Tembaga
koin yang dibenamkan pada papan sirkuit cetak untuk pembuangan panas :
manufaktur, simulasi termal dan kehandalan.
(Nobel humania billah/1634010085)
1. Pendahuluan
multifungsi
Perangkat elektronik
dengan integrasi-skala besar ultra-meningkatkan persyaratan untuk pembuangan
panas yang cepat di papan sirkuit cetak (PCB) dengan kepadatan interkoneksi
tumbuh, kinerja listrik yang stabil dan kehandalan yang diperlukan selama
operasi daya tinggi (Suppa, 2008; Chen et al, 2014a;.. Wang et al, 2009).
pengeboran intensif dari lubang dan plating tembaga tebal lokal umumnya
diperkenalkan ke manufaktur PCB untuk manajemen termal tetapi kepadatan
interkoneksi akan terbatas di desain dengan meningkatnya lubang dan daerah
pelapis tembaga. Namun, logam murni, dengan elektron bebas untuk transportasi
panas yang cepat, memiliki konduktivitas termal yang tinggi sehingga pelat
logam dapat digunakan sebagai heat sink untuk secara signifikan meningkatkan
beban desain termal PCB (Chen et al, 2014b;.. Caisse et al, 2011 ; Buck, 1992).
Selain itu, piring ukuran kecil logam telah dimasukkan ke dalam interior PCB
untuk mempromosikan disipasi panas (Cho, 2008), tapi panas masih bisa
terakumulasi di dalam PCB, sehingga menyebabkan masalah Jenis popcorning. Sebuah
logam kecil harus vertikal dimasukkan / tertanam melalui semua lapisan PCB,
sehingga panas yang dapat dialihkan dari komponen ke daerah sekitarnya dari
PCB. Dengan cara ini, sebuah PCB dengan tembaga padat tertanam diusulkan untuk
desain baru untuk manajemen termal. Perilaku termal dari PCB tembaga
koin-tertanam disimulasikan dibandingkan dengan PCB tradisional. Keandalan PCB
tembaga koin tertanam juga dianalisis untuk menyelidiki stabilitas struktur.
2. Percobaan
Proses pembuatan tembaga koin tertanam PCB diuraikan dalam
Gambar 1. Bahan Epoxy-kaca, tembaga foil dan prepeg untuk laminasi PCB yang
ditumpuk dan terpaku untuk membentuk sistem laminasi setelah penggoresan pola
sirkuit. Setelah itu, koin tembaga dengan perawatan cokelat-oksida ditanamkan
ke jendela, yang diarahkan ke dalam sistem laminasi terpaku di atas. Sistem
laminasi dengan koin tembaga itu akhirnya dimasukkan ke dalam mesin penekan
yang panas sehingga prepreg untuk ikatan laminasi bisa masuk ke dalam celah
antara koin tembaga dan jendela selama proses penyembuhan.
Termal
disimulasikan untuk menyelidiki disipasi panas dari tembaga koin tertanam PCB.
Empat sirkuit terpadu (IC) chip dengan bola grid array kemasan sebagai sumber
panas yang ditetapkan pada permukaan tembaga koin tertanam PCB. Ukuran chip di
atas dengan kekuatan 0,8, 1,2, 1,0 dan 1,3 W yang 10? 10 mm, 15? 15 mm, 12? 12
mm dan 18? 12 mm, masing-masing ukuran koin tembaga tertanam yang sama dengan
orang-orang yang membuat IC chips.Chips yang
tertanam di PCB adalah sekitar 700 m ketebalan. Model PCB tembaga
koin-tertanam itu disederhanakan untuk simulasi efektif menggunakan asumsi
sebagai berikut:
Gambar 1 Proses pembuatan tembaga koin yang tertanam
di PCB.
1.
melalui lubang-lubang, microvias dan pola sirkuit bisa
diabaikan;
2.
resistansi kontak termal antara chip IC dan PCB bisa diabaikan;
3.
setiap lapisan PCB bisa
berhubungan erat; dan
4.
chip IC dapat dianggap sebagai sumber panas yang stabil dengan
distribusi temperatur seragam karena ketebalan yang sangat tipis chip IC
dibandingkan dengan PCB.Proses pemanasan dari PCB tradisional tanpa uang
tembaga juga disimulasikan untuk perbandingan.
3. Hasil dan diskusi
3.1
Manufaktur optimalisasi
tembaga koin-tertanam PCB.
Desain dan kekasaran permukaan dari koin tembaga memiliki peran
yang signifikan dalam stabilitas ikatan koin tembaga ketika tertanam di
PCB.seperti yang ditampilkan di Gambar 2, koin tembaga dirancang sebagai bentuk
tangga dengan benjolan di tengah, sehingga benjolan untuk itu dapat mudah
menyerap panas dari chip IC bisa menghasilkan struktur lalu melemparkan ke jendela
atau dialihkan, sementara pembangunan planar dari koin tembaga dapat
meningkatkan bidang kontak yang efektif dengan prepreg, sehingga menyebabkan
peningkatan kekuatan ikatan dengan laminasi PCB setelah prepreg sempurna. Namun,
seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3a, struktur mikro dari tembaga padat
itu masih belum cukup kasar, sehingga kekuatan ikatan antara resin tembaga dan
epoxy dari prepreg bisa melemah. Koin tembaga harus diperlakukan dengan hidup
seadanya permukaan untuk meningkatkan kekuatan ikatan sebelum proses
penempelan. Gambar 3b menunjukkan bahwa topografi kasar muncul di permukaan
koin tembaga setelah pengobatan coklat-oksida, yang berasal dari efek sinergis
dari microetching super fi tembaga resmi dan generasi lapisan organo-matallic
kompleks (Bellakhal et al., 2000 ).
Gambar 2 : Desain koin tembaga
untuk penempelan laminasi PCB.
Gambar 3 : (a) Morfologi permukaan
koin tembaga sebelum pengobatan coklat-oksida; (B) dan setelah pengobatan
coklat-oksida
Selama panas menekan untuk laminasi sistem PCB, resin epoksi
prepreg bisa dikeluarkan dari celah antara koin tembaga dan jendela routing,
sehingga menghasilkan resin fl ush di permukaan foil tembaga, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 4a. Setelah itu, celah antara koin tembaga dan laminasi
PCB terkena membiarkan resin fl ush keluar selama panas menekan untuk
menyembuhkan prepreg. Setelah pengupasan solder menolak tinta dengan larutan
NaOH pada suhu 80 ° C selama 40 menit, setelah penyemprotan juga bisa dilakukan
untuk mengungkapkan permukaan tembaga yang bersih, seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 4b. piring tembaga tipis dengan ukuran lebih kecil dari koin
tembaga yang digunakan untuk menutupi permukaan koin tembaga untuk distribusi
panas yang stabil dan untuk pencegahan pergerakan vertikal koin tembaga selama
laminasi. Dengan
cara ini, perbedaan ketinggian antara koin tembaga dan sistem PCB adalah 10,7 m
di lapisan atas dan 8.1 m di lapisan bawah, seperti yang ditunjukkan pada Tabel
I. perbedaan ketinggian kecil seperti menunjukkan bahwa PCB tembaga
koin-tertanam dipamerkan baik antara koin tembaga dan sistem PCB. Mekanika
nikel / pencelupan deposisi emas dan solder menolak tinta cetak yang kemudian
preformed untuk memberikan selesai tembaga koin tertanam PCB. Ditemukan, pada
Gambar 5, bahwa produk PCB dipamerkan kualitas penempelan baik dari koin
tembaga, dengan manufaktur dioptimalkan, desain dan pra-pengobatan koin tembaga,
resin penyemprot penghapus dan kontrol kerataan antara koin tembaga dan sistem
PCB.
Gambar 4 : (a) PCB dengan resin
siram; (B) dan tanpa resin fl ush setelah hot-press laminasi
Gambar 5 : Sistem PCB dengan koin
tembaga yang tertanam
3.2 simulasi pembuangan Panas
dari tembaga koin-tertanam PCB
pada gambar 6 menampilkan struktur tiga dimensi dan distribusi
temperatur dari tembaga koin tertanam PCB, dibandingkan dengan kasus untuk PCB
tradisional. Ditemukan bahwa PCB tradisional dan PCB tembaga koin-tertanam baik
dipamerkan kecenderungan yang sama dari suhu: suhu kerja menurun dari chip IC
ke tepi PCB. Namun, kehadiran koin tembaga konduktif termal yang tinggi dapat
mengakibatkan disipasi panas lebih cepat sekitar chip IC yang sesuai. Suhu
kerja maksimal dari PCB dengan koin tembaga tertanam mencapai 54,2 ° C (Gambar
6b), 3,2 ° C lebih rendah dari PCB tradisional (Gambar 6a). variasi suhu
transien juga disimulasikan untuk menyelidiki difusi termal dari PCB. Kecenderungan
suhu chip IC dengan 1,3 W tercatat sebagai fungsi waktu. Seperti yang
digambarkan dalam kurva dari Gambar 7, PCB tradisional memiliki peningkatan
yang signifikan dalam suhu 0-80 s, namun peningkatan tingkat melambat setelah
80 s. Namun, suhu untuk chip IC yang sama dalam PCB tembaga koin-tertanam
mencapai stabilitas di 50-an, seperti yang ditunjukkan pada kurva keduanya
Gambar 7.Suhu maksimum chip IC yang sama dalam PCB tradisional dan tembaga
koin-tertanam PCB baik menurun sebagai peningkatan dari koefisien, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 6 (A) simulasi Panas PCB
tradisional; (B) dan PCB tembaga koin-tertanam
Gambar 7 variasi suhu dengan simulasi termal transien PCB
tradisional (I)dan tembaga koin-tertanam PCB (II), sebagai fungsi dari tim.
Gambar 8 variasi suhu PCB tradisional (I) dan tembaga
koin tertanam PCB (II) sebagai fungsi dari konveksi koefisien
3.3 Reliable characterization
of copper coin-embedded PCB
Menurut mikrograf penampang pada Gambar 9, masalah popcorn rupanya
tidak ditemukan dalam tembaga koin-tertanam sistem PCB setelah bebas timah
pengujian solder. Di sisi lain, kekuatan ikatan dari prepreg disembuhkan antara
lapisan itu masih cukup untuk mempertahankan struktur stabil dari tembaga koin
tertanam PCB tinggi. Didorongnya aplikasi pada permukaan benjolan dari koin
tembaga untuk mengkarakterisasi kekuatan ikatan koin tembaga dengan epoxy dari
prepreg. dorong diterapkan meningkat secara bertahap memecahkan koin tembaga
dari sistem PCB seperti yang ditunjukan pada gambar 10.
Gambar 9 Penampang mikrograf
tembaga koin-tertanam PCB setelah bebas timah alur ulang penyolderan
Gambar 10 Tes gaya dorong untuk
menghancurkan koin tembaga dari sistem PCB.
4.
Kesimpulan
Pembuatan PCB tembaga
koin-tertanam dioptimalkan untuk mencegah terjadinya resin menyiram dan untuk
melakukan kontrol kerataan antara koin tembaga dan sistem PCB. PCB koin tembaga
tertanam dipamerkan struktur handal mampu menahan suhu tinggi alur ulang solder
dan pengujian dorong tinggi.
