军工航天厚/极厚铜PCB关键设计挑战解析

军航电子产品PCB需求

电子工程师为军工航天(简称「军航」)应用设计PCB时，必须考量细节与性能要求。军航产品普遍面临多工况、宽温域：既要耐极热(沙漠)又要耐极寒(南极)；除极端温度，湿度也是关键考量。因此设计军航PCB时须审慎考虑产品特殊工况(温湿度)。

可靠性是军航产品核心关注点，作为可靠性关键维度，储存寿命是首要判断标准。以导弹为例：命中目标前不得爆炸，意味着良性环境下正常运行、储存寿命相对较短。工程师过去倾向简化军航电路板设计，因高可靠性要求。军航部门对新制造技术持观望态度，待对应行业验证可行后再采用。但当前功能需求迫使设计师突破简单设计经验，开始拥抱新兴PCB制造技术。

随着PCB技术复杂度提升，工程师须聚焦设计规则与制造技术，在安全、成本、性能间寻找最优平衡，将制造风险降至最低。成功制造依赖设计工程师与制造工程师频繁顺畅沟通，牢记在心。设计师须充分了解厂商详细能力：线宽、间距、焊盘尺寸、过孔直径等，并纳入PCB类型、材料、通孔结构、功率等所有要求。

军航产品设计应符合MIL标准，其他质量标准可作参考，如IPC标准用于检验项目与质量标准。目前倾向高速传输基材，性能参数变化范围宽。复杂电子产品结构中，基材供应商数据手册只能说明某种材料优于其他，但PCB厂商经验不可低估——他们在实战中真实掌握基材性能。例如设计师虽能计算走线阻抗，但不同制造方法可能导致阻抗偏离设计要求。结构在军航PCB中也很重要：能避免不必要成本或降低复杂结构风险；复杂军航产品结构也影响可制造性。历史上军航电子鲜少考虑成本，但制造成本增加实则利于降低制造风险，值得投入。PCB导入阶段可通过延长研发周期、制造前审查数据完整性降低风险。

军航应用厚/极厚铜PCB

定义

军航大功率电子产品催生厚/极厚铜PCB。厚铜PCB指导体铜厚137.2μm-686μm；铜厚>686μm或达6860μm称极厚铜PCB。

厚铜PCB结构优势：
a. 耐热应力、增强PCB抗应力能力；
b. 提升载流能力；
c. 无需散热鳍片即增强散热能力；
d. 增强层间叠层与金属化孔机械强度；
e. 适用于板载大功率平面变压器。

事物有两面。厚铜PCB也有劣势，全面认知两面才能明晰如何发挥潜在功能应用。

厚铜PCB构造

类似标准FR4 PCB，厚铜PCB制造方法相同，采用特殊蚀刻镀铜技术：高速电镀、偏蚀。早期曾尝试仅蚀刻制造厚铜PCB，因边缘不均、边缘过蚀导致报废。后采用先进电镀蚀刻技术实现直边缘、最佳边缘蚀刻。厚铜PCB电镀可加厚金属化孔壁与通孔壁，优势含：
a. 减少层数；
b. 降低阻抗分布；
c. 最小化封装；
d. 降低制造成本。

厚铜PCB可与普通板无缝结合。走线最小间距、公差范围、制造能力需设计与制造工程师制造前沟通确定。

载流能力与温升

厚铜PCB能承载多大电流？取决于电子设计工程师：确定铜厚、线宽、最大允许温升。因运行发热与电流密切相关(功耗12%转热局部散热)，需求出最大承载电流及判断温升对应电流方法。依据IPC-2221A指南，外层走线载流公式：I = 0.048 × DT⁰·⁴⁴ × W × Th⁰·⁷²⁵。
I=电流(A)；DT=温升(°C)；W=线宽(mil)；Th=铜厚(mil)。内层走线载流量为外层50%。

按公式，表1汇总30°C温升下不同截面积载流能力。

表1 固定线宽下30°C温升载流量(A)

基材性能从普通FR-4环氧树脂(130°C)到高Tg材料不等。已开发出测试成品PCB耐热质量方法。铜与基材热膨胀系数差产生「驱动力」即热应力，致裂纹萌生生长最终失效。通孔热冲击循环测试：板上设计32串联金属化孔为样品，热冲击后检查，首个失效孔决定板耐热冲击能力。厚铜PCB热冲击循环应用可减少/消除失效。

散热分析

电子元件运行高功耗以热形式损耗，必须由热源(元件)产生并辐射至环境，否则过热失效。厚铜PCB散热更有效，大幅降低失效率。为利于散热，需散热鳍片通过热传导/辐射/对流将热推入空气。散热鳍片另一侧通常通过金属化孔连接铜箔区域。普通散热鳍片通过热传导连接PCB铜箔区；也有用铆钉/螺丝连接。散热鳍片多为铜/铝制。因此组装散热鳍片在PCB制造中意义重大，厚铜PCB可实现：表面铜层电镀加厚改善板面导热；加厚热通孔镀铜层降低热阻。

厚铜PCB在军航大功率元件承载应用已久，未来必将广泛应用于更多行业。