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通常将公称厚度为105μm以上的PCB用铜箔统称为厚铜箔。
用厚铜箔及超厚铜箔制成的印制电路板可称为“厚铜印制电路板”。
厚铜PCB应用领域及需求量在近年得到了迅速的扩大,现已成为具有很好市场发展前景的一类“热门”PCB品种。
一、厚铜箔及超厚铜箔
通常将公称厚度为105μm及其以上的PCB用铜箔(包括经表面处理后的电解铜箔、压延铜箔),统称为厚铜箔。厚铜箔,国内外PCB及铜箔制造业更习惯以铜箔公称厚度将其具体划分为三个品种,是将等于或大于105μm (≥3oz)~240μm称为厚铜箔;300μm及其以上称为超厚铜箔;600μm及其以上称为超MAX铜箔。厚铜箔(电解铜箔)及超厚铜箔(电解铜箔)的主要产品规格见表1中所列。
厚铜箔及超厚铜箔属于一类特殊的PCB用铜箔。它除了具有常规的电解铜箔(或压延铜箔)性能外,它作为大电流基板的导电层或内芯散热金属层还具有特殊的一些性能要求。这些特殊性能要求是要满足来自它的下游产品的应用条件、加工条件等方面。对它的应用性能要求,最突出的表现在厚铜导电电路上能稳定地通过大电流,以及更好散发由负载大电流在基板内产生的高热量的特性。
近年,随着厚铜印制电路板应用领域扩大,产销量的提高,使得厚铜箔的产销量有了明显的提高。据统计在2012年,它的产销量已占世界整个电子铜箔产销量的5~6%,即为1.7~2.0万吨/年。
世界厚铜箔及超厚铜箔主要生产企业有:古河电工公司、JX日矿日石金属公司、卢森堡电路铜箔有限公司、金居开发铜箔股份有限公司、长春石油化学股份有限公司、中科英华股份有限公司等。推估主要生产厂的世界厚铜箔及超厚铜箔市场占有率(以2012年市场格局情况为计)如图1所示(注:在图1中的日矿金属市场份额包括一部分的压延铜箔)。
二、厚铜印制电路板
用厚铜箔及超厚铜箔制成的印制电路板可称为“厚铜印制电路板”。它使用的导电材料(铜箔)及基板材料、生产工艺、应用领域都与常规PCB有所差异,因此它属于特殊类PCB。厚铜PCB应用领域及需求量在近年得到了迅速的扩大,现已成为具有很好市场发展前景的一类“热门”PCB品种。
厚铜PCB产品新发展,也引伸出一个以它为中心的新产业链(见图2)。它的终端电子产品领域也与常规PCB有所差异。
厚铜印制电路板绝大多数为大电流基板。大电流基板主要应用领域是两大领域——电源模块(功率模块)和汽车电子部件。它的主要终端电子产品领域,有的相同于常规PCB(如携带型电子产品、网络用产品、基站设备等),也有的有别于常规PCB领域,如汽车、工业控制、电源模块等。
大电流基板与常规印刷电路板在功效上有所差异。常规PCB 最初的主要功效,是用于构成传递信号的导线(配线)。随着PCB技术向着HDI板的方向不断发展,这种信号传输导线的线宽演变得越来越微细,导线的厚度(PCB的导电层厚度)也变得越来越薄,铜箔从厚度35微米,到更薄的18μm、12μm,甚至9μm及其更极薄。有大电流通过的、承载功率器件的基板,主要功效是保护电流的承载能力和使电源稳定。这种大电流基板的发展趋势是承载更大的电流、更大的器件发出的热需要散出,因此通过的大电流越来越大,基板所用的铜箔厚度也越来越厚。例如现在制造的大电流基板也将使用210μm厚铜箔成为常规化;再例如代替用于汽车、机器人、功率电源等原用的母线(Busbar)、线束的基板的导体层厚度都已达到400μm~2000μm。
采用厚铜箔的PCB例见图3。
三、功率电子产品与技术
自厚铜印制电路板问世起,PCB的应用领域就跨入了一个新的工业产品领域——功率电子产品。
1958 年美国GE公司生产了第一只晶闸管,开创了功率半导体器件,产生了功率电子行业。1973 年美国西屋公司研究室主任Dr.Newell首次提出功率电子技术概念,并给出了其经典的定义[1]。功率电子又习惯上称为电力电子(Power Electronics),它是一门包含电工、电子、控制等多个子学科的交叉技术作为支撑的一类产品。功率流经功率电子电路,受电子器件控制。
有关文献[2]对功率电子技术与微电子技术的差异做了比较:微电子技术的功能是信息处理,即对小信号的放大、运算、波形变换等,主要用于信号传感及变送;功率电子技术的主要功能是功率调节或功率处理 [2],其实质是功率变换,即将某一电压(或电流、频率、波形)的电能变换为另一种电压(或电流、频率、波形)的电能,功率变换包括可控整流、逆变、变频、DC-DC 等各种变换。变换的功率其电流大于几kA,电压超过数十kV,容量达到兆瓦级。
图4中的(a)及(b)分别为信息处理与功率处理的系统框图。
四、厚铜印制电路板应用功能的扩展,使应用领域得到扩大
近年,厚铜PCB的市场迅速扩大,与厚铜PCB的设计、制造提高,应用功能的延伸、扩大,有着密切的关系。它的应用功能的新扩展带动市场的扩大,主要表现在如下几方面。
4.1 充分发挥厚铜PCB小型化、薄型化、多层化的优势,替代陶瓷基板的步伐加快
有机树脂基的厚铜PCB具有可实现基板小型化、薄型化、多层化的优势,由于近年电动汽车、混合动力汽车、机器人等所用的大功率电源和电流控制器(如DC-DC转换器)、电源开关、马达电路、熔断器等都更趋于小型化,这为厚铜PCB替代原普遍采用的陶瓷基板创造了机遇,加快了步伐。
混合动力汽车用DC-DC转换器用大电流、有机树脂基厚铜PCB例,见图5。
4.2 厚铜PCB在设计、制造技术上的进步,推动了功率电路(负载大电流)与控制电路实现“一体化”
在汽车电子中的PCB设计,往往是搭载功率器件的基板,与电路控制的基板是采用分立设置的。搭载大电流功率器件的基板是采用陶瓷基板的形式。在陶瓷基板再更多地进行控制电路的电路布线,在制作工艺上是难于达到的。将搭载功率器件的陶瓷基板被有机树脂基厚铜PCB所替代,实现了负载大电流的功率电路与控制电路的“一体化”。 图6例举了混合动力汽车用DC-DC转换器基板采用有机树脂基的厚铜PCB实例,它将功率电路与控制电路实现“一体化”。
古河电气公司近年新开发、生产一类“一体化”的厚铜箔PCB。它称为“PB-L厚铜箔内层多层板型”。这种结构的基板适合于承载电流值(连续保持)在30A~70A的电流。基板结构设计的特点是将功率电路实现内层化(见图7)。这种功率电路内层化的基板设计,从电感电抗角度考虑是基板设计的更佳选择方案。并且这种电路设计,对降低尖峰电压(浪涌电压),也可发挥很好效果。并且基板的表面可达到平滑。由于采用功率电路的内层化,它还在高电压的领域得到应用。古河电气公司的功率电路内层化的厚铜箔PCB实际例见图8所示。
值得注意的是,近年汽车中的厚铜基板与线束实现一体化的进程加快。这种厚铜基板-线束一体化的复合型大电流PCB,将许多的大电流线束转变为电路布线的形式,控制电路与功率模块电路集中在一个PCB体系中(见图9),减少了对汽车电子部件的联结、装配上的繁琐,提高了可靠性、易于实现小型化。一体化复合型大电流基板的各部位PCB结构图如图10所示。
4.3 厚铜PCB在结构上的多样化发展,提高了它的散热功效
4.3.1 内芯嵌入厚铜的结构
(1) 大电流/厚铜箔印制电路板是日本共荣电资公司(Kyoei Denshi Co.,Ltd,公司网址:www. kyoeidenshi.co.jp)的一类主导产品。近年它推出内芯金属材为铜板的散热基板,其产品很畅销。它有两种这类典型产品:其一是以0.8 mm或1.6mm 的铜板作为基板的内芯,基板的总厚度为3.6 mm (6层)构成的。另一种是选用175μm厚铜箔作内芯材,所制的PCB总厚度为1.6mm或者2.0 mm(实例见图11)。这两种大电流/ 厚铜箔散热基板,最开始主要应用在大电流的汽车换流器/交流变换器、电源设备的变换器等方面。之后又扩展到高频基板、携带型电子产品的基站用天线装置方面,并且它的应用市场在近年还渗透到汽车用微波雷达、无线LAN(无线局域网)等新应用领域。
(2) 为了解决大电流及散热问题,大阳工业公司采用300μm、400μm、500μm压延铜箔,制成“超厚铜大电流基板”,在它承载的发热器件的下方设有垂直的铜导热通路,它是由厚铜镶嵌而成的(见图12)。
(3) 近年来汽车的ECU等电子控制装置用印制电路板朝着多层化方向发展,CMK公司创造的含Cu板内芯材(Cu板的厚度为250μm、 500μm)的多层板,很适应于此PCB应用领域的需求。实现性能的高可靠性,它更加需要多层板具有高散热性。CMK公司的这类多层板,有单层Cu板内芯层型与双层Cu板内芯层型的两大多层板品种(见图13)。
(4) 将厚铜箔(或厚铜板)埋入到内层,既起到电路层作用,又起到散热的作用,这已成为TSS公司的大电流基板的一大特色。这种大电流基板,由于厚铜箔的采用,在承受大电流的电路线条宽幅方面可以比一般大电流基板电路宽幅缩得更窄。而厚铜箔埋入内层的结构,又使得基板可变得更小型化(结构图见图14)。
4.3.2 改变厚铜PCB导线的横剖面的形状
高电流和高电压的电路中采用厚铜箔作导电层,可以起到增加电路导线垂直方向的深度,减小电路导线宽度的功效。这样就可有效地使PCB面积变小,缩小了它所占的空间。同一种电路图形,而印刷电路板的横截面形态不同,所通过的允许电流大小也有所不同。采用了厚铜层布线,其横截面的面积增大,允许电流获得增加(不同厚度铜箔PCB的允许电流对比见图15)。
日本TSS公司的厚铜型大电流基板具有与业界生产的同类产品明显差异的特殊之点。一般PCB的电路横截面剖面构形是梯形,而这大电流基板电路层的横截面剖面结构呈“算盘珠”形,它可使电路线条顶部的尺寸得以扩宽,有利于信号的传输。电路层制作采用了半蚀刻技术以及新型蚀刻液。“算盘珠”形电路构形电路的基板,还可以制成埋入基板一半的结构。这样可抑制电路侧面进行元器件装联焊接时,锡焊料流入电路的凹形根部端内,这使得基板可靠性获得提高。
“算盘珠”形厚铜电路构形的大电流基板特点见图16的对比图。
4.3.3 高频特性和厚铜基结合的PCB需求增加[3]
高频型厚铜PCB是近年发展起来的新型PCB品种。它扩大了厚铜PCB的功能,是厚铜PCB更高一层的形式。它的问世,开拓了厚铜PCB的新的应用市场领域。这类PCB,高耐热性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、耐电压性都很优秀。它的主要应用领域有:通信领域、通信电源、无线通信、光纤通信、卫星通信、网络基站、网络电源、航天航空等。近年来,国内外不少著名的通信、网络巨头都纷纷提出对这类高频特性和厚铜基结合的印制电路板的需求。
参考文献:
[1]蔡宣三,赵争鸣.功率电子学科的基本理论初探.电力电子,2009,第1期:5-8.
[2]田志刚.功率电子技术与微电子技术的比较2010年云南电力技术论坛论文集.2010-11-02
[3]梁志立等.现代印制电路板先进技术(第三版)上册.印制电路信息杂志社.2013.3出版
用厚铜箔及超厚铜箔制成的印制电路板可称为“厚铜印制电路板”。
厚铜PCB应用领域及需求量在近年得到了迅速的扩大,现已成为具有很好市场发展前景的一类“热门”PCB品种。
一、厚铜箔及超厚铜箔
通常将公称厚度为105μm及其以上的PCB用铜箔(包括经表面处理后的电解铜箔、压延铜箔),统称为厚铜箔。厚铜箔,国内外PCB及铜箔制造业更习惯以铜箔公称厚度将其具体划分为三个品种,是将等于或大于105μm (≥3oz)~240μm称为厚铜箔;300μm及其以上称为超厚铜箔;600μm及其以上称为超MAX铜箔。厚铜箔(电解铜箔)及超厚铜箔(电解铜箔)的主要产品规格见表1中所列。
厚铜箔及超厚铜箔属于一类特殊的PCB用铜箔。它除了具有常规的电解铜箔(或压延铜箔)性能外,它作为大电流基板的导电层或内芯散热金属层还具有特殊的一些性能要求。这些特殊性能要求是要满足来自它的下游产品的应用条件、加工条件等方面。对它的应用性能要求,最突出的表现在厚铜导电电路上能稳定地通过大电流,以及更好散发由负载大电流在基板内产生的高热量的特性。
近年,随着厚铜印制电路板应用领域扩大,产销量的提高,使得厚铜箔的产销量有了明显的提高。据统计在2012年,它的产销量已占世界整个电子铜箔产销量的5~6%,即为1.7~2.0万吨/年。
世界厚铜箔及超厚铜箔主要生产企业有:古河电工公司、JX日矿日石金属公司、卢森堡电路铜箔有限公司、金居开发铜箔股份有限公司、长春石油化学股份有限公司、中科英华股份有限公司等。推估主要生产厂的世界厚铜箔及超厚铜箔市场占有率(以2012年市场格局情况为计)如图1所示(注:在图1中的日矿金属市场份额包括一部分的压延铜箔)。
二、厚铜印制电路板
用厚铜箔及超厚铜箔制成的印制电路板可称为“厚铜印制电路板”。它使用的导电材料(铜箔)及基板材料、生产工艺、应用领域都与常规PCB有所差异,因此它属于特殊类PCB。厚铜PCB应用领域及需求量在近年得到了迅速的扩大,现已成为具有很好市场发展前景的一类“热门”PCB品种。
厚铜PCB产品新发展,也引伸出一个以它为中心的新产业链(见图2)。它的终端电子产品领域也与常规PCB有所差异。
厚铜印制电路板绝大多数为大电流基板。大电流基板主要应用领域是两大领域——电源模块(功率模块)和汽车电子部件。它的主要终端电子产品领域,有的相同于常规PCB(如携带型电子产品、网络用产品、基站设备等),也有的有别于常规PCB领域,如汽车、工业控制、电源模块等。
大电流基板与常规印刷电路板在功效上有所差异。常规PCB 最初的主要功效,是用于构成传递信号的导线(配线)。随着PCB技术向着HDI板的方向不断发展,这种信号传输导线的线宽演变得越来越微细,导线的厚度(PCB的导电层厚度)也变得越来越薄,铜箔从厚度35微米,到更薄的18μm、12μm,甚至9μm及其更极薄。有大电流通过的、承载功率器件的基板,主要功效是保护电流的承载能力和使电源稳定。这种大电流基板的发展趋势是承载更大的电流、更大的器件发出的热需要散出,因此通过的大电流越来越大,基板所用的铜箔厚度也越来越厚。例如现在制造的大电流基板也将使用210μm厚铜箔成为常规化;再例如代替用于汽车、机器人、功率电源等原用的母线(Busbar)、线束的基板的导体层厚度都已达到400μm~2000μm。
采用厚铜箔的PCB例见图3。
三、功率电子产品与技术
自厚铜印制电路板问世起,PCB的应用领域就跨入了一个新的工业产品领域——功率电子产品。
1958 年美国GE公司生产了第一只晶闸管,开创了功率半导体器件,产生了功率电子行业。1973 年美国西屋公司研究室主任Dr.Newell首次提出功率电子技术概念,并给出了其经典的定义[1]。功率电子又习惯上称为电力电子(Power Electronics),它是一门包含电工、电子、控制等多个子学科的交叉技术作为支撑的一类产品。功率流经功率电子电路,受电子器件控制。
有关文献[2]对功率电子技术与微电子技术的差异做了比较:微电子技术的功能是信息处理,即对小信号的放大、运算、波形变换等,主要用于信号传感及变送;功率电子技术的主要功能是功率调节或功率处理 [2],其实质是功率变换,即将某一电压(或电流、频率、波形)的电能变换为另一种电压(或电流、频率、波形)的电能,功率变换包括可控整流、逆变、变频、DC-DC 等各种变换。变换的功率其电流大于几kA,电压超过数十kV,容量达到兆瓦级。
图4中的(a)及(b)分别为信息处理与功率处理的系统框图。
四、厚铜印制电路板应用功能的扩展,使应用领域得到扩大
近年,厚铜PCB的市场迅速扩大,与厚铜PCB的设计、制造提高,应用功能的延伸、扩大,有着密切的关系。它的应用功能的新扩展带动市场的扩大,主要表现在如下几方面。
4.1 充分发挥厚铜PCB小型化、薄型化、多层化的优势,替代陶瓷基板的步伐加快
有机树脂基的厚铜PCB具有可实现基板小型化、薄型化、多层化的优势,由于近年电动汽车、混合动力汽车、机器人等所用的大功率电源和电流控制器(如DC-DC转换器)、电源开关、马达电路、熔断器等都更趋于小型化,这为厚铜PCB替代原普遍采用的陶瓷基板创造了机遇,加快了步伐。
混合动力汽车用DC-DC转换器用大电流、有机树脂基厚铜PCB例,见图5。
4.2 厚铜PCB在设计、制造技术上的进步,推动了功率电路(负载大电流)与控制电路实现“一体化”
在汽车电子中的PCB设计,往往是搭载功率器件的基板,与电路控制的基板是采用分立设置的。搭载大电流功率器件的基板是采用陶瓷基板的形式。在陶瓷基板再更多地进行控制电路的电路布线,在制作工艺上是难于达到的。将搭载功率器件的陶瓷基板被有机树脂基厚铜PCB所替代,实现了负载大电流的功率电路与控制电路的“一体化”。 图6例举了混合动力汽车用DC-DC转换器基板采用有机树脂基的厚铜PCB实例,它将功率电路与控制电路实现“一体化”。
古河电气公司近年新开发、生产一类“一体化”的厚铜箔PCB。它称为“PB-L厚铜箔内层多层板型”。这种结构的基板适合于承载电流值(连续保持)在30A~70A的电流。基板结构设计的特点是将功率电路实现内层化(见图7)。这种功率电路内层化的基板设计,从电感电抗角度考虑是基板设计的更佳选择方案。并且这种电路设计,对降低尖峰电压(浪涌电压),也可发挥很好效果。并且基板的表面可达到平滑。由于采用功率电路的内层化,它还在高电压的领域得到应用。古河电气公司的功率电路内层化的厚铜箔PCB实际例见图8所示。
值得注意的是,近年汽车中的厚铜基板与线束实现一体化的进程加快。这种厚铜基板-线束一体化的复合型大电流PCB,将许多的大电流线束转变为电路布线的形式,控制电路与功率模块电路集中在一个PCB体系中(见图9),减少了对汽车电子部件的联结、装配上的繁琐,提高了可靠性、易于实现小型化。一体化复合型大电流基板的各部位PCB结构图如图10所示。
4.3 厚铜PCB在结构上的多样化发展,提高了它的散热功效
4.3.1 内芯嵌入厚铜的结构
(1) 大电流/厚铜箔印制电路板是日本共荣电资公司(Kyoei Denshi Co.,Ltd,公司网址:www. kyoeidenshi.co.jp)的一类主导产品。近年它推出内芯金属材为铜板的散热基板,其产品很畅销。它有两种这类典型产品:其一是以0.8 mm或1.6mm 的铜板作为基板的内芯,基板的总厚度为3.6 mm (6层)构成的。另一种是选用175μm厚铜箔作内芯材,所制的PCB总厚度为1.6mm或者2.0 mm(实例见图11)。这两种大电流/ 厚铜箔散热基板,最开始主要应用在大电流的汽车换流器/交流变换器、电源设备的变换器等方面。之后又扩展到高频基板、携带型电子产品的基站用天线装置方面,并且它的应用市场在近年还渗透到汽车用微波雷达、无线LAN(无线局域网)等新应用领域。
(2) 为了解决大电流及散热问题,大阳工业公司采用300μm、400μm、500μm压延铜箔,制成“超厚铜大电流基板”,在它承载的发热器件的下方设有垂直的铜导热通路,它是由厚铜镶嵌而成的(见图12)。
(3) 近年来汽车的ECU等电子控制装置用印制电路板朝着多层化方向发展,CMK公司创造的含Cu板内芯材(Cu板的厚度为250μm、 500μm)的多层板,很适应于此PCB应用领域的需求。实现性能的高可靠性,它更加需要多层板具有高散热性。CMK公司的这类多层板,有单层Cu板内芯层型与双层Cu板内芯层型的两大多层板品种(见图13)。
(4) 将厚铜箔(或厚铜板)埋入到内层,既起到电路层作用,又起到散热的作用,这已成为TSS公司的大电流基板的一大特色。这种大电流基板,由于厚铜箔的采用,在承受大电流的电路线条宽幅方面可以比一般大电流基板电路宽幅缩得更窄。而厚铜箔埋入内层的结构,又使得基板可变得更小型化(结构图见图14)。
4.3.2 改变厚铜PCB导线的横剖面的形状
高电流和高电压的电路中采用厚铜箔作导电层,可以起到增加电路导线垂直方向的深度,减小电路导线宽度的功效。这样就可有效地使PCB面积变小,缩小了它所占的空间。同一种电路图形,而印刷电路板的横截面形态不同,所通过的允许电流大小也有所不同。采用了厚铜层布线,其横截面的面积增大,允许电流获得增加(不同厚度铜箔PCB的允许电流对比见图15)。
日本TSS公司的厚铜型大电流基板具有与业界生产的同类产品明显差异的特殊之点。一般PCB的电路横截面剖面构形是梯形,而这大电流基板电路层的横截面剖面结构呈“算盘珠”形,它可使电路线条顶部的尺寸得以扩宽,有利于信号的传输。电路层制作采用了半蚀刻技术以及新型蚀刻液。“算盘珠”形电路构形电路的基板,还可以制成埋入基板一半的结构。这样可抑制电路侧面进行元器件装联焊接时,锡焊料流入电路的凹形根部端内,这使得基板可靠性获得提高。
“算盘珠”形厚铜电路构形的大电流基板特点见图16的对比图。
4.3.3 高频特性和厚铜基结合的PCB需求增加[3]
高频型厚铜PCB是近年发展起来的新型PCB品种。它扩大了厚铜PCB的功能,是厚铜PCB更高一层的形式。它的问世,开拓了厚铜PCB的新的应用市场领域。这类PCB,高耐热性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、耐电压性都很优秀。它的主要应用领域有:通信领域、通信电源、无线通信、光纤通信、卫星通信、网络基站、网络电源、航天航空等。近年来,国内外不少著名的通信、网络巨头都纷纷提出对这类高频特性和厚铜基结合的印制电路板的需求。
参考文献:
[1]蔡宣三,赵争鸣.功率电子学科的基本理论初探.电力电子,2009,第1期:5-8.
[2]田志刚.功率电子技术与微电子技术的比较2010年云南电力技术论坛论文集.2010-11-02
[3]梁志立等.现代印制电路板先进技术(第三版)上册.印制电路信息杂志社.2013.3出版