Veelvoorkomende PCB-falencauses en de Rol van Koper

Er zijn verschillende mogelijke problemen met een PCB, maar vier veelvoorkomende oorzaken leiden tot falen:

1. Verbrande componenten
2. Slecht geproduceerde componenten
3. Omgevingsfactoren
4. Leeftijd

De koperen PCB lost of vermindert de frequentie van deze falen op. Bij hout- en glas-PCB's moet de soldeerbouttemperatuur near perfect zijn; te hoog leidt tot verbrande componenten. De koperen PCB is een van de makkelijkste te produceren omdat materialen en assemblage-services gemakkelijk beschikbaar zijn. WellPCB kan PCB-problemen minimaliseren, inclusief verbrande componenten, slechte productie en veroudering.

1. Koperen PCB – Koper op PCB

Koperen PCB is de meest gebruikte variant dankzij elektrische geleidbaarheid en thermische weerstand. PCBs met een koperstructuur (koperbekleding of foliestrip) op het versterkingsmateriaal, of met koper als primair materiaal. Ingenieurs favoriseren koperen PCBs vanwege hun aanpasbaarheid.

Waarom kiezen voor koperen PCB?

1. Verhoogde thermische geleidbaarheid: verdeelt warmte over het bord, significant verkleinsend de kans op verbrande componenten.
2. Verhoogde elektrische geleidbaarheid.
3. Volledig materiaalgebruik: elke ruimte bruikbaar zonder thermische/elektrische repercussies.
4. Mogelijkheid voor extra koperbekleding.

U hoeft niet veel te overwegen bij het kiezen van koperen PCB. U kunt een koperen PCB van een speelgoed in uw TV-remote gebruiken, mits u diepgaande elektrotechnische kennis heeft. Afhankelijk van PCB-type (enkelzijdig, dubbelzijdig, meervoudig, stijf, flex, rigid-flex), dikte en gewicht veranderen, zijn er standaardformaten voor diverse elektronische producten.

Een PCB doelt op een constante stroom in de circuits. Gewicht en dikte zijn cruciale factoren die de gehele afhandeling veranderen: soldeertype, soldeerbout, techniek en temperatuur.

Samenstelling van een koperen PCB

1. Silkscreen

Ook schermprint genoemd: een printtechniek om inkt (meestal groen) op het substraat aan te brengen. Toont letters, cijfers, symbolen, afbeeldingen (stroomin/uitgangen, microchiplocatie, transformatorpositie, plus/min). Meestal één kleur, lage zichtbaarheid.

2. Soldeermasker

De tweede laag: een pseudogladde polymere afwerklage op de koperen banen. Beschermt tegen omgevingsfactoren (oxidatie, stof, vuil tussen soldeerpads) en voorkomt soldeerbruggen (onbedoelde contact door uitglijden met soldeerbout).

3. Koper

Koper geeft de PCB hoge prestaties. Het levert oppervlakteruwheid en, gecombineerd met het dielectrische materiaal, uitstekende prestaties, vooral in RF- en golf frequenties. De koper toont de signaalpaden; de circuitpatronen worden met hoge precisie geproduceerd. Koper heeft een thermische uitdingscoëfficiënt (CTE) van ~17 ppm/°C.

4. Substraat

De onderliggende laag. Bordsubstraten zijn meestal dielectrische composietmaterialen: epoxyhars met versterking (glasvezel, soms geweven/niet-geweven, soms papier). Met hars worden vulstoffen als keramiek gebruikt. De meest voorkomende is FR-4 (Flame Retardant), uitstekend door geleidbaarheid, hoge sterkte, dielektrische eigenschappen en thermische weerstand. De binding van koper en substraat is cruciaal voor prestaties en betrouwbaarheid.

2. Koperen PCB Dikte

Dikte en gewicht van een PCB moet altijd overwogen worden. Een koperen PCB kan meer thermische weerstand en elektrische geleidbaarheid aan, maar dat betekent niet dat u een PCB voor een beeper op een supercomputer kunt gebruiken; dat is zekergesteld mislukken.

2.1 Koperdikte Eenheid

Standaard meeteenheid voor koperdikte is Oz (ounces). Ook in inches meetbaar. Meestal wordt de dikte van het hele PCB overwogen na het platperssen van 1oz koper uniform over 1 vierkante voet. Bijna alle geprinte PCBs worden gebouwd met 1 oz koperdikte. Fabrikanten assumeren 1 oz tenzij de klant specifieke specificaties geeft.

Als een klant meer stroom nodig heeft dan 1 oz kan dragen, is het beter de koperbreedte of spoorbredte te vergroten. Soms is afgeronde koper 1 oz. Groter dan startkoper op externe lagen, maar voor interne lagen is afgeronde koper gelijk aan startkoper.

Meestal 2 oz. 1 oz is de meest bekende en standaard kopergewicht omdat het noch excessief noch te weinig is. 2 oz is duurder, 0.5 oz kan onvoldoende zijn voor ground planes met hogere stromen. 1 oz is vaak de meest geschikte optie voor ontwerp en budget.

Bij strenger spoor/ruimte: dupliceer de laag die zwaar koper nodig heeft en verdeel de koper in twee. Bij 8 mil lijnen en 4 oz koper: dupliceer laag en gebruik 2 oz koper. Voor startkopergewichten van 5 oz of meer: verdubbel de laag in plaats van dikker koper. Het is goedkoper om lagen toe te voegen dan dik koper te gebruiken gezien de verwerkingscomplexiteit. Een 2-laags 6-ounce koperbord is meestal duurder dan een 4-laags 3-ounce bord.

2.2 Veelgestelde Vragen over Koperdikte

De eerste vraag van klanten betreft meestal de minimale lijndikte mogelijkheden van de fabrikant. Echter, het kopergewicht is zelden het antwoord.

De tabel toont koperdikte ten opzichte van breedte.

3. Koperen PCB Gewicht

Naast dikte is het gewicht van een koperen PCB even belangrijk. Standaard gewicht is ~1.2 oz koper, met 1 oz koperdikte en 1 mil koper in geplateerde doorplatingen.

Basis bereik: 0.5–3.0 oz; geplateerde koper: 0.7–2.0 oz. Hogere kopergewicht = betere elektrische eigenschappen, maar complexer etsproces.

Invloed van gewicht op PCB

1. Haalbare spoor- en ruimtedimensies
2. Minimale aanbevolen breedtes voor anulare ringen
3. Basiskoper bepaalt lijnafreductie: meer basiskoper = meer reductie

Ontwaards aandachtspunten bij ontwerp

1. Niet-functionele pads op binnenlagen
2. Kortsluiting vermijden door tolerantie aan randen
3. Min-tolerantie op kleine gaten nastreven
4. Altijd rekening houden met koperdikte (meestal 1 oz)

3.1 Ontwikkeling van Zwaar Koper Geavanceerde PCB

Bij zwaar koper geavanceerde PCB's worden meervoudige koperlagen (2–5) op verschillende niveaus geproduceerd, met elkaar verbonden via vergelijkbare koperlagen. Extra koperlagen verbeteren functionaliteit; extra via's helpen meer stroom door te laten lopen door pads goed bevestigd te houden. Versterkt de woonkracht om bouten vast te houden. Nieuwe laagkostproductie vervangt zwaar koper dat tot 20 mil boven het oppervlak steekt. Begraven technologie kan elke hoeveelheid koper boven of onder het bord hebben.

3.2 Assemblage van Hogere Stroom PCB en Zwaar Koper Bord

Uitdagend maar niet onmogelijk; vereist extra tijd en inspanning. Ingenieurs moeten warmteoverdracht (thermische overdracht) observeren. Zwaar koper PCBs moeten gesoldeerd worden bij voldoende hoge temperatuur en correct. Aanbevolen: hogere temperatuur loodvrij fabriceren. Goed lamineren om pads bevestigd te houden met behouden warmte.

4. Koperbekleding (Copper Clad)

De koperbeklede PCB biedt onmiskenbare voordelen en is economisch voordelig; de keuze van de meeste ingenieurs. Gemakkelijk te solderen, ideaal voor ontwerpcursussen. Concurrentieel materiaal maakt aanpassing van formaat en vorm eenvoudig, wat de kosten van elektronische apparaten verlaagt.

Toepassingen: wapenbesturingssystemen, radarvoeding, primair/secundair wikkeling van hoogvermogen planaire transformatoren, stroomverdeelpanelen, batterijladers en monitoringsystemen.

4.1 Koperbeklede Laminaten (CCL)

CCL (Copper Clad Laminate): basismateriaal van houtpulp papier of glasvezel geïmpregneerd met hars en versterkingsmateriaal.

CCL Categorisatie

• Op mechanische stijfheid: rigide CCL
• Op isolatie met organische hars
• Op dikte (~0.55 mm)
• Isolatiehars CCL

CCL Typen per Classificatiestandaard

• Mechanische Stijfheid: Rigide CCL (G10, FR-4, CEM-1) en Flex CCL. Rigide PCB hangt af van rigide CCL; flex PCB van flex CCL.
• Isolatiemateriaal: Organische hars CCL, metalen basis CCL, keramische basis CCL, en meer.
• Dikte: Standaard dikke CCL (>0.5mm) en dunne CCL (<0.5mm).
• Versterkingsmateriaal: Glasvezelbasis (FR-4), papierbasis (XPC), samengestelde CCL (CEM-1, CEM-3).
• Toegepaste Isolatiehars: Epoxyhars CCL (FR-4, CEM-3) en fenolische CCL (FR-1, XPC).

4.2 Wat Maakt Een Uitstekende CCL?

Een uitstekende CCL moet specifieke eisen halen:

• Uiterlijk: Geen kauwen, krassen, rimpels, naaldengaten – gladde, schone afwerking = betere prestaties.
• Afmetingen: Moet voldoen aan PCB-groottevereisten.
• Elektrische Prestaties: Hoofdtaak: volumeweerstand, isolatiewerstand, dielektrische constante, boogweerstand, etc.
• Fysieke Prestaties: Buigsterkte, thermische stress, hittestandaard, perforatiekwaliteit.
• Chemische Prestaties: Brandbaarheid, dimensiestabiliteit.
• Omgevingsprestaties: Waterabsorptiestandaarden.

Binnen CCL zit een prepreg (versterkingsmateriaal/bindingslaag): vezelstof, epoxyhars, aceton, etc. Kwalitatieve prepreg = hoge kwaliteit CCL = betere PCB. Kwaliteit hangt af van harsinhoud, harsvloeibaarheid, dicyandiamide-kristallisatie. Selecteer hars op kwaliteit en kosten. Kosten gerelateerd aan vezelstofdikte; dunner prepreg aanbevolen ondanks iets hogere kosten.

Voor RoHS-naleving: betrouwbaarheid en hittestandaard van CCL's controleren. Meest recente CCL's verbeterd door:

• Halogenvrije CCL: Broom/Chloor gecontroleerd binnen 900 ppm (max 1500 ppm).
• Loodvrije CCL: Koperlaminaat met oppervlaktemontage zonder loodvrij soldeer. Epoxyhars mag gebruikt worden, RoHS-regels moeten gevolgd worden (verbod op PBDE, PBBD).

4.3 Harsclassificatie

• Epoxyhars
• Fenolische hars
• Polyamidehars
• Bismaleimide triazine
• Fenolische hars (herhaald)

Bij vezelgebruik: vochtweerstand, intensiteit, isolatievermogen, hitte- en brandweerstand overwegen.

4.4 Koperlaminaten

De bekleding boven het dielectrische laag en substraat (harscomposiet). Koper fungeert als composiet isolatiemateriaal en goede geleider. Doel: mechanische ondersteuning voor de pin (vaste basis die elektronisch component vasthoudt en verbindt).

Populaire Koperlaminaten

• Polyimide: Hoogtemperatuur PCB-toepassingen; uitstekende glasovergang (Tg = 220 °C); soldeer/desoldeer ruimte voor fouten.
• Fenolisch: Laagkost toepassingen (FR-2, CEM-1, CEM-3); breed gebruikt in enkellaags PCB's van huishoudapparaten; iets broos, moeilijk te buigen.
• Arlon: Meest veelzijdig basismateriaal na FR-4; favoriet voor meervoudige PCB's; militaire, draadloze, communicatiesystemen.
• FR-4: Glasvezelbasis; duurzaam, moeilijk te buigen/snijden, brandvertragend; Tg = 160°C. Gebruikt in enkelaags, dubbelaags, meervoudige PCB's voor voeding, gemengde signalen, digitale toepassingen.

Andere laminaten: Tetrafunctionele epoxy, Thermount, cyaanaatester. Voor elektrische interconnectie: nikkel, roestvrij staal, aluminium, koper. Koper is meest gebruikt; aluminium recent commercieel in laagkost huishoudapparaten. De geleidende bekledingslaag is dun, over één of beide kanten van het harscomposiet. Dikte bepaald door gewichtsgestorte depositie.

Proces: laminator aanzetten voordat bord en film ingevoerd worden; zijde met overmaat rand eerst invoeren. Vaak tweede keer door laminator halen voor betere kwaliteit. Zelfde procedure voor dubbelzijdige borden.

5. Koperen PCB – Koperlaag Ontwerp

Ontwerpers moeten omgekeerd denken: een bord begint als solid koper; dan haalt u ongewilde stukken weg. Sneller, goedkoper, minder verbruik wanneer koper dezelfde grootte heeft als het bord. Technieken maken verschil tussen frustrerende en soepele ervaring.

Koper Maximeren: Twee Methodes

• Handmatig

Specificeren van PCB-specificaties (vorm, formaat). Sneller maar slordig; koper als object geplaatst, gecontroleerd op kleine fouten bij toewijzing aan net. Voornamelijk voor snelle keeren of prototypes.

• Automatisch (Koper Gieten)

Tijdrovender, maar maximaliseert koper. Grens om bord tekenen, koper inschenken, bord uitleggen, koper vormen plaatsen om op te vullen. Definieer grens; alles binnenin wordt bij gietoperatie automatisch verbonden. Geschikt voor grote gebieden, onregelmatige/vreemde vormen. Gietoperatie vult unieke vorm automatisch en isoleert andere sporen. Objecten die automatisch afgehandeld worden: sporen, nets, decals, pads. Correct gebruikt: continuity check tool voor verificatie.

Handmatig lijkt beter voor korte sprints, maar op lange termijn kan automatisch beter zijn.

Drie Situaties Waar Koper Gieten Beter Is

1. Polygon Beheer

Handmatig: Reguliere polygonen = tijdrovend/rommelig. Snelle fix: overlappende vormen droppen. Kortetermijnoplossing; uiteindelijk vertex editing nodig. Automatisch: "No-brainer" voor complexe vormen; grens definiëren en koper lopen elimineert herbewerking later.

2. Vlak Beheer

Handmatig: Vlak = groot koperoppervlak, alle verbindingen één net. Bij afzonderlijke vlakken met frequente wijzigingen: point-to-point routeren aanbevolen. Automatisch: Vermijd meerdere sporen naar zelfde punt; koper gieten op ground-vlak verbindt alle verbindingen op één net automatisch.

3. Thermisch Beheer

Handmatig: Heet bord met ruimte: koper vierkant toevoegen om warmte af te voeren. Niet altijd het geval. Automatisch: Gebied rond kritieke delen definiëren, prioriteren, thermische stress minimaliseren. Gebruikt bij maximaliseer koperoppervlak.

6. PCB Koperbeplating en Reiniging

6.1 Beplating

Beplating is cruciaal. Onbeschermde sporen op externe lagen oxideren en vervallen, waardoor het bord instabiel wordt. Gekorrodeerde koper wordt groen. Twee hoofddoeleinden (ook koperbekleding/oppervlakteafwerking):

1. Blootgestelde koper schakelingen beschermen
2. Geschikt oppervlak voor solderen bij componentmontage bieden

Verschillende beplatingsopties met eigen voor-/nadelen. IPC-standaarden voor oppervlaktebeplating:

6.2 Beklede Bord Reiniging

Beste resultaten: schoonmaken met fijn wol of abrasieve pad, daarna afspoelen met water. Verwijdert vuil en contaminatie. Alternatief: droog bord 5 minuten aan warmte blootstellen voor schone, film-klaare staat.

Conclusie

In één zin: "Koperen PCB is de meest betrouwbare, effectieve PCB gebruikt in de meeste elektronische apparaten." Kijk naar uw telefoon. WellPCB staat klaar voor uw behoeften.