In den heutigen Rechenzentren, neuen Energiefahrzeugen und Bereichen der Industrieautomation stehen Stromversorgungs- und Kühlsysteme vor beispiellosen Herausforderungen hinsichtlich Leistungsdichte und Wärmemanagement. Als Ingenieur, der sich auf EMI/EMV- und Sicherheitskonformität spezialisiert hat, verstehe ich, dass jede Designentscheidung die endgültige Zuverlässigkeit und den Marktzugang eines Produkts direkt beeinflusst. Unter diesen ist das Low-void BGA-Reflow nicht nur eine Fertigungstechnik, sondern ein Eckpfeiler zur Gewährleistung von Wärmemanagement, elektrischer Leistung und langfristiger Sicherheitskonformität in Hochleistungsgeräten. Ein scheinbar geringer Lötstellenhohlraum kann zum Auslöser für thermisches Versagen, EMI-Überschreitung oder sogar Sicherheitsvorfälle in einem gesamten System werden. Dieser Artikel wird untersuchen, wie diese ernsten Herausforderungen durch exzellentes PCB-Design und Fertigungsprozesse angegangen werden können, aus den Perspektiven von Sicherheitsabständen, Entladungspfaden und Filternetzwerken.

Low-void BGA-Reflow: Warum ist es der Eckpfeiler für Sicherheit und EMV in Stromversorgungs- und Kühlsystemen?

In Stromversorgungs- und Kühlsystemen sind Hochleistungs-BGA-Bauteile (Ball Grid Array) wie FPGAs, ASICs und Leistungsmanagement-ICs der Kern des Kerns. Sie erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme, die effizient über die Lötperlen an der Unterseite des BGA, insbesondere das zentrale Wärmeleitpad, zur Leiterplatte abgeführt werden muss. Das Ziel des Low-void BGA-Reflow ist es, den Anteil von Blasen oder Hohlräumen innerhalb der Lötstellen zu minimieren. Aus der Perspektive von EMI/EMV und Sicherheit sind die Gefahren von Hohlräumen vielfältig:

1. Hotspot-Bildung und Sicherheitsrisiken: Hohlräume erhöhen den Wärmewiderstand erheblich und behindern die Wärmeableitung vom Chip zur Leiterplatte. Dies führt zu starken lokalen Temperaturanstiegen, wodurch Hotspots entstehen. Längere Überhitzung beschleunigt nicht nur die Alterung des Chips und verringert die Zuverlässigkeit, sondern kann auch zu thermischer Zersetzung des Materials führen, was schwerwiegende Sicherheitsvorfälle wie Rauch oder Brand verursachen kann.
2. Verschlechterung der elektrischen Leistung und EMI: Bei Hochfrequenz- oder Hochstromanwendungen verändern Lötstellenhohlräume die Strompfade, erhöhen die lokale Stromdichte und die parasitäre Induktivität. Dies beeinträchtigt nicht nur die Signalintegrität, sondern schafft auch potenzielle EMI-Strahlungsquellen. Insbesondere in Strompfaden führen instabile Verbindungen zu Rauschen, das empfindliche Schaltungen stört.
3. Mechanische Spannungskonzentration: Hohlräume schwächen die mechanische Festigkeit von Lötstellen, wodurch diese unter Vibration oder thermischer Zyklisierung anfällig für Rissbildung werden, was zu intermittierenden oder dauerhaften elektrischen Ausfällen führt.

Daher ist das Erreichen niedriger Hohlraumraten während des gesamten SMT-Bestückungsprozesses eine Voraussetzung für die effektive Umsetzung aller nachfolgenden Sicherheits- und EMV-Designs. Eine zuverlässige Lötqualität ist die physische Garantie dafür, dass sich alle Designbemühungen letztendlich auszahlen.

Luft- und Kriechstrecken: Die Sicherheitslinie in Umgebungen mit hoher Leistungsdichte

Mit der Anwendung von hochdichten Gehäusen wie BGAs werden Bauteilanordnungen auf PCBs zunehmend kompakter, was erhebliche Herausforderungen bei der Einhaltung der Kriech- und Luftstreckenanforderungen gemäß Sicherheitsstandards mit sich bringt.

• Luftstrecke: Der kürzeste geradlinige Abstand zwischen zwei leitfähigen Teilen in der Luft. Sie verhindert hauptsächlich Überschläge, die durch Luftdurchschlag verursacht werden. Beim Entwurf von Hochspannungseingängen oder isolierten Netzteilen ist die strikte Einhaltung von Sicherheitsstandards wie IEC 62368-1 unerlässlich, basierend auf Betriebsspannung, Verschmutzungsgrad und Materialgruppe.
• Kriechstrecke: Der kürzeste Abstand zwischen zwei leitfähigen Teilen entlang der Oberfläche eines Isoliermaterials. Sie verhindert Kriechwegbildung, die durch Oberflächenverunreinigungen und Feuchtigkeit verursacht wird.

Bei Designs mit Hochleistungs-BGAs auf Dickkupfer-Leiterplatten sind die Herausforderungen besonders ausgeprägt. Die dichten Vias und Leiterbahnen unter BGAs sowie die Trennung von Leistungs- und Signalebenen machen es äußerst schwierig, einen ausreichenden Abstand zwischen Hochspannungs- und Kleinspannungs-Sicherheitsbereichen (SELV) einzuhalten. Unsere Designstrategien umfassen:

1. Rationale Partitionierung: Legen Sie während des anfänglichen PCB-Layouts Hochspannungs-Gefahrenzonen und Kleinspannungs-Sicherheitszonen klar fest und schaffen Sie physische Trennzonen zwischen ihnen, z. B. durch Schlitze oder die Verwendung von Isolierbarrieren.
2. Routenoptimierung: In Hochspannungsbereichen sollten Leiterbahnen so glatt wie möglich sein, um scharfe Ecken zu vermeiden und die Konzentration des elektrischen Feldes zu reduzieren.
3. Komponentenauswahl: Wählen Sie Steckverbinder und Komponenten mit größeren Gehäusegrößen und breiteren Pin-Abständen, um ausreichend Spielraum für die Kriechstreckenanforderungen zu bieten.
4. Beschichtungsschutz: Das Auftragen einer Schutzlackierung (konforme Beschichtung) auf das Endprodukt kann die Isolationsleistung und die Verschmutzungsbeständigkeit erheblich verbessern, wodurch eine gewisse Reduzierung der Kriechstreckenanforderungen ermöglicht wird.

Während der NPI EVT/DVT/PVT (Produkteinführung Engineering/Design/Produktionsvalidierungstests)-Phasen überprüfen und testen wir diese Sicherheitsabstände wiederholt, um sicherzustellen, dass das Design die gesetzlichen Anforderungen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erfüllt.

Entladungspfad und Y-Kondensator-Layout: Sicherheit und EMV in Einklang bringen

Beim Design von Schaltnetzteilen ist der Y-Kondensator (Y-Kondensator) eine kritische Komponente, die zwischen den Massen der Primärseite (Hochspannungsseite) und der Sekundärseite (Sicherheits-Niederspannungsseite) angeschlossen ist. Er bietet einen niederohmigen Rückweg für Gleichtaktstörungen und ist ein wirksames Mittel zur Unterdrückung von leitungsgebundenen EMV-Störungen. Der Y-Kondensator birgt jedoch auch ein Sicherheitsrisiko: Er erzeugt einen Leckstrompfad (Ableitstrom) zwischen den AC-Eingangsleitungen und dem Schutzleiter (PE).

Kompromiss zwischen Sicherheit und EMV:

• EMV-Anforderungen: Um hochfrequente Gleichtaktstörungen besser zu filtern, ist es wünschenswert, den Kapazitätswert des Y-Kondensators zu maximieren und ihn so nah wie möglich an der Störquelle (z. B. Transformator oder Leistungsschalter) zu platzieren.
• Grenzwerte für Sicherheitsvorschriften: Medizinische Geräte, Unterhaltungselektronik und andere Produkte unterliegen extrem strengen Beschränkungen für den Leckstrom (typischerweise unter einigen hundert Mikroampere oder sogar zehn Mikroampere), was erfordert, dass der Kapazitätswert von Y-Kondensatoren nicht übermäßig groß ist.

Designstrategien:

1. Sorgfältige Auswahl von Y-Kondensatoren: Es ist unerlässlich, Kondensatoren zu verwenden, die nach Sicherheitsstandards (wie Y1-, Y2-Klassifizierungen) zertifiziert sind und im Fehlerfall in einem offenen Zustand versagen, um Stromschlaggefahren zu vermeiden.
2. Optimiertes Layout: Platzieren Sie Y-Kondensatoren an den nächstgelegenen Punkten zwischen der Primärseitenmasse und der Sekundärseitenmasse, mit kurzen und dicken Pfaden, um ihre Hochfrequenz-Filterwirksamkeit zu maximieren. Bei Mehrlagen-Leiterplatten kann der Zwischenlagen-Kapazitätseffekt benachbarter Ebenen genutzt werden, um die Hochfrequenz-Bypass-Funktion zu unterstützen.
3. Entladewiderstand: Für X-Kondensatoren, die zwischen der stromführenden (L) und der neutralen (N) Leitung angeschlossen sind, muss ein Entladewiderstand parallel geschaltet werden. Wenn das Gerät ausgeschaltet ist, kann dieser Widerstand die Restspannung am Kondensator innerhalb einer Sekunde auf ein sicheres Niveau entladen, wodurch ein Stromschlag verhindert wird, wenn Benutzer den Stecker berühren.

Bei HILPCB konzentrieren wir uns nicht nur auf die Leiterplattenfertigung, sondern bieten auch professionelle DFM (Design for Manufacturability) und DFA (Design for Assembly) Beratung während der Designphase. Dies stellt sicher, dass das Layout kritischer Sicherheitskomponenten wie Y-Kondensatoren sowohl die EMV-Leistung als auch globale Sicherheitsstandards erfüllt.

Gleichtakt-/Gegentakt-Rauschunterdrückung: Von Filternetzwerken zu Erdungsstrategien

Schaltgeräte (z.B. MOSFETs) in Stromversorgungssystemen sind die primären Rauschquellen, die sowohl Gleichtakt- (CM) als auch Gegentakt- (DM) Rauschen erzeugen. Eine effektive EMI-Filterung und Erdungskonstruktion sind entscheidend für die Kontrolle dieser Rauschen.

• Differenzialmodusrauschen: Fließt zwischen der Signalleitung und ihrem Rückweg und kann durch Reihenschaltung einer DM-Induktivität oder Parallelschaltung eines X-Kondensators entlang des Pfades unterdrückt werden.
• Gleichtaktrauschen: Fließt in die gleiche Richtung zwischen Signal-/Stromleitungen und Masse und wird hauptsächlich durch Gleichtaktdrosseln (CM Chokes) und Y-Kondensatoren unterdrückt.

Die Bedeutung der Erdungsstrategie: Ein klares, niederimpedantes Erdungssystem ist die Grundlage aller EMV-Kontrollmaßnahmen. Das Erdungsdesign wird besonders komplex, wenn es um Hochleistungs-BGA-Bauteile geht:

1. Mehrpunkt-Erdung vs. Einpunkt-Erdung: In Niederfrequenzschaltungen vermeidet die Einpunkt-Erdung Masseschleifenprobleme. In Mixed-Signal-Systemen mit Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen und Hochfrequenz-Schaltnetzteilen ist jedoch eine Mehrpunkt-Erdung oder Flächenerdung vorzuziehen, da sie den kürzesten Rückweg für Hochfrequenzströme bietet.
2. Masseaufteilung und -verbindung: Es ist oft notwendig, digitale, analoge und Leistungsmasse zu trennen, um Rauschkopplungen zu verhindern. Diese Massen werden letztendlich an einem gemeinsamen Massepunkt (typischerweise nahe dem Stromeingang) oder über „weiche“ Verbindungen wie Ferritperlen oder kleine Widerstände verbunden.
3. Masseführung unter BGA: Die Masseebene unter einem BGA muss vollständig und durchgängig sein. Eine strategische Platzierung von Massevias innerhalb des BGA-Ball-Arrays, die direkt mit der Masseebene verbunden sind, bietet niederinduktive Rückwege für Signale und Strom. Dies ist entscheidend für die Sicherstellung der Signalintegrität und die Kontrolle von EMI.

Bei komplexen SMT-Bestückungsprozessen ist die Sicherstellung, dass diese Massevias und Verbindungspunkte fehlerfrei gelötet werden, entscheidend für die Realisierung der Designabsicht. Dies unterstreicht einmal mehr die Bedeutung von Low-void BGA Reflow-Prozessen – eine solide Masseverbindung beginnt mit einer zuverlässigen Lötstelle.

Filterung und Abschirmung: Entwerfen Sie effiziente LC-Filter an kritischen Stellen (z. B. Stromeingang/-ausgang). Wenden Sie eine lokalisierte Abschirmung auf empfindliche Schaltungen oder starke Rauschquellen an.

Erdung ist fundamental: Die Etablierung einer einheitlichen, niederimpedanten "0V"-Referenzebene ist eine Voraussetzung für den Erfolg aller EMV-Kontrollmaßnahmen.