。

2. 导热绝缘介质相对于普通材料对产品局部温升的影响。

3. Tg材料在大功率电源厚铜板中应用的耐热特征。

试验步骤

1.按下表制作不同结构、不同铜厚、不同线宽的测试样品     


        结构

 铜厚   试片

外层线路

内层线路

内层线路集中

备注

1OZ(35μ)铜

2

2

2

高Tg材料

2OZ(35μ)铜

4

4

4

高Tg材料

4OZ(35μ)铜

2

2

2

高Tg材料

2OZ(35μ)铜

2

2

2

普通FR4材料

2OZ(35μ)铜

2

2

2

导热填充材料

注:试样中包含有8mil  12mil  20mil  40mil  100mil六种线宽

2.对以上试片进行载流测试,确定各种条件下造成印导线局部温升达到 60℃情况下的载流量。

3.用从普通试样上试验测得的60℃温升时的载流量,来试验用导热材料填充的多层试样,测量其对应的温升。

4.对高Tg材料、普通FR4材料和导热填充材料制作的试样中的20mil线路进行极限载流试验(基材轻微变色或出现分层、其泡),试验持续时间30分钟,并测量其绝缘值的变化。

5.制作一对多层试样,其中一组按常规布线设计,另一组采取增加导热孔和尽可能增大内层铜箔填充,比较其极限电流的承载情况。

试验设备

试验需使用以下试验设备

1. 100A/12V直流电源

2. 数字温度计(带点状探头,测试精度±1℃)

3. 绝缘电阻测试仪

试验材料

试验使用以下材料

1. FR4覆铜板和半固化片

2. Tg FR4覆铜板和半固化片

3. 内层散热填充材料(进口)

 检测方式

在试验过程中,必须对测试点进行相同方式的隔离,防止其他形式的热对流、传导而影响测试果,所有目视检查应在5倍放大镜下进行。

得出的结论

通过本项目的试验,应取得以下结论

1. 不同厚度铜层、不同宽度导线在不同结构中的载流量。

2. 导热材料对降低温升的贡献率。

3. 普通FR4、高Tg FR4、内层到热填充材料的耐热特性。

4. 多层板导热设计结构对提高使用电流的作用。


 试验报告                                                  

     一、试样准备过程

    1. 内层材料准备

本试验分别使用以下四种内层材料:

普通FR4 O.4 1oz; 0.3 2oz; 0.3 3oz

Tg FR4 0.3 3oz

内层尺寸12″*14″

     2. 内层/外层图形包含有的线路宽度是0.2mm, 0.3mm, 0.5mm, 1.0mm, 2.5mm; 并用1.0mm线宽绘成平面绕组,对应置于各层线路。

     3. 试样图形中,部分区域导线四周布满铜箔,铜箔区域等距钻孔用于层间导热。

     4. 按多层板制作工艺制作样品,各样品尽量保证介质厚度接近。

     5. 用两块3OZ铜的内层板,在层压时减少半固化片用量,改用导热粉末材料填充。

    表1 测试用的所有试样

试样

编号

结构

铜厚    试片

外层线路

内层线路

内层线路集中

备注

1

1OZ(35μ)铜

2

2

2

普通FR4材料

2

2OZ(70μ)铜

2

2

2

普通FR4材料

3

3OZ(105μ)铜

2

2

2

普通FR4材料

4

3OZ(105μ)铜

2

2

2

高Tg材料

5

3OZ(105μ)铜

2

2

2

导热填充材料

 

二、载流试验

   内/外层导线的载流试验

   用1#试样分别对内层和外层的各种线路通直流电,逐步加大电流,直至线路温升为60℃(稳定10分钟),记录电流值。测试内层温升时将测试点局部外层破坏,便于测量。测试数据如表2。

  表2 温升为60℃时线路的载流量(安培)

   线宽

试样

0.2mm

0.3mm

0.5mm

1.0mm

2.5mm

1#试样

1.95

2.1

2.37

2.6

3.05

3.4

4.3

4.75

7.3

8.2

 

   1,用同样的方法测量导热结构的线路温升为60℃时的载流量

   表3 导热结构线路温升为60℃时线路的载流量(安培)

  线宽

试样

0.2mm

0.3mm

0.5mm

1.0mm

2.5mm

1#试样

3.2

2.9

3.8

3.45

5.15

4.7

7.5

6.8

12.5

11.5


2.
分别测试平面绕组内外层单独通电和同时通电时的载流量,记录温升为60℃况下的电流值。

4 平面绕组温升为60℃时线路的载流量(安培)

试样

结构

内层

外层

内/外层

备注

4#

普通结构

6.1

6.15

2.88

线宽为1mm

5#

导热填充结构

6.5

6.5

3.3

线宽为1mm


1,
测试各种铜层厚度和不同材料中0.5mm线宽导线的极限载流量。(基材轻微变色或出现分层、气泡),试验持续时间30分钟,并测量其绝缘值的变化。

5 不同铜层厚度、不同结构、不同材料中线路的载流量(安培)

 

试样

普通结构

导热结构

导热填充

内层

外层

内层

外层

内层

外层

1#

4.2

4.4

6.5

6.7

4.8

4.8

2#

6.6

6.7

9.9

10

7.5

7.6

3#

8.5

8.5

12.7

12.9

9.5

9.65

4#

9.5

9.6

13.9

13.9

10.4

10.5

5#

9.6

9.4

14

13.6

10.6

10.4


三、试验设备

试验需使用以下试验设备

100A/12V直流电源

1. 数字温度计(带点状探头,测试精度±1℃)

2. 绝缘电阻测试仪

四、试验数据分析和试验结论

通过本项目的试验,对以上得到的数据分析可以得出以下结论

1. 各种厚度铜层、各种宽度导线在不同结构中的载流量已经明确。

2. 导热填充材料对降低内层温升的贡献率可达16%左右。

3. 在导线周围布满导热铜箔和导热孔可比孤立导线载流量提升40%

4. 绕组方式的布线会比单独线路载流下降45%

5. 对应位置的内层和外层导线(或绕组)同时通电时载流量会比单层线路通电下降48%

6. 相对于同样线宽的导线,其极限使用电流(破坏值)高Tg FR4材料比普通FR4材料可高约10%;内层填充导热材料比普通FR4材料可高约14%。

以上试验所取得的数据对确定大功率电源厚铜板的设计方案很有帮助,这样设计多大大提示电路的效率和可靠性,可推荐给相关客户使用。


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