R gles de design

GUIDE DE DESIGN
Version 1.4
Guide de design pour
Solutions haute puissance avec WIRELAID®
Solutions haute puissance avec WIRELAID®
Les bénéfices
Face à la croissance des exigences techniques au niveau de l’électronique de puissance et numérique dans toutes les technologies industrielles, les fabricants de circuits imprimés sont confrontés à un nouveau
défi. Pour combiner à la fois puissance et signaux numériques, la technique Wirelaid se présente comme une solution idéale pour le management de puissance et surtout compétitive par rapport à des technologies
privilégiant des cuivres épais ou des couches supplémentaires pour
acheminer la puissance. La technologie Wirelaid consiste à utiliser des
fils embarqués dans les circuits imprimés.
C’est ainsi que des pistes standards, qui permettent un flux de courant
faible deviennent grâce à cette technologie des pistes de puissance. De
plus, elle permet de combiner puissance et signaux numériques sur un
même circuit imprimé.
Possible avec certificat UL au code
WE 51 (UL V-0).
Vos avantages
 Réduction du volume du système
 Remplacement de la technique du cuivre épais
par l‘utilisation de fils
 Amélioration de la dissipation de la chaleur grâce
aux sections de cuivre plus élevées
 Suppression des éléments de liaison
 Réduction du nombre de couches
 C
ombinaison de la logique et de la performance
sur un seul niveau
 Réduction des coûts du système
 Brasage facilité grâce à la masse thermique moins élevée
comparativement à la technique du cuivre épais
 C
ouches de cuivre plus minces possibles
 Réduction de l‘encombrement grâce au cuivre
partiellement épais
2
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Sommaire
Types de fils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Sélection des variantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Processus de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Règles de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Règles de conception 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Charge limite d‘intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Dissipation thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Comparaison des coûts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Powerelements (plots de puissance) . . . . . . . . . 12
Types de fils
F 14
Aire de la section 1.4 x 0.35 mm2
Ø 0.49 mm2
!
Des fils de 0,1 mm d‘épaisseur,
disponibles dans différentes largeurs,
sont disponibles pour la combinai-son
avec la technologie Semiflex.
3
Nomenclature
Couche
extérieure
Couche
intérieure
ML6 Wire@1@6
ML6 Wire@2@5
L‘exemple montre
un multilayer à
6 couches et des
fils sous les couches
1 et 6.
L‘exemple montre
un multilayer à
6 couches et des
fils sous les couches
2 et 5.
Il est nécessaire de considérer les points
suivants lors du choix des variantes WIRELAID :
„„Les circuits logiques plus complexes utilisent des composants SMD, comme des contrôleurs et des mémoires avec des grilles de raccordement
fines. Des fils WIRELAID sont placés sur les couches in-ternes afin que les couches d‘assemblage puissent accueillir librement les structures de
conducteurs très fins. Les exigences relatives à la CEM et à plusieurs tensions d‘alimentation au niveau des couches in-ternes peuvent désormais être satisfaites grâce à des noyaux standards et de plus faibles épaisseurs de cuivre. Comparé au multilayer standard, le nombre de
couches est généralement le même (voir empilage ML6 Wire@2@5).
„„Si
la dissipation de la chaleur par contact direct avec le boîtier joue un rôle ou si des semi-conducteurs de puissance (p. ex. : IGBT ou D²PAK)
sont montés directement sur la couche extérieure, cette dernière fait office de couche WIRELAID à fils soudés. Voir assemblage ML6 Wire@1@6.
Ceci doit également être visé pour des circuits logiques simplifiés. Ceci permet d‘économiser, en outre, de nombreuses con-nexions transversales et donc de réduire les coûts s‘il est possible de monter les composants de puis-sance directement sur le substrat des fils WIRELAID.
„„Il
est possible de réduire le nombre de couches dans le cas de circuits simples.
Couche extérieure?
Couche intérieure?
4
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De production
Le procédé de montage Wirelaid, commence par une soudure par résistance des fils au dos de la feuille de cuivre. Après avoir effectué la première
soudure du fil, celui-ci sera tiré jusqu’au point final et ensuite découpé.
La terminaison du fil sera aussi soudée par résistance sur la feuille de cuivre. Une fois équipée des fils, elle constituera la couche externe du circuit
imprimé en orientant les fils vers les couches internes et en passant au procédé de stratification. À cet effet, les fils Wirelaid sont entièrement intégrés. Ensuite, un procédé standard de gravure permettra d’obtenir les structures des pistes.
Routage et documentation
Afin de faciliter l’implantation de la technologie Wirelaid dans l’empilage du circuit imprimé, une couche additionnelle Wirelaid bottom est utilisée
en incluant les fils et leurs sections dans un format Gerber. Les fils se présentent avec une terminaison arrondie et sont larges de 1,4 mm. Sur la
couche bottom, un pad doit être centré sur le point de soudure. Dans le design, le fil doit être recouvert par un conducteur en cuivre.
top
wirelaid_bottom
(couche additionnelle)
bottom
0,5 mm : longueur maximale de terminaison du fil / dû au processus de coupe
1.4 mm
1.4 mm
Centre du point de soudure
Fil plat dans le design
piste conductrice définie avec une terminaison arrondie
R: 0,7 mm
Fil plat dans le produit
Diamètre du point de soudure : 1,0 mm
Centre du point de soudure
5
Règles de routage
Les dimensions (minimales)
F 14
Taille pastille
3.5 x 3.0 mm²
Largeur de la piste au dessus du fil
1.9 mm
A1
Distance entre-axe pour différentes potentiels
1.9 mm +
distance d‘isolation*
A2
L1 x B1
LB
Distance entre-axe pour le même potentiel
1.8 mm
Smax
Distance maximale entre deux points de soudure
100 mm
Smin
Distance minimale entre deux points de soudure
7.5 mm
350 x 1400 µm2
Fil plat dans le produit
Centre du point de soudure
0,5 mm : longueur maximale de terminaison
du fil / dû au processus de coupe
Pad sur bottom
Piste sur bottom
*Dépendant de l’épaisseur de cuivre sur la couche selon l’actuel guide des règles de routage. www.we-online.com
Différentes potentiels
Même potentiel
L1
LB
A2
A1
B1
Smax
Smin
Construction avec tracé de fil coudé
135,0°
67,5°
m
,5 m
R: 2
135,0°
67,5°
m
,5 m
R: 2
Distance d’isolement entre
le fil et la couche interne
La distance d’isolation resulte de l’empilage
specifique des couches. Sur demande de
votre part, nous pouvons creer cet empilage.
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Guide des règles de design 3D
Les dimensions (minimales)
C
Distance entre cuivre et le chemin de fraisage
0.3 mm
F
Largeur du chemin de fraisage
F = 0.4 x (épaisseur du circuit imprimé – R) + 200 µm
K
Dégagement du vernis épargne au niveau du coude
1.0 mm
R
Epaisseur du matériel restant
Fil + cuivre + épaisseur vernis épargne + 150 µm
„„Les
fils doivent être rangés orthogonalement sur la plage de transition
une courbure homogène, il est impératif de trouver un appareil de courbure approprié
„„Rayon de courbure possible ≥ 0.1 mm
„„Il faut vérifier que les pièces courbées et incorporées soient fixées
„„Pour
K
R
F
C
!
Important pour la configuration :
Les fils Wirelaid ne doivent pas être percés.
7
Charge limite d‘intensité.
Les graphiques suivants indiquent les mesures réelles effectuées en laboratoire avec courant continu. Elles font office de référence pour une
première interprétation sans prendre en compte la dissipation d‘énergie des éléments de construction, les influences du layout et les conditions
extérieures telles que l‘orientation et les influences du boîtier.
Il est possible de procéder comme suit lorsque plus de quatre fils F14 : 12 A pour ΔT par fil = 20 K
Fils sous la couche externe
Fils sous la couche interne
Feuille de cuivre de 35 µm + conception galvanique
Feuille de cuivre de 35 µm
100
100
20
15
90
15
90
10
80
5
70
0
10
5
70
0
0
5
10
15
Dissipation thermique [K]
Dissipation thermique [K]
80
20
60
50
40
30
1xF14 Cu 35 µm sous TOP
10
15
20
40
30
1xF14 Cu 35 µm sous L2
2xF14 Cu 35 µm sous L2
20
3xF14 Cu 35 µm sous TOP
10
0
5
50
2xF14 Cu 35 µm sous TOP
20
0
60
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 courant
0
[A]
Feuille de cuivre de 70 µm + conception galvanique
100
3xF14 Cu 35 µm sous L2
10
4xF14 Cu 35 µm sous TOP
4xF14 Cu 35 µm sous L2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 courant
[A]
Feuille de cuivre de 70 µm
100
15
90
10
90
80
5
80
70
0
20
15
0
10
20
Dissipation thermique [K]
Dissipation thermique [K]
10
30
60
50
40
30
1xF14 Cu 70 µm sous TOP
2xF14 Cu 70 µm sous TOP
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 courant
40
30
1xF14 Cu 70 µm sous L2
2xF14 Cu 70 µm sous L2
4xF14 Cu 70 µm sous L2
0
100
20
10
30
40
30
1xF14 Cu 105 µm sous TOP
40
50
60
70
80
90
100 courant
[A]
20
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30
40
50
60
70
80
90
100 courant
10
0
20
30
60
50
40
30
2xF14 Cu 105 µm sous L2
3xF14 Cu 105 µm sous L2
10
4xF14 Cu 105 µm sous TOP
10
0
20
3xF14 Cu 105 µm sous TOP
10
5
70
1xF14 Cu 105 µm sous L2
2xF14 Cu 105 µm sous TOP
20
8
Dissipation thermique [K]
Dissipation thermique [K]
0
50
0
30
10
60
0
20
15
80
5
0
10
20
90
10
70
20
Feuille de cuivre de 105 µm
15
80
15
50
0
[A]
20
90
10
3xF14 Cu 70 µm sous L2
Feuille de cuivre de 105 µm + conception galvanique
100
5
0
60
10
4xF14 Cu 70 µm sous TOP
0
0
20
3xF14 Cu 70 µm sous TOP
10
5
70
4xF14 Cu 105 µm sous L2
[A]
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 courant
[A]
Méthode pour établir le tableau d’intensité du courant
Essai de construction
Les circuits imprimés ont été mesurés dans une enceinte isolée thermiquement avec une température ambiante constante de 22 °C. L’alimentation en courant est faite par l’intermédiaire des
pastilles de soudure. Le Ci est alimenté pendant 5 minutes par une intensité de courant bien
dé-finie, ce qui permet d’atteindre une température stable sur la surface des pistes afin de
prendre une photo infrarouge pour mesurer cette T°. Ce cycle est répété pour d’autres intensités
de courant.
„„Standard
FR4
„„Epaisseur du circuit imprimé :
2.2 - 2.5 mm
„„Contour : 115 x 80 mm²
„„Répartition homogène du cuivre sur les
couches de 40 %
Pour la série d‘essais, les variantes de montage représentées au dessous.
Fils sur les couches externes
Fils sur les couches internes
Cu Top
Cu Top
Cu Layer 2
Cu Layer 2
Prepreg
Prepreg
Cu Layer 3
Cu Layer 3
Cu Bottom
Cu Bottom
Dissipation thermique
Une évacuation passive de la chaleur rallonge la longévité des semi-conducteurs
de puissance.
Avec Wirelaid®
Ceci est obtenu grâce à une forte augmentation de la dispersion de chaleur sous les éléments
de construction, comme par le biais des fils soudés sur les structures TO2xy ou D2PAK. Cela
convient parfaitement aux éléments de construction SMT. Voici le résultat d‘un essai pratique :
Les fils permettant la dissipation de chaleur
des composants sont reconnus au bout
de 5 s. Échauffement de la puce de
Tu = 20 °C à Tmax pour une dissipation
thermique nominale (16,5 W / cm²) :
• point du soudure
fil F14
Dissipation de la chaleur d‘une matrice par le biais d‘un
fil Wirelaid commun dont les points de soudure se situent
sous les éléments de construction.
Tmax de gauche = 55 °C sans fils, Tmax de droite = 38 °C avec fils. La situation du
hot spot est considérablement améliorée : Selon la loi d‘Arrhenius, une température
inférieure de 17 K signifie un allongement de la longévité de facteur 4 !
9
Comparaison des coûts
Afin de pouvoir décider si la technique de cuivre épais « standard » ou celle de Wirelaid doit être appliquée à une production
en série, il est nécessaire de procéder assez tôt à de minutieuses estimations ou comparaisons de coûts.
Ci-dessous, une comparaison effectuée avec une construction régulièrement utilisée, mais avec des techniques partielles de haute intensité
différentes pour une charge de conductivité électrique identique.
6 couches : interne 210 µm / externe 70 µm  WIRELAID
Standard
ML6
Base
WIRELAID
ML6 Wire@2@5
WIRELAID
ML6 Wire@1@6
WIRELAID
ML4 Wire@2@3
35 μm
35 μm
70 μm
35 μm
2116
2116
2116
2116
2116
2116
7628
2116
2116
70 μm
7628
105 μm
210 μm
2116
70 μm
2116
0,2 mm
7628
0,2 mm
7628
210 μm
7628
70 μm
7628
2116
70 μm
2116
7628
2116
0,2 mm
2116
7628
2116
70 μm
70 μm
2116
210 μm
7628
0,2 mm
105 μm
0,2 mm
7628
70 μm
2116
210 μm
2116
7628
2116
2116
70 μm
7628
35 μm
2116
2116
2116
2116
2116
70 μm
35 μm
35 μm
Nombre de fils par panneau de production jusqu‘à l‘égalisation des coûts
1.272
1.304
Reduction de deux couches
1.404
Quelle que soit la variante employée, les avantages de prix pour les solutions partielles de haute intensité comportant la technique Wirelaid sont
indéniables. Ceux-ci s‘expliquent par l‘économie de 210 μm de cuivre sur la couche interne tout comme par la forte réduction de coûts de matériel
et de gravure. L‘avantage est uniquement réel à partir de l‘utilisation respective de 1272, 1304 et 1404 fils Wirelaid par panneau, mais l‘utilisation
de la technique standard ne vaut toujours la peine car les avantages Wirelaid se font également ressentir pour le soudage et le poids.
Pour la première variante Wirelaid (2e graphique à partir de la gauche) avec des fils sur la couche interne, un autre empilage multicouche est
nécessaire. L‘avantage en terme de coût comparé à la composition en cuivre épais est pour cette raison plus faible. La construction offre cependant
des avantages indéniables pour les layouts logiques sur la couche externe, car les fils Wirelaid sont disposés à l‘intérieur et la couche externe peut
encore être recouverte d‘une fine feuille de cuivre de 35 μm ou même de 18 μm.
Les conducteurs ultra-fins sur la couche externe peuvent ainsi être utilisés sans problèmes.
D‘autres comparaisons de coûts sont disponibles sur demande.
!
10
Lors de la suite de la fabrication du circuit imprimé,
WIRELAID simplifie fondamentalement le processus de
perçage et réduit ainsi les coûts car l‘épaisseur de
perçage du cuivre est divisée par deux au minimum !
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« En plus des qualités technologiques, nous
voulons également convaincre nos clients
des avantages de coûts réalisables »
Andreas Schilpp, responsable
solutions haute puissance
Comparaison des coûts au niveau du système
Dans le cas de systèmes complexes, les économies les plus importantes sont réalisées au niveau du système. Il est possible d‘intégrer des modules
logiques en combinant courant fort et logique sur le même circuit imprimé. On peut ainsi optimiser le système complet grâce à un circuit imprimé
WIRELAID plus simple. Ceci est illustré dans l‘exemple suivant :
Situation initiale :
Un circuit multilayer à six couches de cuivre de chacune 105 µm prend en charge les forts appels de courant. La logique est réalisée sur un module à carte mère et est reliée au circuit imprimé principal par un connecteur enfichable.
Nouvelle solution avec WIRELAID :
Les structures de conducteurs très fins sur la couche de garnissage permettent d‘intégrer entièrement le module logique. Aucune technique de
raccordement n‘est nécessaire ; tous les autres coûts du système relatifs au module et sa « liaison » n‘ont plus lieu d‘être.
Le système simplifié permet les économies suivantes (exemple de calcul) :
Solution précédente
Nouvelle solution
Circuit imprimé ML6 105 µm,
module logique et technique de raccordement
Circuit imprimé WIRELAID
ML6 wire@1
5,90 €
Système
Circuit imprimé principal
6,50 €
Module logique
1,00 €
–
Éléments d‘assemblage
2,00 €
–
Coûts d‘installation garnissage
1.000 €
500 €
Pochoirs
400 €
200 €
Test AOI
250 €
125 €
Frais de test
500 €
250 €
Frais de préparation par commande
400 €
200 €
3x
1x
Stockage et logistique
Dans cet exemple, les coûts peuvent être pratiquement divisés par deux. Le très grand potentiel d‘économies relatif aux frais d‘assemblage qui,
dans l‘absolu, jouent un rôle crucial, et particulièrement dans le cas de petites séries, est impressionnant.
D‘autres avantages spécifiques au système découlent de la quantité réduite de cuivre employé = réduction de la capacité thermique :
„„Forte simplification du processus de soudage, économie des coûts de processus des procédés de soudage spéciaux,
rendement plus important
„„Les brasages manuel et sélectif sont maintenant possibles, même pour la réparation
„„Réduction sensible du poids
11
Powerelements (plots de puissance)
Les Powerelements sont adaptés au raccordement des circuits imprimés Wirelaid. Ils peuvent être garnis de façon entièrement automatisée
en technologie SMD, utilisables jusqu‘à 50 A et fournissent des forces
de retenue et des couples élevés. En technologie Press Fit, ils sont
également disponibles pour des intensités allant jusqu‘à 300 A et jusqu‘à des filetages de raccordement M10.
Les spécifications suivantes s‘appliquent à la technologie Press Fit :
Spécification
des alésages pour les surfaces chimiques
des alésages pour les surfaces
chimiques
ø 1,60 -0,03
min. 25 μm Cu max. 60 μm
!
12
min. ø0,10
1,60 -0,03
min. 0,10
min. 25 μm Cu max. 60 μm
D‘autres informations sur les applications à courant fort
associées à la logique sont disponibles ici :
www.we-online.de/power
www.we-online.com
Spécification des alésages pour HALSpécification des alésages pour HAL
ø 1,60 -0,03
max. 15 μm Sn
min. 25 μm Cu max. 60 μm
1,60 -0,03
min. ø0,10
max. 15 μm Sn
min. 25 μm Cu max. 60 μm
Würth Elektronik France
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ZAC des Gaulnes
1861 avenue Henri Schneider
69330 Jonage · France
Tél.: +33 427 861200
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