В современных центрах обработки данных, транспортных средствах на новых источниках энергии и в областях промышленной автоматизации системы электропитания и охлаждения сталкиваются с беспрецедентными вызовами в отношении плотности мощности и теплового управления. Как инженер, специализирующийся на ЭМП/ЭМС и соответствии требованиям безопасности, я понимаю, что каждое проектное решение напрямую влияет на конечную надежность и выход на рынок продукта. Среди них беспустотная пайка оплавлением BGA является не просто производственной технологией, а краеугольным камнем для обеспечения теплового управления, электрических характеристик и долгосрочного соответствия требованиям безопасности в мощных устройствах. Казалось бы, незначительная пустота в паяном соединении может стать причиной теплового отказа, превышения ЭМП или даже инцидентов безопасности во всей системе. В этой статье будет подробно рассмотрено, как решать эти серьезные проблемы с помощью превосходного дизайна печатных плат и производственных процессов, с точки зрения безопасных расстояний, путей разряда и фильтрующих сетей.

Беспустотная пайка оплавлением BGA: Почему это краеугольный камень безопасности и ЭМС в системах электропитания и охлаждения?

В системах электропитания и охлаждения мощные устройства BGA (Ball Grid Array), такие как FPGA, ASIC и ИС управления питанием, являются ядром системы. Они генерируют значительное тепло во время работы, которое должно эффективно отводиться к печатной плате через шарики припоя в нижней части BGA, особенно через центральную тепловую площадку. Целью беспустотной пайки оплавлением BGA является минимизация доли пузырьков или пустот внутри паяных соединений. С точки зрения ЭМП/ЭМС и безопасности, опасности пустот многогранны:

1. Образование горячих точек и риски безопасности: Пустоты значительно увеличивают тепловое сопротивление, препятствуя отводу тепла от чипа к печатной плате. Это приводит к резкому локальному повышению температуры, образуя горячие точки. Длительный перегрев не только ускоряет старение чипа и снижает надежность, но также может вызвать термическое разложение материала, приводя к серьезным инцидентам безопасности, таким как задымление или пожар.
2. Ухудшение электрических характеристик и ЭМП: В высокочастотных или сильноточных приложениях пустоты в паяных соединениях изменяют пути тока, увеличивая локальную плотность тока и паразитическую индуктивность. Это не только влияет на целостность сигнала, но и создает потенциальные источники ЭМП-излучения. Особенно в цепях питания нестабильные соединения вносят шум, мешая работе чувствительных схем.
3. Концентрация механических напряжений: Пустоты ослабляют механическую прочность паяных соединений, делая их склонными к растрескиванию при вибрации или термическом циклировании, что приводит к прерывистым или постоянным электрическим сбоям.

Таким образом, достижение низкого уровня пустот на протяжении всего процесса SMT-монтажа является необходимым условием для эффективной реализации всех последующих проектов по безопасности и ЭМС. Надежное качество пайки — это физическая гарантия того, что все проектные усилия в конечном итоге окупятся.

Зазоры и пути утечки: Линия безопасности в средах с высокой плотностью мощности

С применением корпусов высокой плотности, таких как BGA, компоновка компонентов на печатных платах становится все более компактной, что создает значительные трудности в соблюдении требований к путям утечки и воздушным зазорам, предписанных стандартами безопасности.

• Воздушный зазор (Clearance): Кратчайшее прямолинейное расстояние между двумя проводящими частями в воздухе. В основном предотвращает перекрытие, вызванное пробоем воздуха. При проектировании высоковольтных входов или изолированных источников питания крайне важно строго соблюдать стандарты безопасности, такие как IEC 62368-1, исходя из рабочего напряжения, степени загрязнения и группы материалов.
• Путь утечки (Creepage): Кратчайшее расстояние между двумя проводящими частями по поверхности изоляционного материала. Предотвращает явления трекинга, вызванные загрязнением поверхности и влагой.

В проектах, включающих мощные BGA на печатных платах с толстой медью, проблемы особенно выражены. Плотные переходные отверстия и трассы под BGA, а также разделение силовых и сигнальных слоев, делают чрезвычайно трудным поддержание достаточного расстояния между высоковольтными и низковольтными безопасными (SELV) областями. Наши стратегии проектирования включают:

1. Рациональное разделение: Во время первоначальной компоновки печатной платы четко разделите опасные высоковольтные зоны и низковольтные безопасные зоны и установите между ними физические зоны изоляции, такие как прорези или использование изоляционных барьеров.
2. Оптимизация трассировки: В высоковольтных областях трассы должны быть максимально гладкими, избегая острых углов для снижения концентрации электрического поля.
3. Выбор компонентов: Выбирайте разъемы и компоненты с большими размерами корпусов и более широким шагом выводов, чтобы обеспечить достаточный запас для требований к длине пути утечки.
4. Защитное покрытие: Нанесение Конформного покрытия (conformal coating) на конечный продукт может значительно улучшить изоляционные характеристики и устойчивость к загрязнению, тем самым позволяя некоторое снижение требований к длине пути утечки.

На протяжении фаз NPI EVT/DVT/PVT (Тестирование валидации инженерии/проектирования/производства при внедрении нового продукта) мы многократно пересматриваем и тестируем эти безопасные зазоры, чтобы убедиться, что конструкция соответствует нормативным требованиям в различных условиях окружающей среды.

Путь разряда и размещение Y-конденсаторов: Баланс безопасности и ЭМС

При проектировании импульсных источников питания Y-конденсатор (Y-конденсатор) является критически важным компонентом, подключенным между землями первичной стороны (стороны высокого напряжения) и вторичной стороны (стороны безопасного низкого напряжения). Он обеспечивает низкоимпедансный обратный путь для синфазных помех и является эффективным средством подавления кондуктивных помех ЭМС. Однако Y-конденсатор также создает проблему безопасности: он формирует путь тока утечки (Leakage Current) между входными линиями переменного тока и защитным заземлением (PE).

Компромисс между безопасностью и ЭМС:

• Требования ЭМС: Для лучшей фильтрации высокочастотных синфазных помех желательно максимально увеличить емкость Y-конденсатора и разместить его как можно ближе к источнику шума (например, трансформатору или силовому ключу).
• Ограничения правил безопасности: Медицинские устройства, бытовая электроника и другие продукты налагают чрезвычайно строгие ограничения на ток утечки (обычно ниже нескольких сотен микроампер или даже десятков микроампер), что требует, чтобы емкость Y-конденсаторов не была чрезмерно большой.

Стратегии проектирования:

1. Тщательный выбор Y-конденсаторов: Крайне важно использовать конденсаторы, сертифицированные по стандартам безопасности (таким как классы Y1, Y2), которые выходят из строя в состоянии разомкнутой цепи, чтобы избежать опасности поражения электрическим током.
2. Оптимизированная компоновка: Размещайте Y-конденсаторы в ближайших точках между заземлением первичной стороны и заземлением вторичной стороны, используя короткие и толстые дорожки для максимизации их эффективности фильтрации высоких частот. В многослойных печатных платах эффект межслойной емкости соседних плоскостей может быть использован для помощи в высокочастотном шунтировании.
3. Разрядный резистор: Для X-конденсаторов, подключенных между фазной (L) и нейтральной (N) линиями, необходимо параллельно подключить разрядный резистор. Когда устройство выключено, этот резистор может разрядить остаточное напряжение на конденсаторе до безопасного уровня в течение одной секунды, предотвращая поражение электрическим током при касании вилки пользователями.

В HILPCB мы не только сосредоточены на производстве печатных плат, но и предоставляем профессиональные консультации по DFM (Design for Manufacturability) и DFA (Design for Assembly) на этапе проектирования. Это гарантирует, что компоновка критически важных компонентов безопасности, таких как Y-конденсаторы, соответствует как характеристикам ЭМС, так и мировым стандартам безопасности.

Подавление синфазных/дифференциальных помех: от фильтрующих сетей до стратегий заземления

Коммутирующие устройства (например, MOSFET) в системах электропитания являются основными источниками шума, генерирующими как синфазные (CM), так и дифференциальные (DM) помехи. Эффективная фильтрация электромагнитных помех (EMI) и конструкция заземления являются ключом к контролю этих шумов.

• Дифференциальный шум: Протекает между сигнальной линией и ее обратным путем и может быть подавлен путем последовательного подключения DM-индуктора или параллельного подключения X-конденсатора вдоль пути.
• Синфазный шум: Протекает в одном направлении между сигнальными/силовыми линиями и землей, в основном подавляется с помощью синфазных дросселей (CM Chokes) и Y-конденсаторов.

Важность стратегии заземления: Четкая система заземления с низким импедансом является основой всех мер по контролю ЭМП. Проектирование заземления становится особенно сложным при работе с мощными BGA-устройствами:

1. Многоточечное заземление против одноточечного заземления: В низкочастотных цепях одноточечное заземление позволяет избежать проблем с земляными петлями. Однако в смешанных сигнальных системах с высокоскоростными цифровыми схемами и высокочастотными импульсными источниками питания предпочтительнее многоточечное заземление или заземление плоскостью, поскольку оно обеспечивает кратчайший обратный путь для высокочастотных токов.
2. Разделение и подключение земли: Часто необходимо разделять цифровую, аналоговую и силовую землю для предотвращения перекрестных помех. Эти земли в конечном итоге соединяются в общей точке заземления (обычно рядом с входом питания) или через «мягкие» соединения, такие как ферритовые бусины или небольшие резисторы.
3. Заземление под BGA: Заземляющая плоскость под BGA должна быть полной и непрерывной. Стратегическое размещение заземляющих переходных отверстий (vias) в массиве шариков BGA, напрямую соединенных с заземляющей плоскостью, обеспечивает низкоиндуктивные обратные пути для сигналов и питания. Это критически важно для обеспечения целостности сигнала и контроля электромагнитных помех (EMI).

В ходе сложных процессов монтажа SMT обеспечение правильной пайки этих заземляющих переходных отверстий и точек соединения без дефектов является ключом к реализации проектного замысла. Это еще раз подчеркивает важность процессов беспустотной оплавки BGA — надежное заземление начинается с надежного паяного соединения.

Фильтрация и экранирование: Разрабатывайте эффективные LC-фильтры в критических местах (например, на входе/выходе питания). Применяйте локализованное экранирование для чувствительных цепей или сильных источников шума.

Заземление является фундаментальным: Создание единой, низкоимпедансной опорной плоскости "0В" является предпосылкой для успеха всех мер контроля ЭМП.