إتقان تصميم لوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي: تقنيات ومفاهيم سرية .

فعالة نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي يُعدّ أساس أي نظام إلكترونيات طاقة متين. مع ازدياد قوة الأجهزة وصغر حجمها، تزداد صعوبة التعامل مع التيارات الكهربائية الكبيرة على لوحة الدوائر المطبوعة. يتجاوز هذا الدليل النظريات الأساسية ليقدم فهمًا عميقًا ومفيدًا للمبادئ والأساليب وعوامل التصنيع اللازمة لتطوير لوحات دوائر مطبوعة عالية الطاقة آمنة وموثوقة وذات كفاءة حرارية عالية. ستزودك قراءة هذه المقالة بالفهم اللازم لتجنب الأخطاء الشائعة مثل ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض الجهد والأعطال الكارثية، مما يضمن أداءً مثاليًا لتصميماتك تحت الأحمال الكهربائية المطلوبة.

خلاصة .

تقدم هذه المقالة استكشافًا شاملاً لـ نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي ، وهو تخصص مهم في هندسة الأجهزة الإلكترونية المعاصرة. نتناول المبادئ الأساسية التي تحكم سعة حمل التيار، بما في ذلك الأدوار الحيوية لعرض المسار، وسمك النحاس، والالتزام بمتطلبات مثل IPC-2221. يتعمق النص في استراتيجيات متقدمة مثل ضبط قناع اللحام، والاستخدام التكتيكي لصب النحاس، ومستويات الطاقة متعددة الطبقات مع الخياطة البينية. علاوة على ذلك، ندرس دورة حياة لوحة عالية الطاقة بالكامل، بدءًا من اختيار الركيزة وإجراءات الإنتاج، وصولًا إلى استراتيجيات الإدارة الحرارية المتقدمة التي تشمل المشتتات الحرارية والفتحات الحرارية. الهدف هو تزويد المهندسين والمصممين بهيكل شامل لتطوير أداء عالي. ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي يمكنها التعامل بأمان وكفاءة مع التيارات الكهربائية الكبيرة.

ما الذي يحدد حقًا نمط PCB الحالي العالي؟ .

قبل الخوض في تقنيات معينة، نحتاج أولاً إلى وضع تعريف واضح. نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي هي لوحات يكون فيها العائق الرئيسي هو التحكم في تدفق التيار الكهربائي الكبير، والذي يتجاوز عادةً عددًا من الأمبيرات (A). على عكس لوحات مستوى الإشارة حيث يكون استقرار الضوضاء أمرًا حيويًا، تُعطي لوحات التيار العالي الأولوية لتقليل خسائر المقاومة ( خسائر I²R ) والتعامل مع الحرارة الناتجة. يمكن تصنيف التصميم على أنه عالي التيار إذا تضمن تيارات أعلى من 10 أمبير، ولكن حتى تيار 2 أمبير في جهاز صغير ومقيد حراريًا قد يُشكل عائقًا كبيرًا في التصميم.

الفيزياء الأساسية هنا بسيطة: لكل موصل مقاومة. عندما يمر التيار عبر هذه المقاومة، فإنه يولد حرارة ويؤدي إلى انخفاض الجهد. في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي ، يتم تضخيم هذين التأثيرين. يمكن للحرارة الشديدة أن تؤدي إلى تدهور المادة العازلة للوحة الدوائر المطبوعة (مثل FR-4 )، مما يؤدي إلى تعطل المكونات، بل ويؤدي إلى تشوه اللوحة أو انفصالها. انخفاض الجهد قد يؤدي ذلك إلى نقص الطاقة اللازمة للعناصر، مما يؤدي إلى عادات غير منتظمة أو تعطل النظام بالكامل. لذلك، يجب دراسة كل تصميم من منظور التوصيل الكهربائي والتبديد الحراري.

يبتعد هذا النهج التصميمي المحدد عن مسارات الإشارة ذات العرض الأدنى، ويركز على إنتاج مسارات طاقة متينة ومنخفضة المقاومة. ينبغي على المصممين النظر إلى المسارات ليس فقط كوصلات، بل كأجزاء لا يتجزأ من شبكة توزيع الطاقة. ويشمل ذلك رؤية شاملة تجمع بين علم المنتج والخصائص الحرارية وإجراءات التصنيع الخاصة لتحقيق منتج نهائي عالي الجودة والكفاءة.

[صورة: لوحة دوائر مطبوعة عالية الطاقة تحتوي على آثار نحاسية كبيرة ومبددات حرارية متعددة، مما يسلط الضوء على التمييز البصري عن اللوحة المنطقية القياسية.]

لماذا يعد عرض التتبع وكثافته أمرًا بالغ الأهمية في لوحات الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي؟ .

إن أهم جانب لإدارة التيار الكهربائي هو تحديد حجم الموصلات بشكل صحيح. الأدوات الرئيسية لذلك هي عرض المسار وكثافة النحاس (أو وزنه). متطلبات الصناعة لتوجيه هذه الخيارات هي: IPC-2221 "المعيار العام لتصميم الألواح المطبوعة". يوفر هذا الملف مخططات وصيغًا تربط موقع المقطع العرضي للمسار بقدرته على تحمل التيار عند ارتفاع درجة حرارة مسموح به. يستخدم المصممون المعاصرون بانتظام حاسبات إلكترونية مدمجة بحلول IPC، مما يُبسّط العملية.

تُقاس كثافة النحاس في لوحة الدوائر المطبوعة بالأونصات لكل قدم مربع (أونصة/قدم مربع). عادةً ما تستخدم لوحة الدوائر المطبوعة الأساسية أونصة واحدة/قدم مربع من النحاس (بسمك حوالي 35 ميكرومتر) على طبقاتها الخارجية، و0.5 أونصة/قدم مربع (حوالي 17.5 ميكرومتر) على طبقاتها الداخلية. تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي هذه القيم غالبًا ما تكون غير كافية. غالبًا ما يُعرّف المصممون النحاس الثقيل يتراوح سمكها بين ٢ أونصة/قدم مربع إلى أكثر من ١٠ أونصات/قدم مربع. يوفر استخدام نحاس أكثر سمكًا ميزة كبيرة: فبالنسبة لنفس التصنيف الحالي، يكون عرض المسار المطلوب أصغر بكثير. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على مساحة اللوحة المهمة في التصاميم الكثيفة.

على سبيل المثال، قد يتطلب توصيل تيار كهربائي 10 أمبير مع ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية على طبقة خارجية مسارًا بعرض 150 مليمترًا باستخدام أونصة واحدة من النحاس. أما باستخدام 3 أونصات من النحاس، فيمكن معالجة نفس التيار باستخدام مسار بعرض أقل من 40 مليمترًا. يتيح هذا الانخفاض في العرض قنوات توجيه أكثر وتصميمًا أكثر إحكامًا. ومع ذلك، فإن النحاس الثقيل يتطلب تكلفة تصنيع أعلى وقد يتطلب عمليات حفر متخصصة.

البيانات النسبية: وزن النحاس وتأثيره .

كيف يمكن للتلاعب بقناع اللحام تعزيز قدرة التيار؟ .

على الرغم من أنها ليست ممارسة تصميم أساسية، فإن التحكم في قناع اللحام يوفر طريقة مبتكرة لتحسين قدرة تحمل التيار لأثر ما بعد التصنيع. قناع اللحام هي طبقة البوليمر الرقيقة الواقية التي تغطي آثار النحاس. بتصميم طبقة قناع اللحام بحيث تترك أثر تيار عالٍ مكشوفًا، تُتاح فرصة تعزيزه. يُطلق على هذه العملية عادةً "جسر اللحام" أو "دعم الأثر".

الإجراء بسيط. بمجرد استلام لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) العارية، يُضاف لحام إضافي يدويًا على طول مسار النحاس المكشوف. يتميز اللحام بمقاومة إجمالية أقل بكثير من النحاس، ولكن يمكن استخدامه في طبقة سميكة، مما يزيد مساحة المقطع العرضي للموصل بنجاح. تقلل هذه المادة الموصلة المُضمنة من المقاومة الكلية للمسار، مما يسمح بزيادة كفاءته عند نفس درجة الحرارة.

على الرغم من كفاءتها، إلا أن لهذه الطريقة عيوبها. فهي إجراء يدوي، مما يجعلها غير مناسبة للإنتاج الآلي بكميات كبيرة. مساحة السطح الناتجة غير متساوية، ويصعب التنبؤ بدقة بتحسين قدرة التيار. يُفضل اعتبارها خيارًا عمليًا للنماذج الأولية، واللوحات المصممة خصيصًا لمرة واحدة، أو في الحالات التي يتطلب فيها التصميم زيادة محدودة في الطاقة دون مراجعة كاملة للوحة. إنها حيلة عملية في ترسانة... تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي مهندس.

ما هو الدور الذي تلعبه مكثفات الفصل في استقرار الطاقة؟ .

سلامة الطاقة هي مصدر قلق مهم في أي تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي عندما تعمل المكونات النشطة، مثل المعالجات الدقيقة أو ترانزستورات التأثير الميداني (FETs)، بسرعات عالية، فإنها تسحب دفعات تيار حادة وقصيرة المدى من قضبان الطاقة. يمكن أن تمنع المحاثة الكامنة في مسارات لوحة الدوائر المطبوعة الطويلة المؤدية إلى مصدر الطاقة مصدر الطاقة من الاستجابة بسرعة كافية. يؤدي هذا إلى انخفاض موضعي في الجهد، أو "انخفاض" في الجهد، عند أطراف طاقة المكون، مما قد يسبب ظواهر مثل ارتداد الأرض والرنين، مما يسبب أخطاء في التفكير أو إعادة ضبط النظام.

مكثفات الفصل هي الخدمة. تعمل هذه المكثفات كخزانات طاقة إقليمية صغيرة، توضع بشكل أفضل بجانب دبابيس الطاقة للجزء النشط. عندما يحتاج المكون إلى دفعة مفاجئة من التيار، يوفر مكثف الفصل التيار بسرعة. هذا يلبي الطلب قصير المدى حتى يتمكن مصدر الطاقة الرئيسي من تلبية الطلب. لضمان موثوقية عالية، يجب توصيل أحد طرفي المكثف بدبوس طاقة المكون بأقصر مسار ممكن، ويجب توصيل الطرف الآخر مباشرةً بمصدر منخفض المقاومة. الطائرات الأرضية .

يتطلب اختيار مكثف فصل التيار الكهربائي الأمثل مراعاة سعته، ومادته العازلة، وحجمه الفيزيائي، ومقاومته التسلسلية المكافئة (ESR) ومحاثاته التسلسلية المكافئة (ESL). ومن الممارسات الشائعة استخدام شبكة من المكثفات. على سبيل المثال، يمكن لمكثف أكبر سعة 10 ميكرو فاراد توفير تيار منخفض التردد، بينما يتولى مكثف سيراميكي أصغر سعة 0.1 ميكرو فاراد موضوع بالقرب من دبوس التوصيل التعامل مع التيارات العابرة عالية التردد. الهدف النهائي من طريقة فصل التيار الكهربائي الجيدة هو تقليل المعاوقة بين سكتي الطاقة والأرض عبر طيف ترددي واسع.

هل يمكن لمضاعفة الطبقات والاستفادة من Vias تعزيز التعامل مع الطاقة؟ .

بالتأكيد. من بين أكثر التقنيات موثوقية في الطبقات المتعددة المعاصرة نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي هو استخدام طائرات طاقة متوازية. بدلاً من الاعتماد على خط كبير واحد على طبقة واحدة، يمكن للمصمم ربط طبقتين أو أكثر بنفس شبكة الطاقة. على سبيل المثال، يمكنك وضع خط نحاسي كبير لسكة الطاقة الرئيسية في الطبقة العليا، ووضع مماثل أسفلها مباشرةً في طبقة داخلية أو سفلية.

لجعل هاتين الطبقتين تعملان كموصل واحد سميك، يجب خياطتهما معًا باستخدام مجموعة مختارة من فياس تُعرف هذه باسم "ثقوب الخياطة". بوضع العديد من الثقوب في موقع صب النحاس، تُنتج عدة مسارات رأسية منخفضة المقاومة حاليًا. يُضاعف هذا بنجاح (أو يُضاعف ثلاثة أضعاف، إلخ) مساحة المقطع العرضي للنحاس المُتاح بسهولة للنحاس الموجود، مما يُقلل بشكل كبير من المقاومة العامة وانخفاض الجهد. كلما زاد عدد الثقوب المُستخدمة، انخفضت مقاومة الوصلة بين الطبقات.

هذه الاستراتيجية فعّالة للغاية في توزيع الطاقة من مُحوِّل الإدخال إلى أجزاء مختلفة من اللوحة. والنتيجة النهائية هي انخفاض كبير في الجهد، وبالتالي انخفاض توليد الحرارة ( P = I TWO R من العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند تنفيذ هذا الإجراء مسار العودة الحالي. من الضروري ضمان وجود مستوى أرضي متين ومتواصل يحيط بطبقات الطاقة هذه لتوفير مسار عودة مباشر وتجنب إنشاء حلقات كبيرة قائمة، مما قد يُسبب مشاكل كبيرة تتعلق بالتداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

كيف تعمل وصلات النحاس على تعزيز تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي؟ .

بالنسبة لأي شبكة، فإن وجودها مهم للغاية، باستخدام وضع النحاس (المعروف أيضًا باسم حشو مضلع أو حشو نحاسي) أفضل بكثير من استخدام التتبع البسيط. للتتبع عرض ثابت، بينما يملأ صب النحاس مكانًا محددًا بالكامل بالنحاس، ويلتصق تلقائيًا حول التتبعات والوسادات الأخرى مع الحفاظ على خلوص محدد. تزيد هذه الطريقة من كمية النحاس المستخدمة في شبكة الطاقة، مما يوفر العديد من المزايا الأساسية.

أولاً، يُنشئ الشكل الكبير للصب مسار مقاومة منخفض للغاية، مما يقلل من انخفاض الجهد وفقدان الطاقة. ثانياً، تُعدّ مساحة السطح الكبيرة ممتازة لتبديد الحرارة. يعمل الصب كمشتت حراري متكامل، حيث ينشر الحرارة بعيدًا عن المكونات الساخنة ويشعها في البيئة بشكل أكثر فعالية. هذا مفهوم أساسي لـ الإدارة الحرارية في نمط PCB.

عند إنشاء نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي يجب تنفيذ جميع قضبان الطاقة الرئيسية (مثل رقم تعريف المركبة (VIN)، ورقم VCC، وGND) على شكل صفائح نحاسية بدلاً من ترك آثار في أي مكان ممكن. ومن الممارسات الجيدة استخدام هذه الصفائح لغمر الطبقات الخارجية من لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للحصول على أقصى قدر من الإشعاع الحراري. ومن المهم أيضاً التأكد من أن هذه الوصلات متصلة بشكل مباشر وقوي بدبابيس المكونات ومصادر الطاقة، مما يمنع الأسلاك الرقيقة "للتخفيف الحراري" التي قد تُسبب اختناقات في حالة ارتفاع تدفق التيار.

ما هي الخطوات المهمة في تصنيع PCB عالية الطاقة؟ .

عملية إنتاج النحاس الثقيل أو نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي تتطلب أساليب متخصصة مقارنةً باللوحات التقليدية. يساعد فهم هذه الإجراءات المصممين على تطوير تصميمات ليست فقط سليمة من الناحية الكهربائية، بل قابلة للتصنيع أيضًا.

1. إعداد الركيزة وتنظيفها: تبدأ العملية باستخدام مادة الرقائق (على سبيل المثال، FR-4 يتم تنظيف رقاقة النحاس الملتصقة بهذه الركيزة جيدًا للتخلص من أي طبقات مضادة للتآكل وضمان الالتصاق المناسب لفيلم مقاومة الضوء.
2. تصوير نمط الدائرة: يُلصق غشاء حساس للضوء يُسمى مقاوم الضوء على رقاقة النحاس. يُنقل نمط الدائرة، المُصمم ببرنامج CAD، إلى هذا الغشاء باستخدام قناع ضوئي، ويُعرَّض للأشعة فوق البنفسجية. تتصلب مناطق المقاومة المعرضة للضوء (أو تلين، حسب العملية)، مُشكِّلةً بذلك قالب الدائرة النهائية.
3. الحفر والطلاء: هنا تكمن اختلافات ألواح النحاس الثقيلة اختلافًا كبيرًا. ففي لوحات الدوائر المطبوعة القياسية، يُزال النحاس غير المرغوب فيه ببساطة. أما في حالة النحاس الثقيل، فيُستخدم مزيج من الطلاء والنقش. يمكن طلاء اللوحة بنحاس إضافي لزيادة السُمك قبل خطوة النقش الأخيرة، والتي تتطلب خدمات كيميائية أقوى وفترات تعرض أطول لإزالة النحاس السميك غير المرغوب فيه. وتُعد عملية النقش التفاضلي هذه مهارة متخصصة.
4. حفر: تعمل المثاقب عالية السرعة والدقة على تطوير جميع الثقوب المطلوبة، بما في ذلك ثقوب تثبيت الأجزاء و فياس بالنسبة للثقوب الصغيرة للغاية (الميكروفيات)، يتم عادةً استخدام الحفر بالليزر.
5. عملية الثقب المطلي (PTH): هذا إجراء حيوي للوحات متعددة الطبقات. تُصبح الثقوب المحفورة موصلة للكهرباء عن طريق ترسيب طبقة من النحاس داخل أسطوانة الثقب، وهي عملية تُعرف باسم طلاء النحاس اللاكهربائي، يليه طلاء كهربائي. يُنشئ هذا الاتصال الكهربائي بين مختلف طبقات لوحة الدوائر المطبوعة. في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي يتم زيادة كثافة الطلاء في الأسطوانة المستمرة بشكل متكرر لضمان قدرتها على إدارة التيار المطلوب دون التوقف عن العمل.
6. تطبيق قناع اللحام والطباعة الحريرية: الحماية قناع اللحام تُطبّق طبقة من الحرير على كامل سطح اللوحة، ثم تُعرَض من خلال قناع للكشف عن الوسادات التي ستُلحم عليها الأجزاء. بعد ذلك، تُطبع طبقة الحرير (مُعَيِّنات المكونات، والشعارات، وما إلى ذلك) على السطح.
7. مساحة السطح كاملة: لحماية وسادات النحاس المكشوفة من الأكسدة وضمان قابلية لحام جيدة، يُستخدم طلاء سطحي. تشمل الخيارات المتاحة HASL (تسوية اللحام بالهواء الساخن)، وENIG (نيكل خالٍ من الكهرباء، وENIG) وOSP (مواد حافظة عضوية للحام). يعتمد الاختيار على التكلفة ومتطلبات الكفاءة وأنواع العناصر.
8. الاختبار الكهربائي: أخيرًا، تخضع كل لوحة لفحص كهربائي دقيق. يفحص جهاز اختبار "المسبار الطائر" أو "سرير المسامير" كل شبكة بحثًا عن أي فتحات أو تماس كهربائي، للتأكد من أن اللوحة المصنعة مطابقة تمامًا لمواصفات التصميم الأصلية.

كيف يؤثر اختيار الركيزة على قوة وموثوقية لوحة الدوائر المطبوعة؟ .

المادة الأساسية لـ PCB، ركيزة عازلة ، يلعب دورًا مهمًا في الموثوقية طويلة الأمد لـ نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي على الرغم من أن إيبوكسي الزجاج القياسي FR-4 (مثبط اللهب 4) هو المنتج الأكثر دقةً وفعاليةً من حيث التكلفة، إلا أنه يجب مراعاة حواجزه الحرارية. يتميز FR-4 بمستوى تلوث زجاجي (TG) يتراوح بين 130 و180 درجة مئوية تقريبًا. إذا اقتربت درجة الحرارة من هذه الدرجة باستمرار، فقد يبدأ المنتج في الانهيار ويفقد ثباته الهيكلي والكهربائي.

للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة تشغيل أعلى أو دورات حرارية شديدة، تُعد المنتجات المتطورة ضرورية. على سبيل المثال، يُحاط البولي أميد، وهو مادة عالية الأداء بدرجة حرارة حرارية تبلغ 250 درجة مئوية أو أكثر، بسياج. يحمي هذا البولي أميد خصائصه من الإجهاد الحراري الشديد، وهو مثالي للتطبيقات الفضائية والعسكرية والصناعية عالية الطاقة. وتشمل البدائل الأخرى لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية (MCPCBs)، حيث تكون الطبقة السفلية عبارة عن صفيحة من الألومنيوم أو النحاس، مما يوفر تبديدًا حراريًا ممتازًا.

يؤثر اختيار الركيزة بشكل مباشر على قدرة اللوح على تحمل الضغط الحراري. فالدورة الحرارية (التبريد والتسخين المتكرر) تضع ضغطًا ميكانيكيًا على الهيكل بأكمله، وخاصةً الثقوب المطلية (PTHs) يتمدد طلاء النحاس في الثقب ويتقلص بمعدل يختلف عن المادة العازلة المحيطة. على مدار دورات عديدة، قد يؤدي ذلك إلى إجهاد وكسور في أسطوانة الثقب، مما يُؤدي إلى دائرة مفتوحة. يُقلل طلاء النحاس الثقيل والمنتجات عالية الجاذبية (Tg) هذه الأعطال بشكل كبير من خلال بناء هيكل أكثر متانة.

ما هي المبادئ الأساسية للإدارة الحرارية؟ .

فعال الإدارة الحرارية ربما يكون هذا هو الجانب الأكثر أهمية في النجاح نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي الهدف هو إبعاد الحرارة عن مصدرها (مثل ترانزستور MOSFET للطاقة، أو منظم جهد) وتبديدها في البيئة المحيطة. في حال عدم معالجة الحرارة، سترتفع درجات حرارة العناصر، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءتها وعمرها الافتراضي، وقد يؤدي في النهاية إلى تعطلها.

الطريقة الرئيسية لنقل الحرارة داخل لوحة الدوائر المطبوعة هي التوصيل. آثار النحاس الثقيلة والكبيرة صب النحاس موصلات ممتازة للحرارة، وليس فقط للطاقة الكهربائية. إحدى الطرق الرئيسية هي استخدام فتحات حرارية هذه فتحات تُوضع مباشرةً تحت الوسادة الحرارية للمكون المُولِّد للحرارة. تعمل كقنوات، تنقل الحرارة من الطبقة العلوية للوحة إلى وحدات توليد الطاقة الأرضية/الداخلية أو السفلية. ثم تعمل هذه الوحدات كمشتتات حرارية كبيرة، تنشر الحرارة على مساحة أوسع بكثير.

بالنسبة للتطبيقات ذات الطاقة العالية جدًا، فإن الطرق السلبية المدمجة غير كافية. مبددات الحرارة مطلوبة. المشتت الحراري هو قطعة معدنية موصلة حرارياً (عادةً من الألومنيوم أو النحاس) مزودة بزعانف لتحسين مساحته. يُثبّت على عنصر توليد الحرارة أو وسادة نحاسية مخصصة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) باستخدام لاصق موصل حرارياً أو مثبتات ميكانيكية. تنتقل الحرارة من القطعة إلى المشتت الحراري، الذي يُبددها بدوره في الهواء عبر الحمل الحراري. تدمج الطريقة الحرارية المُنفّذة بإتقان المسارات الموصلة على لوحة الدوائر المطبوعة مع التبريد الحراري والإشعاعي من المشتتات الحرارية.

ما هي العوامل المتقدمة التي يجب مراعاتها لأنماط القوة القصوى؟ .

عند التعامل مع تيارات عالية جدًا (مثلًا، > ١٠٠ أمبير)، قد تصل حتى لوحات الدوائر المطبوعة النحاسية الثقيلة إلى حدودها القصوى. في هذه الحالات، يلجأ المصممون إلى خيارات أكثر تفردًا. إحدى التقنيات الشائعة هي تضمين قضبان التوصيل هذه قضبان صلبة من النحاس أو الألومنيوم المُشَكَّل آليًا، تُثبَّت أو تُلحَم على لوحة الدوائر المطبوعة. تُوفِّر هذه القضبان مقاومة هائلة ومنخفضة للغاية للتيار، تتجاوز بكثير قدرة حتى أسَمك خطوط لوحة الدوائر المطبوعة.

من الطرق المبتكرة الأخرى استخدام الأجزاء المدمجة، حيث تُنتج مكونات مثل المغناطيسيات المستوية (المحثات والمحولات) مباشرةً داخل طبقات لوحة الدوائر المطبوعة نفسها باستخدام أنماط تتبع حلزونية. باستخدام عدة طبقات متوازية، تستطيع هذه الأجزاء المدمجة التعامل مع مستويات طاقة عالية مع تقليل الحجم العام وتعقيد تجميع المنتج النهائي.

أخيرًا، لتحقيق أقصى أداء حراري، قد يستخدم المصممون لوحات دوائر مطبوعة ذات قلب معدني أو خلفية معدنية. في لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات (MCPCB)، تكون الطبقة العازلة رقيقة جدًا وملتصقة مباشرةً بلوحة قاعدة معدنية سميكة (عادةً ما تكون من الألومنيوم). تعمل اللوحة الأساسية كمشتت حراري مدمج وعالي الكفاءة للوحة بأكملها. هذا البناء شائع في تطبيقات إضاءة LED عالية السطوع والتحكم في المحركات، حيث تُعد الإدارة الحرارية أهم عامل تصميم لتحقيق أداء موثوق. نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي .

خاتمة .

تطوير نظام فعال تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي هي وظيفة هندسية متعددة التخصصات. تتطلب فهمًا عميقًا للتفاعل بين المبادئ الكهربائية والخصائص الحرارية وخصائص المنتج وإجراءات التصنيع. لا يكفي مجرد تكبير الخطوط. يُعد اتباع نهج شامل يركز على مسارات الطاقة منخفضة المقاومة من خلال الاستخدام الاستراتيجي للنحاس الثقيل، وطبقات النحاس، والطبقات المتوازية أمرًا بالغ الأهمية. ويجب أن يقترن ذلك بتخطيط مدروس. الإدارة الحرارية استراتيجية تعمل على إزالة الحرارة بشكل فعال من الأجزاء الحيوية باستخدام الفتحات الحرارية، ومبددات الحرارة، ومواد الركيزة المناسبة.

ملخص للنصائح السرية .

• التركيز على المقاومة المنخفضة: الهدف الأساسي هو تقليل خسائر I²R باستخدام مسارات واسعة، يضع النحاس ، والنحاس الثقيل (2 أوقية أو أكثر).
• حدد، لا تفكر: استخدم دائمًا IPC-2221 - حاسبة تعتمد على تحديد عرض التتبع المطلوب للتيار المستهدف وارتفاع درجة الحرارة المناسب.
• استخدم طبقات متعددة: استخدم طائرات الطاقة المتوازية المخيطة معًا باستخدام العديد من فياس لزيادة سعة التيار بشكل كبير وتقليل انخفاض الجهد.
• إدارة الحرارة بقوة: قوي الإدارة الحرارية الخطة غير قابلة للتفاوض. استخدام فتحات حرارية لسحب الحرارة من العناصر، واستخدام مشتتات حرارية للأجهزة عالية الطاقة.
• التأريض أمر حيوي: استخدم طائرات أرضية كبيرة وصلبة لتوفير مسار عودة منخفض المقاومة للتيار الكهربائي الحالي، وهو أمر مهم لكل من سلامة الطاقة والتحكم في التداخل الكهرومغناطيسي.
• عناصر الموقع استراتيجيا: قلل من استخدام حلقات التيار العالي قدر الإمكان. ضع مكثفات الفصل أقرب ما يمكن من دبابيس طاقة الدائرة المتكاملة التي تحميها.
• خذ بعين الاعتبار الشركة المصنعة: فهم أن أ تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي قد يتطلب الأمر إجراءات حفر وطلاء مخصصة. تواصل مع جهة التصنيع الخاصة بك بوضوح لتلبية متطلباتك.

الأسئلة الشائعة (الأسئلة الشائعة) .

1. ما هو مقدار التيار الذي يعتبر "تيارًا عاليًا"؟ لا توجد قيمة عالمية واحدة، ولكن عادةً، تحتاج التيارات التي تتجاوز 2-5 أمبير في منطقة محدودة، أو أي تيار أعلى من 10 أمبير، إلى قيمة فريدة. نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي اعتبارات. السياق هو الأساس؛ حتى 1A يمكن أن يكون "مرتفعًا" إذا كانت ميزانية الطاقة الحرارية ضيقة للغاية.
2. هل يمكنني استخدام معيار FR-4 لتصميمي عالي الطاقة؟ . نعم، FR-4 غالبًا ما يكون مناسبًا، خاصةً إذا ظلت درجات حرارة التشغيل أقل بكثير من معامل انتقال الحرارة (Tg) (عادةً ما يكون بين 130 و170 درجة مئوية). ومع ذلك، في التطبيقات التي تتطلب حرارة شديدة أو موثوقية عالية، تُعدّ مواد مثل البولي إيميد أو الركائز ذات النواة المعدنية خيارًا أفضل بكثير.
3. ما هو السبب الرئيسي للفشل في لوحات الدوائر المطبوعة عالية القدرة؟ أكثر أنواع الأعطال شيوعًا هو العطل الحراري. الحرارة الشديدة الناتجة عن فقدان I²R قد تُسبب تلف العناصر، أو تلف وصلات اللحام، أو انفصال طبقة لوحة الدوائر المطبوعة نفسها. أما السبب الثاني الأكثر شيوعًا فهو انخفاض الجهد الشديد، مما يُسبب عطلًا في النظام.
4. هل حاسبات عرض أثر PCB عبر الإنترنت دقيقة؟ نعم، معظم الآلات الحاسبة المتوفرة على الإنترنت موثوقة للغاية لأنها تعتمد على الحلول المكتشفة في IPC-2221 معيار. إنها أداة أساسية لأي نمط لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي ومع ذلك، كن دائمًا متحفظًا وفكر في العوامل الواقعية مثل تكديس الألواح ومصادر الحرارة القريبة.
5. ما هو "شريط الحافلة" ومتى يجب أن أستخدمه؟ قضيب التوصيل هو موصل معدني قوي (عادةً من النحاس أو الألومنيوم) متصل فعليًا بلوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لنقل تيارات عالية جدًا (غالبًا ما تكون أكبر من ١٠٠ أمبير). يُنصح باستخدام قضيب توصيل عندما يتجاوز التيار المطلوب الحد الأقصى للكفاءة، حتى مع وجود أثقل خطوط النحاس على لوحة الدوائر المطبوعة.
6. لماذا تعتبر الزوايا الحادة بزاوية 90 درجة سيئة بالنسبة للمسارات ذات التيار العالي؟ خلال عملية النقش الكيميائي، قد يتجمع الحمض في الزاوية الداخلية لانحناء بزاوية 90 درجة، مما يُفرط في نقشه ويُقلل من موقع المقطع العرضي للأثر. يُؤدي هذا إلى نقطة "ازدحام حالي" ونقطة ساخنة محتملة. يُفضل دائمًا استخدام انحناءات بزاوية 45 درجة أو خطوط منحنية لضمان تدفق حالي سلس.