В требовательном мире автомобильной электроники, особенно в передовых системах помощи водителю (ADAS) и силовых системах электромобилей (EV), каждое проектное решение напрямую влияет на безопасность, производительность и долгосрочную надежность. Это поле битвы, определяемое вибрациями, экстремальными колебаниями температуры и рисками высоковольтных дуговых разрядов. Хотя технология поверхностного монтажа (SMT) стала мейнстримом благодаря своей высокой плотности и преимуществам автоматизации, технология пайки THT/сквозного монтажа, с ее беспрецедентной механической прочностью, превосходной токонесущей способностью и отличными характеристиками теплового управления, по-прежнему играет незаменимую ключевую роль в высоковольтных, мощных приложениях, таких как бортовые зарядные устройства (OBC), DC-DC преобразователи и силовые модули на основе SiC/GaN. С точки зрения инженера с многолетним опытом работы в силовых агрегатах электромобилей, эта статья углубляется в то, как использовать технологию THT для решения многочисленных задач, связанных с требованиями автомобильного класса.

Освоение высокочастотных задач широкозонных полупроводников: Основа электрической стабильности THT

Применение широкозонных полупроводников (SiC/GaN) беспрецедентным образом преобразует силовые системы электромобилей, значительно улучшая плотность мощности и эффективность. Однако их чрезвычайно высокие скорости переключения (dv/dt, до десятков кВ/мкс) являются палкой о двух концах, создавая серьезные проблемы с электромагнитными помехами (ЭМП) и синфазным шумом. В этих высокоскоростных схемах управления переключением даже малейшая паразитная индуктивность может быть усилена быстро меняющимися токами, что приводит к фатальным выбросам напряжения и осцилляциям, которые напрямую угрожают дорогостоящим силовым устройствам.

Именно здесь становится очевидной ценность компонентов THT - таких как изолированные импульсные трансформаторы, высокоемкостные пленочные фильтрующие конденсаторы и высоковольтные разъемы. Их прочные физические соединения, образованные крепкими выводами, проникающими в печатную плату и окруженными обильным припоем, создают электрические узлы с чрезвычайно низким импедансом. По сравнению с компонентами SMT, которые полагаются исключительно на поверхностные контактные площадки, THT эффективно снижает паразитную индуктивность и сопротивление в критических цепях, обеспечивая "тихую" и стабильную платформу для управления высокоскоростным переключением.

Успешная разработка драйвера SiC/GaN должна начинаться с всестороннего и строгого анализа DFM/DFT/DFA (Design for Manufacturability/Testability/Assembly). На ранней стадии проектирования мы должны применять системный подход для оценки расположения компонентов THT:

• Минимизация площади контура управления: Токовый контур, образованный выводами первичной стороны изолирующего трансформатора, выходными выводами микросхемы драйвера затвора и выводами затвора и истока SiC/GaN-устройств, должен быть сжат до абсолютного минимума. Хотя THT-трансформаторы более громоздкие, их гибкое расположение выводов позволяет инженерам размещать их как можно ближе к силовым устройствам, тем самым минимизируя риск связи высокочастотных шумов.
• Оптимизация конструкции сквозного отверстия: Это больше, чем просто сверление отверстия. Соответствие между диаметром отверстия и диаметром вывода (обычно рекомендуется на 0,25-0,5 мм больше диаметра вывода), размер контактной площадки и использование терморазгрузочных площадок для подключения к большим медным областям - все это напрямую влияет на качество пайки и импеданс токового пути. В высокоскоростных схемах управления мы можем даже избегать терморазгрузочных площадок, выбирая прямые соединения для достижения наименьшего электрического импеданса ценой некоторого удобства пайки.
• Планирование пути заземления: Выводы заземления THT-компонентов обеспечивают отличную низкоимпедансную точку заземления. Путем плотного соединения этих выводов с земляным полигоном печатной платы через несколько переходных отверстий может быть создан широкий и непрерывный обратный путь для высокочастотных токов, что крайне важно для подавления синфазных шумов. HILPCB накопила обширный практический опыт в работе с такими высокочастотными печатными платами, помогая клиентам предвидеть и снижать потенциальные риски электрических характеристик и надежности, вызванные физическим расположением на этапе проектирования схемы.

Создание высоковольтных защитных барьеров: Физические преимущества THT в конструкции электрической изоляции

По мере того как платформы электромобилей развиваются в сторону 800В и даже более высоких напряжений, электрическая изоляция стала спасательным кругом для обеспечения безопасности пассажиров, техников по обслуживанию и всего транспортного средства. В стандартах безопасности (таких как IEC 60664-1) путь утечки (кратчайшее расстояние между двумя проводниками, измеренное по поверхности изоляции) и воздушный зазор (кратчайшее прямолинейное расстояние между двумя проводниками, измеренное по воздуху) являются двумя основными показателями. Недостаточная конструкция может привести к пробою изоляции или искрению под высоким напряжением, что повлечет за собой катастрофические последствия.

Пайка THT/в отверстия демонстрирует свои неотъемлемые структурные преимущества в этой области. Выводы изоляционных устройств в THT-корпусах (таких как оптопары и изолирующие трансформаторы) и Y-конденсаторов, используемых для подавления электромагнитных помех, изначально имеют большее физическое расстояние, что обеспечивает прочную основу для соответствия строгим стандартам безопасности. Что еще более важно, структура THT позволяет инженерам применять более тщательные меры по улучшению изоляции:

• Прорезка печатных плат: Между высоковольтными THT-выводами можно легко фрезеровать изоляционные прорези в печатной плате. Это эффективно прерывает поверхностные пути утечки, заставляя ток проходить через более длинные воздушные зазоры, тем самым значительно увеличивая расстояние утечки при минимальных затратах. Достижение того же эффекта с SMT-компонентами гораздо сложнее.
• Интеграция физических барьеров: Размер THT-компонентов позволяет лучше интегрировать их с физическими барьерами, такими как пластиковые корпуса и изоляционные перегородки, формируя многослойную защиту.

Однако в суровых условиях, таких как влага, пыль и конденсат, с которыми транспортные средства могут столкнуться в течение своего жизненного цикла, полагаться исключительно на физическое расстояние недостаточно. Загрязняющие вещества могут образовывать проводящие пути на изолирующих поверхностях, постепенно разрушая предусмотренный запас прочности. Для решения этой проблемы процесс заливки/герметизации предлагает окончательное решение. Он включает в себя полное заключение всего модуля PCBA в изоляционные материалы, такие как эпоксидная смола или силикон, образуя прочный и плотный защитный слой.

Заливка не только полностью изолирует от влаги, пыли и коррозионных химикатов, но и значительно повышает механическую прочность модуля, эффективно противостоя непрерывным вибрациям и ударам во время эксплуатации транспортного средства. Однако успешная заливка - непростая задача, и тщательная проверка DFM/DFT/DFA на этом этапе не менее важна:

• Избегание пустот: Пузырьки или пустоты, образующиеся во время отверждения заливочных материалов, могут быть фатальными. При высоком напряжении эти пустоты могут вызывать частичные разряды, постепенно разрушая изоляционный материал со временем и в конечном итоге приводя к пробою. На этапе DFM крайне важно убедиться, что расположение компонентов THT не создает "мертвых зон", которые препятствуют потоку и дегазации заливочного компаунда.
• Управление напряжением: Различные материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения (КТР). При экстремальных температурных циклах (от -40°C до 125°C или выше) несоответствия КТР между заливочными материалами и компонентами THT (особенно керамическими конденсаторами и магнитными сердечниками) могут создавать значительные механические напряжения, потенциально вызывая растрескивание компонентов или усталость паяных соединений. Выбор гибких заливочных материалов с низким модулем упругости и избегание острых краев в конструкции являются эффективными способами снижения напряжения.

Решение проблем плотности мощности: Стратегии теплового управления THT в приложениях OBC/DC-DC

В бортовых зарядных устройствах (OBC) и DC-DC преобразователях высокоэффективные топологии с мягкой коммутацией, такие как LLC и PSFB, являются основными вариантами. Основные компоненты в этих схемах - силовые трансформаторы, резонансные индукторы и выходные фильтрующие конденсаторы - все являются «гигантами мощности», характеризующимися большими размерами, большим весом и высоким тепловыделением. Для этих компонентов применение THT/сквозной пайки является не только вопросом механической надежности, но и критически важным аспектом стратегий теплового управления.

Уникальность THT-соединений заключается в том, что их выводы, проникающие в печатную плату, служат не только электрическими путями, но и высокоэффективными тепловыми проводниками. Тепло может передаваться из внутренней части компонента через выводы непосредственно во внутренние медные слои печатной платы или даже к радиаторам на противоположной стороне. Чтобы максимизировать этот эффект, мы часто используем конструкции печатных плат с толстой медью, где толщина внутренней или внешней меди может достигать 3 унций (105 мкм) или более. Металлизированные сквозные отверстия (PTH) THT-компонентов могут бесшовно соединяться с многослойными толстыми медными плоскостями, образуя трехмерную, высокоэффективную сеть рассеивания тепла, которая быстро распределяет локализованные источники тепла по всей плате. Хорошо спроектированное THT-паяное соединение может иметь значительно более низкое тепловое сопротивление, чем SMT-паяное соединение, что имеет решающее значение для повышения плотности мощности системы и продления срока службы компонентов. При сборке этих сложных печатных плат со смешанной технологией (SMT+THT) традиционная пайка волной припоя уже недостаточна, так как она неизбирательно нагревает всю печатную плату и может повредить чувствительные к температуре SMT-компоненты (такие как микроконтроллеры и датчики), которые уже установлены. В этом контексте технология селективной пайки волной припоя становится ключом к обеспечению качества. Она использует программируемое, точное микро-паяльное сопло для точечной пайки на обозначенных THT-выводах. Весь процесс высоко контролируем:

1. Точное нанесение флюса: Флюс распыляется или дозируется только на участки, подлежащие пайке, избегая загрязнения других областей.
2. Локализованный предварительный нагрев: Область пайки предварительно нагревается снизу для активации флюса и уменьшения термического шока во время пайки.
3. Контролируемая пайка: Параметры, такие как высота волны припоя, траектория движения и время контакта, могут быть независимо запрограммированы для каждого паяного соединения, обеспечивая полное смачивание припоем, образование галтелей и блестящие, прочные паяные соединения при минимизации теплового воздействия на соседние компоненты.

Этот точный процесс устраняет несоответствия и потенциальные человеческие ошибки, связанные с ручной пайкой, служа в качестве краеугольного камня для достижения качества пайки THT автомобильного класса.

От производства до валидации: Построение замкнутого цикла для обеспечения качества автомобильного класса

Надежная THT/пайка в сквозные отверстия не достигается в одночасье; она основана на точных производственных процессах и строгих испытаниях и проверках на протяжении всего рабочего процесса.

Со стороны производства, селективная пайка волной является основой обеспечения стабильности пайки. Путем настройки параметров пайки для паяных соединений с различной теплоемкостью (например, контакты, подключенные к большим медным плоскостям, по сравнению с неподключенными контактами) можно эффективно избежать распространенных дефектов, таких как холодные паяные соединения, недостаточное количество припоя или избыток припоя. Со стороны верификации, особенно на этапах прототипирования и мелко- и среднесерийного производства, тест летающим зондом предлагает беспрецедентное, эффективное и гибкое решение для тестирования. В отличие от внутрисхемного теста (ICT), который требует дорогих индивидуальных оснасток типа «ложе гвоздей» для каждого дизайна печатной платы, тестеры с летающими зондами используют от 2 до 8 независимо перемещающихся зондов для непосредственного зондирования PCBA на основе данных CAD. Для силовых модулей электромобилей (EV), плотно заполненных THT-компонентами, его ценность демонстрируется в следующем:

• Тестирование высоковольтной изоляции: Способный подавать постоянное напряжение до 1000 В и более, он точно измеряет сопротивление изоляции между высоковольтными и низковольтными сетями, а также между высоковольтными сетями и заземлением шасси. Это проверяет эффективность конструкций путей утечки и воздушных зазоров, гарантируя, что значения сопротивления остаются на уровне ГОм.
• Косвенная оценка качества паяных соединений: Благодаря точным четырехпроводным (Кельвина) измерениям, он может обнаруживать незначительные аномалии сопротивления в паяных соединениях THT, что может указывать на ранние признаки холодной пайки или плохого смачивания.
• Гибкость и быстрая итерация: При изменении конструкции требуется только обновление тестовой программы - переделка аппаратного оснащения не нужна. Это значительно ускоряет циклы разработки и итерации продукта.

Самое главное, систематически собирая данные о сбоях теста летающего зонда (например, какое паяное соединение показывает низкое сопротивление изоляции или какая сеть демонстрирует прерывистые обрывы) и возвращая их в процесс анализа DFM/DFT/DFA, мы создаем надежную замкнутую систему улучшения качества. Например, если тестирование выявляет повторяющиеся дефекты пайки на определенном контакте THT-разъема, инженеры могут отследить и проверить его конструкцию сквозного отверстия, конфигурацию теплоотводящей площадки или параметры селективной пайки волной, тем самым устраняя первопричины и постоянно повышая технологичность и долгосрочную надежность продукта. HILPCB предлагает комплексные услуги по сборке печатных плат от прототипирования до массового производства, гарантируя, что каждый шаг от проверки проекта до окончательного тестирования строго соответствует автомобильным стандартам.

Максимальная защита окружающей среды: Подробные практики конформного покрытия и заливки

Условия эксплуатации автомобильной электроники несравнимы с условиями эксплуатации бытовой электроники. Они должны выдерживать экстремальные температуры (от -40°C до +125°C), высокую влажность, коррозию от солевого тумана и непрерывные случайные вибрации на протяжении всего срока службы. Конформное покрытие (защитное покрытие/конформная пленка) является первой и наиболее распространенной линией защиты для печатных плат (PCBA).

Оно образует прозрачную изолирующую защитную пленку на поверхности печатной платы, обычно толщиной 25-75 мкм, эффективно изолируя паяные соединения THT и чувствительные цепи от воздействия окружающей среды. Выбор материала имеет решающее значение в автомобильных приложениях:

• Силикон: Обладает отличной стабильностью при высоких/низких температурах и гибкостью, хорошо адаптируется к нагрузкам от термических циклов, что делает его предпочтительным выбором для применения в силовых агрегатах.
• Уретан: Обеспечивает превосходную химическую стойкость и стойкость к истиранию, подходит для областей, подверженных воздействию масел или жидкостей.
• Акрил: Легко наносится и перерабатывается, но обладает несколько более слабой химической стойкостью и устойчивостью к высоким температурам.

Селективное автоматизированное распыление в настоящее время является самым передовым процессом нанесения покрытия, позволяющим точно контролировать области покрытия, избегая разъемов, контрольных точек и других незащищенных областей, обеспечивая равномерную и постоянную толщину пленки. Чистота PCBA перед нанесением покрытия является решающим фактором успеха - любые остатки флюса или загрязняющие вещества могут привести к коррозии под пленкой или снижению адгезии. Для компонентов, подверженных воздействию самых суровых условий, таких как контроллеры трансмиссии, системы управления батареями (BMS) или инверторные модули, заливка/герметизация обеспечивает более высокий уровень почти "неразрушимой" защиты. Как упоминалось ранее, он герметизирует весь модуль в прочном полимере, делая его полностью водонепроницаемым, пыленепроницаемым и высокоустойчивым к вибрации. Выбор заливочных материалов также является научным, требующим всесторонней оценки диэлектрической прочности, теплопроводности, вязкости, времени отверждения и механических свойств для соответствия конкретным сценариям применения.

Будь то конформное покрытие или заливка/герметизация, успешная реализация в значительной степени зависит от точного контроля профилей, высот и расположения компонентов THT, возвращая нас к отправной точке проектирования - хорошо продуманному процессу DFM.

Получить предложение по печатным платам

Заключение

Таким образом, технология пайки THT/сквозных отверстий далеко не устарела в автомобильных системах ADAS и силовых системах электромобилей, которые требуют высокой мощности, высокого напряжения и исключительной надежности - она остается незаменимым инженерным краеугольным камнем. Чтобы успешно освоить эту технологию, крайне важна комплексная и систематическая стратегия, охватывающая проектирование, производство, тестирование и окончательную защиту. Это начинается с тщательных обзоров DFM/DFT/DFA на ранней стадии проектирования для оптимизации электрических, тепловых и механических характеристик; использует точные процессы, такие как селективная волновая пайка, во время производства для обеспечения качества пайки; строго проверяет качество с помощью передовых методов, таких как тестирование летающим зондом, формируя цикл улучшений, основанный на данных; и, наконец, применяет передовые защитные меры, такие как конформное покрытие или заливка/герметизация, для защиты продукта. Только путем тесной интеграции этих шагов как единого целого мы можем разработать автомобильную электронику следующего поколения, которая действительно будет соответствовать стандартам безопасности и надежности следующего десятилетия.

Related links

• высокочастотными печатными платами
• печатных плат с толстой медью
• комплексные услуги по сборке печатных плат
• сквозного монтажа