GUIDE DE DESIGN Version 1.4 Guide de design pour Solutions haute puissance avec WIRELAID
Solutions haute puissance avec WIRELAID Les bénéfices Face à la croissance des exigences techniques au niveau de l électronique de puissance et numérique dans toutes les technologies industrielles, les fabricants de circuits imprimés sont confrontés à un nouveau défi. Pour combiner à la fois puissance et signaux numériques, la technique Wirelaid se présente comme une solution idéale pour le management de puissance et surtout compétitive par rapport à des technologies privilégiant des cuivres épais ou des couches supplémentaires pour acheminer la puissance. La technologie Wirelaid consiste à utiliser des fils embarqués dans les circuits imprimés. C est ainsi que des pistes standards, qui permettent un flux de courant faible deviennent grâce à cette technologie des pistes de puissance. De plus, elle permet de combiner puissance et signaux numériques sur un même circuit imprimé. Possible avec certificat UL au code WE 1 (UL V-). Vos avantages R éduction du volume du système R emplacement de la technique du cuivre épais par l utilisation de fils A mélioration de la dissipation de la chaleur grâce aux sections de cuivre plus élevées S uppression des éléments de liaison R éduction du nombre de couches C ombinaison de la logique et de la performance sur un seul niveau R éduction des coûts du système B rasage facilité grâce à la masse thermique moins élevée comparativement à la technique du cuivre épais C ouches de cuivre plus minces possibles R éduction de l encombrement grâce au cuivre partiellement épais 2 www.we-online.com
Sommaire Types de fils..................................... 3 Nomenclature................................... 4 Sélection des variantes......................... 4 Processus de fabrication....................... Règles de conception........................... 6 Règles de conception 3D....................... 7 Charge limite d intensité....................... 8 Dissipation thermique.......................... 9 Comparaison des coûts....................... Powerelements (plots de puissance)......... 12 Types de fils F 14 Aire de la section 1.4 x.3 mm2 Ø.49 mm2! Des fils de,1 mm d épaisseur, disponibles dans différentes largeurs, sont disponibles pour la combinai-son avec la technologie Semiflex. 3
Nomenclature Couche extérieure Couche intérieure ML6 Wire@1@6 ML6 Wire@2@ L exemple montre un multilayer à 6 couches et des fils sous les couches 1 et 6. L exemple montre un multilayer à 6 couches et des fils sous les couches 2 et. Il est nécessaire de considérer les points suivants lors du choix des variantes WIRELAID : Les circuits logiques plus complexes utilisent des composants SMD, comme des contrôleurs et des mémoires avec des grilles de raccordement fines. Des fils WIRELAID sont placés sur les couches in-ternes afin que les couches d assemblage puissent accueillir librement les structures de conducteurs très fins. Les exigences relatives à la CEM et à plusieurs tensions d alimentation au niveau des couches in-ternes peuvent désormais être satisfaites grâce à des noyaux standards et de plus faibles épaisseurs de cuivre. Comparé au multilayer standard, le nombre de couches est généralement le même (voir empilage ML6 Wire@2@). Si la dissipation de la chaleur par contact direct avec le boîtier joue un rôle ou si des semi-conducteurs de puissance (p. ex. : IGBT ou D²PAK) sont montés directement sur la couche extérieure, cette dernière fait office de couche WIRELAID à fils soudés. Voir assemblage ML6 Wire@1@6. Ceci doit également être visé pour des circuits logiques simplifiés. Ceci permet d économiser, en outre, de nombreuses con-nexions transversales et donc de réduire les coûts s il est possible de monter les composants de puis-sance directement sur le substrat des fils WIRELAID. Il est possible de réduire le nombre de couches dans le cas de circuits simples. Couche extérieure? Couche intérieure? 4 www.we-online.de
De production Le procédé de montage Wirelaid, commence par une soudure par résistance des fils au dos de la feuille de cuivre. Après avoir effectué la première soudure du fil, celui-ci sera tiré jusqu au point final et ensuite découpé. La terminaison du fil sera aussi soudée par résistance sur la feuille de cuivre. Une fois équipée des fils, elle constituera la couche externe du circuit imprimé en orientant les fils vers les couches internes et en passant au procédé de stratification. À cet effet, les fils Wirelaid sont entièrement intégrés. Ensuite, un procédé standard de gravure permettra d obtenir les structures des pistes. Routage et documentation Afin de faciliter l implantation de la technologie Wirelaid dans l empilage du circuit imprimé, une couche additionnelle Wirelaid bottom est utilisée en incluant les fils et leurs sections dans un format Gerber. Les fils se présentent avec une terminaison arrondie et sont larges de 1,4 mm. Sur la couche bottom, un pad doit être centré sur le point de soudure. Dans le design, le fil doit être recouvert par un conducteur en cuivre. top wirelaid_bottom (couche additionnelle) bottom, mm : longueur maximale de terminaison du fil / dû au processus de coupe 1.4 mm 1.4 mm Centre du point de soudure Fil plat dans le design piste conductrice définie avec une terminaison arrondie R:,7 mm Fil plat dans le produit Diamètre du point de soudure : 1, mm Centre du point de soudure
Règles de routage Les dimensions (minimales) F 14 Taille pastille 3. x 3. mm² Largeur de la piste au dessus du fil 1.9 mm A1 Distance entre-axe pour différentes potentiels 1.9 mm + distance d isolation* A2 L1 x B1 LB Distance entre-axe pour le même potentiel 1.8 mm Smax Distance maximale entre deux points de soudure mm Smin Distance minimale entre deux points de soudure 7. mm 3 x 14 µm2 Fil plat dans le produit Centre du point de soudure, mm : longueur maximale de terminaison du fil / dû au processus de coupe Pad sur bottom Piste sur bottom *Dépendant de l épaisseur de cuivre sur la couche selon l actuel guide des règles de routage. www.we-online.com Différentes potentiels Même potentiel L1 LB A2 A1 B1 Smax Smin Construction avec tracé de fil coudé 13, 67, m, m R: 2 13, 67, m, m R: 2 Distance d isolement entre le fil et la couche interne La distance d isolation resulte de l empilage specifique des couches. Sur demande de votre part, nous pouvons creer cet empilage. 6 www.we-online.com
Guide des règles de design 3D Les dimensions (minimales) C Distance entre cuivre et le chemin de fraisage.3 mm F Largeur du chemin de fraisage F =.4 x (épaisseur du circuit imprimé R) + 2 µm K Dégagement du vernis épargne au niveau du coude 1. mm R Epaisseur du matériel restant Fil + cuivre + épaisseur vernis épargne + 1 µm Les fils doivent être rangés orthogonalement sur la plage de transition une courbure homogène, il est impératif de trouver un appareil de courbure approprié Rayon de courbure possible.1 mm Il faut vérifier que les pièces courbées et incorporées soient fixées Pour K R F C! Important pour la configuration : Les fils Wirelaid ne doivent pas être percés. 7
Charge limite d intensité. Les graphiques suivants indiquent les mesures réelles effectuées en laboratoire avec courant continu. Elles font office de référence pour une première interprétation sans prendre en compte la dissipation d énergie des éléments de construction, les influences du layout et les conditions extérieures telles que l orientation et les influences du boîtier. Il est possible de procéder comme suit lorsque plus de quatre fils F14 : 12 A pour ΔT par fil = 2 K Fils sous la couche externe Fils sous la couche interne Feuille de cuivre de 3 µm + conception galvanique Feuille de cuivre de 3 µm 2 1 9 1 9 8 7 7 1 Dissipation thermique [K] Dissipation thermique [K] 8 2 6 4 3 1xF14 Cu 3 µm sous TOP 1 2 4 3 1xF14 Cu 3 µm sous L2 2xF14 Cu 3 µm sous L2 2 3xF14 Cu 3 µm sous TOP 2xF14 Cu 3 µm sous TOP 2 6 2 3 4 6 7 8 9 courant [A] Feuille de cuivre de 7 µm + conception galvanique 3xF14 Cu 3 µm sous L2 4xF14 Cu 3 µm sous TOP 4xF14 Cu 3 µm sous L2 2 3 4 6 7 8 9 courant [A] Feuille de cuivre de 7 µm 1 9 9 8 8 7 2 1 2 Dissipation thermique [K] Dissipation thermique [K] 3 6 4 3 1xF14 Cu 7 µm sous TOP 2xF14 Cu 7 µm sous TOP 2 2 3 4 6 7 8 9 courant 4 3 1xF14 Cu 7 µm sous L2 2xF14 Cu 7 µm sous L2 4xF14 Cu 7 µm sous L2 2 3 4 3 1xF14 Cu µm sous TOP 4 6 7 8 9 courant [A] 2 www.we-online.com 3 4 6 7 8 9 courant 2 3 6 4 3 2xF14 Cu µm sous L2 3xF14 Cu µm sous L2 4xF14 Cu µm sous TOP 2 3xF14 Cu µm sous TOP 7 1xF14 Cu µm sous L2 2xF14 Cu µm sous TOP 2 8 Dissipation thermique [K] Dissipation thermique [K] 3 6 2 1 8 2 9 7 2 Feuille de cuivre de µm 1 8 1 [A] 2 9 3xF14 Cu 7 µm sous L2 Feuille de cuivre de µm + conception galvanique 6 4xF14 Cu 7 µm sous TOP 2 3xF14 Cu 7 µm sous TOP 7 4xF14 Cu µm sous L2 [A] 2 3 4 6 7 8 9 courant [A]
Méthode pour établir le tableau d intensité du courant Essai de construction Les circuits imprimés ont été mesurés dans une enceinte isolée thermiquement avec une température ambiante constante de 22 C. L alimentation en courant est faite par l intermédiaire des pastilles de soudure. Le Ci est alimenté pendant minutes par une intensité de courant bien dé-finie, ce qui permet d atteindre une température stable sur la surface des pistes afin de prendre une photo infrarouge pour mesurer cette T. Ce cycle est répété pour d autres intensités de courant. Standard FR4 Epaisseur du circuit imprimé : 2.2-2. mm Contour : 11 x 8 mm² Répartition homogène du cuivre sur les couches de 4 % Pour la série d essais, les variantes de montage représentées au dessous. Fils sur les couches externes Fils sur les couches internes Cu Top Cu Top Cu Layer 2 Cu Layer 2 Prepreg Prepreg Cu Layer 3 Cu Layer 3 Cu Bottom Cu Bottom Dissipation thermique Une évacuation passive de la chaleur rallonge la longévité des semi-conducteurs de puissance. Avec Wirelaid Ceci est obtenu grâce à une forte augmentation de la dispersion de chaleur sous les éléments de construction, comme par le biais des fils soudés sur les structures TO2xy ou D2PAK. Cela convient parfaitement aux éléments de construction SMT. Voici le résultat d un essai pratique : Les fils permettant la dissipation de chaleur des composants sont reconnus au bout de s. Échauffement de la puce de Tu = 2 C à Tmax pour une dissipation thermique nominale (16, W / cm²) : point du soudure fil F14 Dissipation de la chaleur d une matrice par le biais d un fil Wirelaid commun dont les points de soudure se situent sous les éléments de construction. Tmax de gauche = C sans fils, Tmax de droite = 38 C avec fils. La situation du hot spot est considérablement améliorée : Selon la loi d Arrhenius, une température inférieure de 17 K signifie un allongement de la longévité de facteur 4! 9
Comparaison des coûts Afin de pouvoir décider si la technique de cuivre épais «standard» ou celle de Wirelaid doit être appliquée à une production en série, il est nécessaire de procéder assez tôt à de minutieuses estimations ou comparaisons de coûts. Ci-dessous, une comparaison effectuée avec une construction régulièrement utilisée, mais avec des techniques partielles de haute intensité différentes pour une charge de conductivité électrique identique. 6 couches : interne 2 µm / externe 7 µm WIRELAID Standard ML6 Base WIRELAID ML6 Wire@2@ WIRELAID ML6 Wire@1@6 WIRELAID ML4 Wire@2@3 3 μm 3 μm 7 μm 3 μm 7 μm μm 2 μm 7 μm,2 mm,2 mm 2 μm 7 μm 7 μm,2 mm 7 μm 7 μm 2 μm,2 mm μm,2 mm 7 μm 2 μm 7 μm 3 μm 7 μm 3 μm 3 μm Nombre de fils par panneau de production jusqu à l égalisation des coûts 1.272 1.34 Reduction de deux couches 1.44 Quelle que soit la variante employée, les avantages de prix pour les solutions partielles de haute intensité comportant la technique Wirelaid sont indéniables. Ceux-ci s expliquent par l économie de 2 μm de cuivre sur la couche interne tout comme par la forte réduction de coûts de matériel et de gravure. L avantage est uniquement réel à partir de l utilisation respective de 1272, 134 et 144 fils Wirelaid par panneau, mais l utilisation de la technique standard ne vaut toujours la peine car les avantages Wirelaid se font également ressentir pour le soudage et le poids. Pour la première variante Wirelaid (2e graphique à partir de la gauche) avec des fils sur la couche interne, un autre empilage multicouche est nécessaire. L avantage en terme de coût comparé à la composition en cuivre épais est pour cette raison plus faible. La construction offre cependant des avantages indéniables pour les layouts logiques sur la couche externe, car les fils Wirelaid sont disposés à l intérieur et la couche externe peut encore être recouverte d une fine feuille de cuivre de 3 μm ou même de 18 μm. Les conducteurs ultra-fins sur la couche externe peuvent ainsi être utilisés sans problèmes. D autres comparaisons de coûts sont disponibles sur demande.! Lors de la suite de la fabrication du circuit imprimé, WIRELAID simplifie fondamentalement le processus de perçage et réduit ainsi les coûts car l épaisseur de perçage du cuivre est divisée par deux au minimum! www.we-online.com «En plus des qualités technologiques, nous voulons également convaincre nos clients des avantages de coûts réalisables» Andreas Schilpp, responsable solutions haute puissance
Comparaison des coûts au niveau du système Dans le cas de systèmes complexes, les économies les plus importantes sont réalisées au niveau du système. Il est possible d intégrer des modules logiques en combinant courant fort et logique sur le même circuit imprimé. On peut ainsi optimiser le système complet grâce à un circuit imprimé WIRELAID plus simple. Ceci est illustré dans l exemple suivant : Situation initiale : Un circuit multilayer à six couches de cuivre de chacune µm prend en charge les forts appels de courant. La logique est réalisée sur un module à carte mère et est reliée au circuit imprimé principal par un connecteur enfichable. Nouvelle solution avec WIRELAID : Les structures de conducteurs très fins sur la couche de garnissage permettent d intégrer entièrement le module logique. Aucune technique de raccordement n est nécessaire ; tous les autres coûts du système relatifs au module et sa «liaison» n ont plus lieu d être. Le système simplifié permet les économies suivantes (exemple de calcul) : Solution précédente Nouvelle solution Circuit imprimé ML6 µm, module logique et technique de raccordement Circuit imprimé WIRELAID ML6 wire@1,9 Système Circuit imprimé principal 6, Module logique 1, Éléments d assemblage 2, Coûts d installation garnissage 1. Pochoirs 4 2 Test AOI 2 12 Frais de test 2 Frais de préparation par commande 4 2 3x 1x Stockage et logistique Dans cet exemple, les coûts peuvent être pratiquement divisés par deux. Le très grand potentiel d économies relatif aux frais d assemblage qui, dans l absolu, jouent un rôle crucial, et particulièrement dans le cas de petites séries, est impressionnant. D autres avantages spécifiques au système découlent de la quantité réduite de cuivre employé = réduction de la capacité thermique : Forte simplification du processus de soudage, économie des coûts de processus des procédés de soudage spéciaux, rendement plus important Les brasages manuel et sélectif sont maintenant possibles, même pour la réparation Réduction sensible du poids 11
Powerelements (plots de puissance) Les Powerelements sont adaptés au raccordement des circuits imprimés Wirelaid. Ils peuvent être garnis de façon entièrement automatisée en technologie SMD, utilisables jusqu à A et fournissent des forces de retenue et des couples élevés. En technologie Press Fit, ils sont également disponibles pour des intensités allant jusqu à 3 A et jusqu à des filetages de raccordement M. Les spécifications suivantes s appliquent à la technologie Press Fit : Spécification des alésages pour les surfaces chimiques des alésages pour les surfaces chimiques ø 1,6 -,3 min. 2 μm Cu max. 6 μm! 12 min. ø, 1,6 -,3 min., min. 2 μm Cu max. 6 μm D autres informations sur les applications à courant fort associées à la logique sont disponibles ici : www.we-online.de/power www.we-online.com Spécification des alésages pour HALSpécification des alésages pour HAL ø 1,6 -,3 max. 1 μm Sn min. 2 μm Cu max. 6 μm 1,6 -,3 min. ø, max. 1 μm Sn min. 2 μm Cu max. 6 μm Würth Elektronik France Circuit Board Technology ZAC des Gaulnes 1861 avenue Henri Schneider 6933 Jonage France Tél.: +33 427 8612 cbt-france@we-online.de