用于军事和航空航天应用的厚铜 PCB 的设计问题

军用/航空电子产品的 PCB 要求

当电子工程师为军事/航空航天（简称“mil/aero”）应用准备 PCB 设计时，必须考虑一些细节和性能要求。众所周知，军用和航空产品都需要多种操作条件和广泛的操作温度范围。它们必须能够承受多种严酷的环境，无论是极端高温（如沙漠）还是异常寒冷（如南极）。除了极端温度，湿度也是一个关键考虑因素。因此，在为军用/航空应用设计 PCB 的过程中，必须仔细考虑产品的特殊工作条件，例如温度和湿度。

军用和航空产品的可靠性一直是 PCB 设计工程师必须关注的主要问题。作为产品可靠性的一个关键方面，保质期一直被视为领先的判断标准。以导弹为例。它在击中目标之前不允许爆炸，这意味着它必须在良性环境中正常运行，并且具有相对较短的保质期。由于军用/航空产品的高可靠性，工程师过去更喜欢降低用于军事和航空航天工业的电路板的复杂性。军事和航天部门在电子产品制造新技术被证明在相应行业中可行之前，会犹豫不决。然而，目前军用/航空电子产品的功能要求，使电子设计工程师不再只拘泥于简单的设计思路和经验。他们中的一些人已经开始采用新出现的 PCB 制造技术。

随着PCB技术和复杂性的增加，电子工程师必须同时关注PCB设计规则和PCB制造技术，以使产品在安全性、成本和性能要求之间达到最佳平衡，从而将制造风险降至最低。

成功的 PCB 制造依赖于电子设计工程师和制造工程师之间频繁而顺畅的沟通，必须牢记这一点。设计工程师应充分了解制造商的详细能力，如走线宽度、间距、焊盘尺寸和过孔直径等。此外，他们必须考虑到 PCB 类型、材料、通孔结构和功率方面的所有要求。

当涉及军用/航空产品设计时，工程师应符合军用标准。其他质量标准也可以作为参考。例如，IPC标准可用于其检验项目和质量标准。

目前，人们倾向于偏好高速传输基板材料，其性能参数变化范围广。在更复杂的电子产品结构中，基板供应商提供的数据表只能表明某些类型的基板材料性能优于其他类型。尽管如此，PCB制造商的经验也不容小觑，因为他们在某种程度上是真实地了解基板材料的性能，尤其是根据实际情况。例如，PCB设计人员虽然可以计算出引线的阻抗，但不同的制造方法可能会导致阻抗与设计要求不兼容。

结构在军用/航空 PCB 中也起着重要作用，因为它能够帮助避免不必要的成本或降低复杂结构带来的风险。而对于更复杂的军用/航空电子产品，其结构也会影响产品的可制造性。

历史上，军用和航天电子产品很少考虑成本问题。但不得不承认，提高产品制造成本其实有利于降低制造过程中的风险，毕竟是值得的。在PCB引入过程中，可以通过增加研发周期和在制造安排之前审查数据完整性来降低风险。

用于 Mi/Aero 应用的厚铜 PCB

• 定义

高功率的军用/航空电子产品对PCB提出了新的要求，从而引发了厚/重铜PCB甚至极端铜PCB的产生。重铜PCB是指导体特征铜厚度在137.2μm至686μm范围内的电路板，而铜厚度大于686μm或达到6860μm的电路板称为极铜PCB。

重铜PCB的结构优势包括：
a．能够承受热应力，增强PCB的抗应力能力；
b．增强PCB载流能力；
c．无需组装散热片即可提高PCB散热能力；
d．增强层间叠层和镀通孔的机械强度；
e．适用于板载大功率平面变压器。

每个硬币都有两个面。除了这些优点外，厚铜 PCB 也有一些缺点。了解重铜PCB结构的这两个方面对于如何利用潜在的功能和应用具有重要意义。

• 厚铜PCB的构造

与标准 FR4 PCB 类似，重铜 PCB 具有相同的制造方法，并应用了特殊的蚀刻和电镀技术，例如高速电镀和偏差蚀刻。过去一段时间，人们曾尝试仅通过蚀刻来制造厚铜 PCB。用这种方法制造的一些电路板由于边缘线不均匀和边缘过度蚀刻而报废。为了避免这种情况，后来采用了先进的电镀和蚀刻技术，以实现直边和最佳边缘蚀刻。

在厚铜 PCB 上电镀允许 PCB 制造商加厚电镀的通孔壁和通孔壁，其优点包括：
a.层数减少；
b.阻抗分布减少；
c．包装最小化；
d．制造成本下降。

厚铜PCB可以与普通板无缝贴合。当涉及到电路板上的跟踪和最小间距以及公差和制造能力范围内的范围时，需要在真正制造之前通过设计工程师和制造商之间的讨论来确定。

• 电流承载能力和温升

厚铜PCB能承载多少电流？这个问题通常取决于电子设计工程师。它包括铜的厚度和宽度以及重铜PCB能够承受的最大温升。之所以会出现这个问题，是因为重铜PCB在运行过程中产生的热量与电流密切相关。

由于电流通过导线，运行过程中的功耗率是原始功率的12%，因此损失的功率会在局部产生过渡热，以热传导的方式散发到周围环境中。必须找出重铜PCB上导线所能承受的最大电流，并找出判断温升和相应施加电流的方法。根据 IPC-2221A 的指导方针，有一个表示外部导线承载电流能力的公式：I =0.048 x DT ^0.44 x 宽 x 厚 ^0.725 .

在这个公式中，I是指电流（单位：A）； DT指温升（单位：℃）； W指线宽（单位：μin）； Th是指迹线厚度（单位：μin）。内部走线的载流能力是外部走线的50%。

根据公式，表1总结了不同截面积在30℃时的载流能力。

表 1 固定走线宽度（温升为 30°C）下的载流电流 (A)

为PCB制造商和设计人员提供不同性能的基板材料，从工作温度130°C的普通FR-4环氧树脂基板材料到高Tg基板材料。到目前为止，已经开发了一套测试PCB成品耐热质量的方法。由于铜和基板材料的热膨胀系数不同，在它们之间产生了一个“驱动力”，即实际上可能导致裂纹、聚集和生长的热应力，最终导致PCB失效。

在通孔抗热冲击能力的循环测试中，在板上设计了一组32个连续电镀通孔作为样品，热冲击测试后将检查它们的情况。第一个失败的电镀通孔将被确定为电路板可以承受的热应力。厚铜PCB在热冲击循环中的应用将减少或消除故障。

• 散热分析

电子元件在运行过程中，以发热的形式发生高功率损耗，必须由热源（元件）产生并辐射到周围环境。否则，组件将遭受过热甚至故障。而重铜PCB比其他类型的电路板更能有效地散热，从而大大降低电路板的故障率。

为了使热量易于散发，需要一种散热片，通过热传导、辐射或对流将散发的热量推入空气中。通常，散热片热源的另一侧通过镀铜通孔与铜区相连。

一般来说，普通散热片是通过热传导与PCB上的覆铜区连接的。也有使用铆钉或螺钉进行连接的情况。大多数散热片由铜或铝制成。

因此，在PCB制造过程中组装散热片具有重要意义，这可以在重铜PCB中实现。电路板表面的铜层可以通过电镀加厚，提高板面的导热性能。这种方法的另一个优点是可以加厚热通孔镀铜层，降低厚铜PCB的热阻。

重铜PCB在军工和航空航天工业中用于承载大功率元件已经有很长一段时间了，这种重铜PCB将在不久的将来广泛应用于不同的行业。

有用资源：
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• 铜重量、走线宽度和载流能力的关系
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