Un número cada vez mayor de productos de electrónica de potencia están aprovechando una tendencia creciente en la industria de las placas de circuito impreso: Las placas de circuito impreso de cobre pesado y cobre extremo.
La mayoría de las placas de circuito impreso disponibles en el mercado se fabrican para aplicaciones de bajo voltaje/baja potencia, con trazas/planos de cobre con pesos de cobre que oscilan entre 1/2 onza/pie2 y 3 onzas/pie2. Un circuito de cobre pesado se fabrica con pesos de cobre entre 4 oz/ft2 y 20 oz/ft2. Los pesos de cobre superiores a 20 oz/ft2 y hasta 200 oz/ft2 también son posibles y se denominan cobre EXTREMO. Nuestro análisis se centrará principalmente en el cobre pesado.
La construcción de un circuito de cobre pesado dota a una placa de ventajas tales como:
- Mayor resistencia a las tensiones térmicas.
- Mayor capacidad de transporte de corriente.
- Mayor resistencia mecánica en los puntos de conexión y en los agujeros PTH.
- Utilización de materiales exóticos en todo su potencial (es decir, alta temperatura) sin que el circuito falle.
- Reducción del tamaño del producto al incorporar múltiples pesos de cobre en la misma capa del circuito (véase la figura 1).
- Las vias de cobre pesado transportan una mayor corriente a través de la placa y ayudan a transferir el calor a un disipador externo.
- Los disipadores de calor integrados en la placa están chapados directamente en la superficie de la misma, utilizando planos de cobre de hasta 120 onzas.
- Transformadores planares de alta densidad de potencia incorporados
Construcción de circuitos pesados de cobre
Las placas de circuito impreso estándar, ya sean de doble cara o multicapa, se fabrican mediante una combinación de procesos de grabado y chapado de cobre. Las capas del circuito comienzan como finas láminas de cobre (generalmente de 0,5 onzas/pie2 a 2 onzas/pie2) que se graban para eliminar el cobre no deseado, y se chapan para añadir espesor de cobre a los planos, trazas, almohadillas y agujeros pasantes chapados. Todas las capas del circuito se laminan en un paquete completo utilizando un sustrato de base epoxi, como el FR4 o la poliimida.
Las placas que incorporan circuitos pesados de cobre se fabrican exactamente de la misma manera, aunque con técnicas especializadas de grabado y chapado, como el chapado de alta velocidad/paso y el grabado diferencial. Históricamente, las características de cobre pesado se formaban enteramente grabando el material de la placa laminada con revestimiento de cobre grueso, lo que provocaba paredes laterales de trazado desiguales y una socavación inaceptable. Los avances en la tecnología de revestimiento han permitido que las características de cobre pesado se formen con una combinación de revestimiento y grabado, lo que da como resultado paredes laterales rectas y una socavación insignificante.
El metalizado de un circuito de cobre pesado permite al fabricante de la placa aumentar el grosor del cobre en los agujeros metalizados y en las paredes laterales de las vías. Ahora es posible combinar el cobre pesado con las características estándar en una sola placa, lo que también se conoce como PowerLink. Las ventajas son la reducción del número de capas, la distribución de energía de baja impedancia, las huellas más pequeñas y el ahorro potencial de costes. Normalmente, los circuitos de alta corriente/alta potencia y sus circuitos de control se fabricaban por separado en placas distintas. El revestimiento de cobre pesado permite integrar los circuitos de alta corriente y los circuitos de control para conseguir una estructura de placa muy densa y a la vez sencilla.
Las características de cobre pesado pueden conectarse sin problemas a los circuitos estándar. El cobre pesado y las características estándar pueden colocarse con una restricción mínima siempre que el diseñador y el fabricante discutan las tolerancias y capacidades de fabricación antes del diseño final (Imagen 2).
Capacidad de transporte de corriente y aumento de temperatura
La cantidad de corriente que un circuito de cobre puede transportar con seguridad depende del aumento de calor que pueda soportar el proyecto, ya que el aumento de calor y el flujo de corriente están relacionados. Cuando la corriente fluye a lo largo de una traza, se produce una I2R (pérdida de potencia) que da lugar a un calentamiento localizado. La traza se enfría por conducción (hacia los materiales vecinos) y por convección (hacia el entorno). Por lo tanto, para encontrar la corriente máxima que una traza puede transportar con seguridad, debemos encontrar una manera de estimar el aumento de calor asociado a la corriente aplicada. Una situación ideal sería alcanzar una temperatura de funcionamiento estable en la que la tasa de calentamiento sea igual a la tasa de enfriamiento. Para modelar este evento se puede utilizar una fórmula de la CIP.
IPC-2221A, cálculo de la capacidad de corriente de una pista externa [1]:
I = .048 * DT(.44) * (W * Th)(.725)
Donde I es la corriente (amperios), DT es el aumento de temperatura (°C), W es la anchura de la traza (mil) y Th es el grosor de la traza (mil). Las trazas internas deben reducirse en un 50% (estimación) para el mismo grado de calentamiento. Utilizando la fórmula del IPC, generamos la Figura 3 (véase la tabla al final del texto), que muestra la capacidad de transporte de corriente de varias trazas de diferentes áreas de sección transversal con un aumento de temperatura de 20 °C.
Lo que constituye una cantidad aceptable de aumento de calor variará de un proyecto a otro. La mayoría de los materiales dieléctricos de las placas de circuito pueden soportar temperaturas de 100°C por encima de la temperatura ambiente, aunque esta cantidad de cambio de temperatura sería inaceptable en la mayoría de las situaciones.
Resistencia y capacidad de supervivencia de las placas de circuito
Los fabricantes y diseñadores de placas de circuito pueden elegir entre una gran variedad de materiales dieléctricos, desde el FR4 estándar (temperatura de funcionamiento de 130°C) hasta la poliimida de alta temperatura (temperatura de funcionamiento de 250°C). Una situación de alta temperatura o de entorno extremo puede requerir un material exótico, pero si las trazas del circuito y las vías de paso chapadas son estándar de 1 onza/pie2, ¿sobrevivirán a las condiciones extremas? La industria de las placas de circuito impreso ha desarrollado un método de prueba para determinar la integridad térmica de un producto de circuito terminado. Las tensiones térmicas provienen de varios procesos de fabricación, montaje y reparación de placas, donde las diferencias entre el coeficiente de expansión térmica (CTE) del Cu y el laminado del PWB proporcionan la fuerza motriz para la nucleación de grietas y el crecimiento hasta el fallo del circuito. Las pruebas de ciclo térmico (TCT) comprueban el aumento de la resistencia de un circuito cuando se somete a ciclos térmicos aire-aire de 25°C a 260°C.
Un aumento de la resistencia indica una ruptura de la integridad eléctrica a través de grietas en el circuito de cobre. Un diseño de cupón estándar para esta prueba utiliza una cadena de 32 agujeros pasantes chapados, que durante mucho tiempo se ha considerado el punto más débil de un circuito cuando se somete a tensión térmica.
Los resultados del TCT muestran claramente que la tasa de fallos, independientemente del material de la placa, puede llegar a ser inaceptable. Los estudios de ciclos térmicos realizados en placas FR4 estándar con revestimiento de cobre de 0,8 a 1,2 milímetros han demostrado que el 32% de los circuitos fallan después de ocho ciclos (un aumento del 20% en la resistencia se considera un fallo). Las placas con materiales exóticos muestran mejoras significativas en esta tasa de fallos (3% tras ocho ciclos en el caso del éster de cianato), pero son prohibitivamente caras (de cinco a diez veces el coste del material) y difíciles de procesar. Un ensamblaje medio de tecnología de montaje en superficie se somete a un mínimo de cuatro ciclos térmicos antes de su envío, y podría ver dos ciclos térmicos adicionales para la reparación de cada componente.
El uso de circuitos de cobre pesados reduciría o eliminaría por completo estos fallos. El chapado de 2 onzas/pie2 de cobre en la pared de un orificio reduce la tasa de fallos a casi cero (los resultados del TCT muestran una tasa de fallos del 0,57% tras ocho ciclos para el FR4 estándar con un chapado de cobre mínimo de 2,5 milímetros). En efecto, el circuito de cobre se vuelve impermeable a las tensiones mecánicas que le impone el ciclo térmico.
Gestión térmica
A medida que los diseñadores se esfuerzan por obtener el máximo valor y rendimiento de sus proyectos, los circuitos impresos son cada vez más complejos y se ven abocados a alcanzar mayores densidades de potencia. La miniaturización, el uso de componentes de potencia, las condiciones ambientales extremas y los requisitos de alta corriente aumentan la importancia de la gestión térmica. Las mayores pérdidas en forma de calor, que a menudo se generan en el funcionamiento de la electrónica, tienen que disiparse desde su origen e irradiarse al entorno; de lo contrario, los componentes podrían sobrecalentarse y producirse fallos. Sin embargo, los circuitos pesados de cobre pueden ayudar reduciendo las pérdidas de I2R y conduciendo el calor lejos de los componentes valiosos, reduciendo los índices de fallo de forma drástica.
Para lograr una adecuada disipación del calor de las fuentes de calor en y sobre la superficie de una placa de circuito, se emplean disipadores. El propósito de cualquier disipador es disipar el calor lejos de la fuente de generación por conducción y emitir este calor por convección al entorno. La fuente de calor de un lado de la placa (o las fuentes de calor internas) está conectada mediante vías de cobre (a veces denominadas “vías de calor”) a una gran zona de cobre desnudo en el otro lado de la placa.
Por lo general, los disipadores clásicos se unen a esta superficie de cobre desnudo mediante un adhesivo térmico o, en algunos casos, se remachan o atornillan. La mayoría de los disipadores están hechos de cobre o aluminio.
El proceso de ensamblaje necesario para los disipadores clásicos consta de tres pasos muy laboriosos y costosos. El tiempo y el trabajo necesarios para completar este proceso son significativos, y los resultados son inferiores a los de un proceso mecánico automatizado. En cambio, los disipadores integrados se crean durante el proceso de fabricación de la placa de circuito impreso y no requieren ningún montaje adicional. La tecnología de circuitos de cobre pesado lo hace posible. Esta tecnología permite añadir disipadores de calor de cobre grueso prácticamente en cualquier lugar de las superficies exteriores de una placa. Los disipadores están galvanizados en la superficie y, por tanto, conectados a las vías conductoras del calor sin ninguna interfaz que impida la conductividad térmica.
Otra ventaja es el revestimiento de cobre añadido en las vías de calor, que reduce la resistencia térmica del diseño de la placa, lo que permite esperar el mismo grado de precisión y repetibilidad inherente a la fabricación de placas de circuito impreso. Dado que los devanados planos son en realidad trazas conductoras planas formadas sobre un laminado revestido de cobre, mejoran la densidad de corriente global en comparación con los conductores de hilo cilíndrico. Esta ventaja se debe a la minimización del efecto piel y a una mayor eficiencia en el transporte de corriente.
Los planares integrados logran un excelente aislamiento dieléctrico entre primarios y secundarios, ya que se utiliza el mismo material dieléctrico entre todas las capas, lo que garantiza el encapsulamiento completo de todos los devanados. Además, los devanados primarios se pueden separar de forma que los secundarios queden intercalados entre los primarios, consiguiendo una baja inductancia de fuga. Las técnicas estándar de laminación de placas de circuito impreso, utilizando una variedad de resinas epoxi, pueden intercalar de forma segura hasta 50 capas de devanados de cobre de hasta 10 onzas/pie2.
Durante la fabricación de circuitos de cobre pesados, solemos tratar con espesores de chapado importantes; por lo tanto, hay que hacer concesiones a la hora de definir las separaciones de las trazas y los tamaños de los pads. Por este motivo, se aconseja a los diseñadores que cuenten con el fabricante de placas en las primeras fases del proceso de diseño. Epec Engineered Technologies ha desarrollado un conjunto de directrices de diseño para circuitos de cobre pesados que ofrece a los diseñadores una visión general básica de lo que se necesita.
Aplicaciones militares
Tradicionalmente, cuando las placas de circuito impreso se utilizan en aplicaciones militares, el diseñador crea los circuitos de alta corriente añadiendo capas duplicadas de 3 o 4 onzas de cobre en paralelo y cruzando los dedos para que las capas compartan la corriente de manera uniforme entre ellas. En la práctica, el reparto no es el ideal, por lo que algunas capas tienden a soportar un mayor porcentaje de la carga y generan mayores pérdidas. En general, la placa suele calentarse más de lo estimado durante el diseño.
La utilización de cobre pesado o EXTREMO en la creación de los circuitos de alta corriente, combinada con un revestimiento de cobre más grueso en las vías y los agujeros pasantes, eliminará la necesidad de añadir capas duplicadas en paralelo, eliminando así cualquier preocupación por el reparto de la carga entre múltiples capas. El aumento de temperatura debido a las pérdidas en las placas puede calcularse con mayor certeza. El grueso revestimiento de cobre en los agujeros reduce drásticamente los fallos asociados a la tensión térmica. El resultado es una placa de circuito impreso más fría y fiable.
El cobre pesado, EXTREME Copper o PowerLink se han utilizado en las siguientes aplicaciones militares
- Sistemas de control de armas
- Fuentes de alimentación para sistemas de radar
- Devanados primarios y secundarios de transformadores planares de alta potencia
- Paneles de distribución de energía
- Sistemas de carga y monitorización de baterías
Los productos de electrónica de potencia que utilizan circuitos de cobre pesados se han utilizado durante muchos años en la industria militar y aeroespacial y están ganando impulso como tecnología de elección en aplicaciones industriales. Se cree que las necesidades del mercado ampliarán la aplicación de este tipo de productos en un futuro próximo.
