Расчет удельной мощности для принадлежностей для УФ-отверждения печатных плат

Расчет удельной мощности для принадлежностей для УФ-отверждения печатных плат

Резюме

Камера для отверждения печатных плат, которая раньше выдавала 8 кВт в шкафу размером 2 м, теперь должна выдавать 16 кВт на той же площади, и каждый кубический сантиметр источника питания становится предметом спора. В этой статье выводится определение плотности мощности, емкости звена постоянного тока, потерь в конденсаторе, температуры в зоне перегрева и собственного резонанса фильтра для этого источника питания, перечисляются четыре проблемных момента и приводятся шесть этапов проектирования. Для компонента мощностью 2 Вт требуется 3.9 см² меди, чтобы температура не превышала 85 °C.

1. Введение

В производстве печатных плат УФ-излучение расходуется в два этапа: отверждение защитной пленки для пайки и нанесение защитного слоя или клеевого соединения для гибких печатных плат. Оба этапа требуют равномерного и повторяемого воздействия по всей панели, и в обоих случаях происходит переход к конвейерным системам отверждения, которые работают быстрее и занимают меньше места.

В результате происходит увеличение удельной мощности. Камера для полимеризации, которая в 2015 году обеспечивала 8 кВт в корпусе размером 2 м, теперь должна обеспечивать 16 кВт на той же площади, или те же 8 кВт при вдвое меньшем объеме.

Каждый кубический сантиметр является предметом конкуренции между трансформатором, радиатором, индуктором, конденсаторными батареями и лампой или светодиодной головкой. Конденсаторная батарея — это самая большая пассивная группа в этом списке, поэтому её габариты определяют механическую конструкцию.

В этом сегменте рынка удельная мощность измеряется в метрах конвейера и квадратных метрах производственной площади. Машина, обеспечивающая ту же энергию отверждения при уменьшении площади корпуса на 20%, позволяет предприятию разместить еще одну линию на той же площади.

2. Основной механизм

2.1 Плотность мощности и оспариваемый объем

Показатель качества источника питания зависит от выходной мощности и объема корпуса:

P_density = P_out / V_enclosure

где P_density — удельная мощность в ваттах на кубический метр, P_out — выходная мощность в ваттах, а V_enclosure — объем корпуса в кубических метрах.

Источник питания мощностью 8 кВт в отсеке объемом 300 см³ работает при плотности тока 26.7 Вт/см³. Удвоение выходной мощности в том же отсеке увеличивает ее до 53.3 Вт/см³, и конденсаторная батарея должна поддерживать свою температуру при такой плотности тока.

2.2 Емкость звена постоянного тока, рассчитанная с учетом пульсаций

Емкость, удерживающая нагрузку, зависит от мощности нагрузки, частоты пульсаций, напряжения на шине и допустимой частоты пульсаций:

C_dc = P_out / (2 × f_ripple × V_bus × ΔV)

где C_dc — требуемая емкость в фарадах, P_out — выходная мощность, f_ripple — частота пульсаций, V_bus — напряжение шины, а ΔV — допустимое напряжение пульсаций.

При мощности 8 кВт, пульсациях 100 Гц, напряжении шины 400 В и допустимом уровне пульсаций 8 В требуется конденсатор 12.5 мФ. Удвоение допустимого уровня пульсаций до 16 В уменьшает его вдвое до 6.25 мФ, что выглядит как экономия объема, пока в расчет не вступают ток пульсаций и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).

2.3 Рассеяние энергии конденсатором

Банк рассеивает свой пульсирующий ток в эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) каждой параллельной позиции:

P_C = I_ripple² × ESR

где P_C — рассеиваемая мощность одного конденсатора в ваттах, I_ripple — среднеквадратичный пульсирующий ток через эту часть в амперах, а ESR — его эквивалентное последовательное сопротивление на частоте пульсаций в омах.

Шесть точек подключения, каждая из которых пропускает 5 А среднеквадратичного значения при сопротивлении 80 мОм, рассеивают по 2 Вт, или 12 Вт на всю аккумуляторную батарею. Это тепло отводится через монтажную поверхность, поэтому площадь, занимаемая батареей, и потери в ней взаимосвязаны.

2.4 Температура в самой горячей точке герметичного шкафа

Точка перегрева следует за зоной диссипации и обеими половинами теплового пути:

ΔT = P_C × (R_th_internal + R_th_mounting)

где ΔT — повышение температуры в точке перегрева по сравнению с локальной температурой окружающей среды в кельвинах, P_C — рассеиваемая мощность в ваттах, R_th_internal — внутреннее сопротивление компонента, а R_th_mounting — сопротивление платы и крепления.

Уменьшение площади вдвое удваивает R_th_mounting. В герметичном корпусе объемом 3 л шесть компонентов мощностью 2 Вт повышают локальную температуру окружающей среды на 15–20 К, поэтому эталонная температура повышается, а качество монтажа ухудшается.

2.5 Фильтрация собственного резонанса и проводимой полосы

Входные фильтрующие конденсаторы должны работать в диапазоне кондуктивных помех, а их собственный резонанс определяет точку, в которой они перестают работать:

f_SRF = 1 / (2π × √(ESL × C))

где f_SRF — собственная резонансная частота в герцах, ESL — индуктивность корпуса и соединения в генри, а C — емкость в фарадах.

Конденсатор емкостью 100 нФ с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) 2 нГн резонирует на частоте 11.3 МГц, что охватывает большую часть диапазона от 150 кГц до 30 МГц. Конденсатор с выводами и индуктивностью 20 нГн резонирует на частоте 3.6 МГц, а выше этой точки конденсатор ведет себя как индуктор, и фильтр перестает ослаблять сигнал.

Рис. 1 — Конденсатор мощностью 2 Вт на площадке площадью 2 см² нагревается до 104 °C в герметичном шкафу при температуре 60 °C, а слой меди площадью 3.9 см² удерживает его температуру ниже предельного значения в 85 °C.

3. Проблемы проектирования

Болевая точка 1: Защита от потерь

Разработчики выбирают самый маленький конденсатор, подходящий для платы, а затем на этапе прототипирования обнаруживают, что компонент нагревается до 40 К. Значения пульсаций, указанные в технической документации, были измерены на открытом воздухе, а не в тесном и герметичном корпусе при температуре окружающей среды 60 °C.

Путь к восстановлению требует перепроектирования и задержки сроков. И того, и другого можно избежать, если учитывать тепловое сопротивление при монтаже, поскольку это значение определяется площадью медного слоя под деталью.

Проблема 2: Зависимость емкости от смещения в компактных компонентах класса II.

Для уменьшения размеров конструкторы используют высокодиэлектрические компоненты X7R или Y5V, которые теряют от 50% до 80% номинальной емкости при рабочем постоянном напряжении смещения. В результате пульсации напряжения превышают допустимое значение в 2–4 раза.

Признаками неисправности являются мерцание светодиода, модуляция мощности лампы и ложные срабатывания контура защиты от перегрузки по току, при этом компоновка выглядит правильно. Плотный диэлектрик класса I сохраняет свои характеристики, поэтому выбранный корпус ведет себя так, как и было смоделировано.

Проблемный момент 3: Тепловая связь между блоком и магнитами.

В плотной системе конденсаторы звена постоянного тока располагаются рядом с трансформатором. Шесть таких конденсаторов, поглощающих по 2 Вт каждый, в герметичном объеме 3 л повышают локальную температуру окружающей среды на 15–20 К.

В этом случае каждая деталь приближается к своей кривой снижения характеристик, а правило 10 градусов превращает повышение температуры окружающей среды на 20 К в потерю 75% срока службы конденсатора. Взаимосвязь необходимо измерять, а не предполагать.

Проблемный момент 4: Вибрация и механическая нагрузка на конвейерную линию.

Конвейерные линии отверждения вибрируют. Крупные конденсаторы с винтовыми клеммами и тяжелыми корпусами деформируют плату и паяные соединения, а трещина в выводах проявляется в виде прерывистого контакта, который трудно диагностировать.

Трещина увеличивается под воздействием термических циклов и вибрации. Механическая поддержка, распорки и защитное покрытие решают обе проблемы одновременно, и это обходится дешевле, чем возврат изделия на место.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установить лимит потерь на каждый компонент.

Перед компоновкой рассчитайте P_C = I_rms² × ESR для каждого места установки конденсатора при наихудшей температуре. Предусмотрите 2 Вт на компонент в вентилируемой конструкции и 0.5 Вт в герметичном модуле, что составляет 0.25 Вт/см² на площади 2 см².

Сначала выберите класс диэлектрика, а затем корпус. Класс определяет эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и, следовательно, потери, а корпус определяет тепловой путь, по которому эти потери должны передаваться.

Стратегия 2: Стандартизировать использование диэлектрика класса I.

Указывать N4700 Диэлектрик класса I для каждого критически важного по частоте и высокопульсационного участка. Коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент диссипации ниже 0.1% означают, что выбранный при 25 °C корпус ведет себя одинаково при 85 °C и при полном смещении.

Это устраняет спираль снижения номинальных характеристик, характерную для конструкций класса II, где компонент, выбранный с номинальной емкостью, приходится заменять на более крупный после применения кривой смещения. Экономия объема в 30–50% достигается за счет этого единственного изменения.

Стратегия 3: Параллельное подключение небольших компонентов в цепи постоянного тока.

Четыре низкоэмиссионных конденсатора емкостью 10 нФ распределяют тепло по четырем монтажным точкам и снижают ток на каждый конденсатор в четыре раза. Общий объем остается примерно одинаковым, а зона перегрева и механическое напряжение уменьшаются.

Каждая деталь также рассеивает в 16 раз меньше энергии, чем одна большая деталь при том же суммарном токе. Размер HVCT8G детали, для крепления которых требуется механическая поддержка.

Стратегия 4: Спроектируйте тепловой путь с учетом электрического пути.

Разместите блок компонентов со стороны воздухозаборника корпуса, добавьте медные заливки под каждый компонент и используйте теплоотводящие переходные отверстия на противоположной стороне платы. Такая комбинация обеспечивает снижение температуры в горячих точках более чем на 10 000 при отсутствии дополнительных затрат на компоненты.

Сравните измеренное значение перегрева с расчетным значением до заливки компаундом. Модуль в компаунде не подлежит доработке, поэтому тепловой путь необходимо сначала проверить на негерметичном устройстве.

Стратегия 5: Перед герметизацией проверьте с помощью тепловизора.

Создайте прототип окончательной компоновки, протестируйте его на полной мощности в течение 30 минут и запишите температуру в каждой точке расположения конденсатора. Внесите изменения в компоновку, если температура какой-либо части превысит 85 °C (температура корпуса).

Запустите цикл полимеризации на полной мощности лампы на восемь часов и ежечасно измеряйте температуру в соответствующих местах. Динамика за восемь часов показывает коэффициенты сцепления, которые еще не были достигнуты при 30-минутной работе.

Стратегия 6: Совместное тестирование вибрации и пайки.

Для самых тяжелых конденсаторов используйте компоненты с винтовыми клеммами или сквозными отверстиями и механической поддержкой, а также включите в план квалификации испытание на термоциклирование и вибрацию. толстопленочный резистор и выпрямительный диод Соседние суставы нуждаются в таком же лечении, поскольку они трескаются под одинаковой нагрузкой.

Добавить пленочный конденсатор где ток в звене постоянного тока имеет большую низкочастотную составляющую. Пленочная часть обрабатывает основную пульсацию, а керамический блок обрабатывает высокочастотную составляющую, что разделяет как потери, так и объем.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	< 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Компактные конденсаторы HVC для принадлежностей для отверждения печатных плат.

Три основных требования определяют качество этих конденсаторов: высокая плотность емкости без снижения характеристик при смещении напряжения, достаточно низкие потери для герметичного корпуса и механическая прочность при транспортировке по конвейеру. Компания HVC производит конденсаторы от 1 кВ до 100 кВ на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик класса I, обеспечивающий высокую плотность емкости в компактном корпусе без снижения характеристик при смещении, что позволяет уменьшить объем каскадов постоянного тока и запуска на 30–50%.
• Коэффициент рассеяния ниже 0.1% на частоте 1 кГц, что позволяет поддерживать самонагрев на минимальном уровне, доступном для керамических технологий, и обеспечивает достижение предельной мощности 0.5 Вт на компонент в герметичном корпусе.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ в одном семействе, поэтому компоненты линии связи 400 В постоянного тока и компоненты триггера 4 кВ используют один технологический процесс и один файл квалификации.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, защищает высоковольтные участки от эрозии в богатой озоном атмосфере камеры полимеризации.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, поэтому машина, которая калибрует мощность лампы при холодном запуске, обеспечивает ту же дозу в конце восьмичасовой смены.
• ESL ниже 8 нГн на клеммном кабеле длиной 40 мм, поэтому фильтрующий элемент на 100 нФ резонирует на частоте 11.3 МГц и ослабляет сигнал в проводящем диапазоне. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам Murata Винтовые конденсаторы, используемые в программах полевого ремонта.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты из нескольких ламп — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе посадочных мест, расчете потерь и моделировании тепловых характеристик корпуса.

Отправьте профиль пульсаций тока, тепловую модель корпуса, целевую плотность мощности и монтажный чертеж. HVC в течение двух недель предоставит оптимизированный по размерам план размещения конденсатора с расчетом потерь, площадью монтажа на каждую деталь и отчетом о тестировании на частичные разряды, а также образцы.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как рассчитать емкость цепи постоянного тока для шкафа мощностью 16 кВт?

Исходя из допустимого уровня пульсаций: C_dc = P_out / (2 × f_ripple × V_bus × ΔV). При мощности 8 кВт, частоте 100 Гц, напряжении 400 В и пульсациях 8 В ответ получаем 12.5 мФ. Затем потери и площадь монтажа определяют, как распределяется эта емкость.

В2: Почему уменьшение площади застройки вдвое приводит к повышению температуры?

Потому что сопротивление R_th_mounting удваивается, когда площадь медного слоя уменьшается вдвое. В герметичном корпусе объемом 3 л локальная температура окружающей среды также повышается на 15–20 К из-за шести элементов мощностью 2 Вт, поэтому оба члена уравнения ΔT = P_C × (R_th_internal + R_th_mounting) растут одновременно.

В3: Какова площадь печатной платы, необходимая для конденсатора мощностью 2 Вт?

Примерно 3.9 см². В камере с температурой 60 °C и внутренним сопротивлением 2 кВт деталь мощностью 2 Вт на площадке площадью 2 см² достигает температуры 104 °C, а предельная температура корпуса 85 °C достигается при 3.9 см². Увеличение площади заливки обходится дешевле, чем добавление вентилятора.

В4: Почему деталь класса II не попадает в целевую зону пульсаций?

Поскольку при рабочем постоянном напряжении теряется от 50% до 80% номинальной емкости, пульсации напряжения в этом случае в 2-4 раза превышают допустимое значение, что проявляется в мерцании светодиода, модуляции мощности лампы и ложных срабатываниях контура регулирования тока.

В5: Как следует расположить банк в герметичном модуле?

Четыре параллельных элемента по 10 нФ вместо одного большого. Каждый из них пропускает четверть тока и рассеивает шестнадцатую часть мощности, тепло распределяется по четырем точкам крепления, а механическое напряжение на каждом соединении уменьшается с увеличением массы корпуса.

В6: Что следует проверить при проведении тепловизионного обследования перед заливкой компаунда?

Каждый конденсатор устанавливается под полной нагрузкой, сначала на 30 минут, а затем ежечасно в течение восьмичасового цикла отверждения. Любая деталь, температура которой превышает 85 °C, требует изменения компоновки, а этап заливки компаундом делает это изменение невозможным впоследствии.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
7. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
8. Серии ST1, ST2 и ST3 Керамический конденсатор высокого напряжения СтекиDean Technology, https://www.deantechnology.com/st1-st2-st3-series-high-voltage-ceramic-capacitor-stacks/ .
9. Демпфирующие конденсаторы (пленочные конденсаторы) для IGBT-транзисторов MKRSExxelia, https://exxelia.com/en/product/detail/771/mkrs .
10. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com