高功率密度電源PCB的設(shè)計(jì)突破與工藝保障
隨著新能源快充、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等領(lǐng)域的快速發(fā)展,電源系統(tǒng)對(duì) “高功率密度” 的需求日益迫切 —— 新能源充電樁功率從 60kW 躍升至 240kW,服務(wù)器電源功率密度突破 1000W/L,這意味著電源 PCB 需在更小的空間內(nèi)承載更大電流(單路電流可達(dá) 50A 以上),同時(shí)解決熱量堆積、線路載流能力不足等核心問題。若電源 PCB 設(shè)計(jì)或工藝不達(dá)標(biāo),輕則因線路發(fā)熱導(dǎo)致電源效率下降(每升高 10℃效率下降 2%-3%),重則引發(fā)線路燒毀、基材碳化等安全事故,因此高功率密度電源 PCB 的技術(shù)突破,已成為電源行業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高功率密度電源 PCB 的首要技術(shù)難點(diǎn)在于厚銅加工與均勻性控制。大電流傳輸需要 PCB 具備足夠的載流能力,根據(jù) IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn),1oz 銅箔(35μm)在 25℃環(huán)境下的載流能力約 3A,而 240kW 快充電源的單路電流需 20A 以上,這就要求 PCB 銅箔厚度提升至 2-6oz(70-210μm)。但厚銅加工易出現(xiàn)兩大問題:一是銅厚均勻性差,局部區(qū)域銅厚偏差超過 ±15%,導(dǎo)致電流分布不均,厚銅區(qū)域散熱慢、薄銅區(qū)域易過載;二是厚銅線路的蝕刻精度低,線寬偏差超過 ±0.1mm,可能引發(fā)線路間距不足、短路風(fēng)險(xiǎn)。某充電樁企業(yè)研發(fā) 240kW 快充模塊時(shí),初期采用 2oz 銅箔 PCB,測(cè)試發(fā)現(xiàn)銅厚偏差達(dá) ±20%,導(dǎo)致局部線路溫度升至 120℃,遠(yuǎn)超基材耐受上限;通過優(yōu)化電鍍工藝(采用脈沖電鍍技術(shù),電流密度控制在 1.5-2A/dm2),將銅厚均勻性提升至 ±5%,線路溫度才穩(wěn)定在 80℃以下。
散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高功率密度電源 PCB 的另一核心挑戰(zhàn)。功率密度提升意味著單位面積發(fā)熱量增加,若熱量無法及時(shí)導(dǎo)出,會(huì)加速 PCB 老化與器件失效。傳統(tǒng)散熱方式如加裝散熱片,會(huì)增加電源體積,與 “高功率密度” 的小型化需求相悖,因此需將散熱設(shè)計(jì)融入 PCB 本身:一是采用 “埋置電阻 / 電容” 工藝,減少表面器件占用空間的同時(shí),讓熱量直接通過 PCB 內(nèi)層銅箔傳導(dǎo);二是設(shè)計(jì) “散熱盲孔陣列”,在發(fā)熱器件(如 MOS 管、電感)下方布置密集盲孔(孔徑 0.2-0.3mm,孔間距 0.5mm),將熱量從表層傳導(dǎo)至內(nèi)層散熱銅箔;三是選用高導(dǎo)熱基材,如鋁基覆銅板(導(dǎo)熱系數(shù) 1-2W/m?K)或陶瓷基覆銅板(導(dǎo)熱系數(shù) 10-20W/m?K),相比傳統(tǒng) FR-4 基材(0.2-0.3W/m?K),導(dǎo)熱效率提升 5-10 倍。某服務(wù)器電源廠商采用陶瓷基覆銅板 PCB 后,電源模塊的散熱效率提升 40%,在 1000W/L 功率密度下,核心區(qū)域溫度仍控制在 90℃以內(nèi),滿足長(zhǎng)期運(yùn)行需求。
過孔載流能力強(qiáng)化也不可忽視。高功率密度電源 PCB 的過孔需承載大電流,普通通孔若孔銅厚度不足(<20μm)或未做填充處理,易出現(xiàn)過孔發(fā)熱、銅層脫落問題。對(duì)此,需采用 “全銅填充過孔” 工藝:通過電鍍將過孔內(nèi)部完全填充銅,孔銅厚度提升至 30-50μm,同時(shí)保證過孔表面與 PCB 銅箔平齊,既增強(qiáng)載流能力(全銅填充過孔的載流能力是普通通孔的 3 倍以上),又避免表面凸起影響器件焊接。此外,過孔布局需遵循 “多過孔并聯(lián)” 原則,例如 20A 電流路徑上,需布置 3-4 個(gè) 0.4mm 內(nèi)徑的全銅填充過孔,分散電流壓力,降低單過孔負(fù)載。
高功率密度電源 PCB 對(duì)加工工藝的精度與穩(wěn)定性要求極高,需廠商具備成熟的厚銅加工、高導(dǎo)熱基材處理、全銅填充過孔等技術(shù)能力。捷配在高功率密度電源 PCB 領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn),可提供 2-6oz 厚銅加工服務(wù)(銅厚均勻性 ±5%),支持鋁基、陶瓷基等高導(dǎo)熱基材加工,全銅填充過孔孔銅厚度達(dá) 30-50μm,同時(shí)通過 LDI 曝光機(jī)確保厚銅線路蝕刻精度(線寬偏差 ±0.05mm),能完美適配快充、服務(wù)器等場(chǎng)景的高功率密度電源需求。

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