Conception de la densité de puissance pour les fournitures de polymérisation UV des circuits imprimés

Conception de la densité de puissance pour les fournitures de polymérisation UV des circuits imprimés

Abstract

Une chambre de polymérisation de circuits imprimés, initialement de 8 kW dans un volume de 2 m, doit désormais fournir 16 kW dans le même encombrement, chaque centimètre cube d'alimentation étant crucial. Cet article définit la densité de puissance, la capacité du bus DC, les pertes du condensateur, la température du point chaud et la fréquence de résonance propre du filtre pour cette alimentation, identifie quatre points critiques et propose six étapes de conception. Un composant de 2 W nécessite 3.9 cm² de cuivre pour rester sous les 85 °C.

1. Introduction

La fabrication des circuits imprimés consomme de l'énergie UV en deux étapes : le durcissement du vernis épargne et le collage de la couche de protection ou d'un adhésif pour les circuits flexibles. Ces deux étapes nécessitent une dose uniforme et reproductible sur toute la surface du panneau, et toutes deux évoluent vers des systèmes de durcissement sur convoyeur qui permettent un fonctionnement plus rapide et un encombrement réduit.

Il en résulte une augmentation de la densité de puissance. Une chambre de polymérisation qui fournissait 8 kW dans un volume de 2 m en 2015 doit désormais fournir 16 kW dans le même encombrement, ou la même puissance de 8 kW dans un volume deux fois plus petit.

Chaque centimètre cube est convoité par le transformateur, le dissipateur thermique, l'inductance, les batteries de condensateurs et la lampe ou la tête LED. La batterie de condensateurs étant le composant passif le plus volumineux, son encombrement détermine la conception mécanique.

Sur ce marché, la densité de puissance se mesure en mètres de convoyeur et en mètres carrés de surface au sol. Une machine qui délivre la même énergie de polymérisation dans une enceinte 20 % plus compacte permet d'intégrer une ligne supplémentaire sans endommager l'espace disponible.

2. Mécanisme de base

2.1 Densité de puissance et volume contesté

Le facteur de mérite de l'alimentation dépend de la puissance de sortie et du volume du boîtier :

P_density = P_out / V_enclosure

où P_densité est la densité de puissance en watts par mètre cube, P_out la puissance de sortie en watts et V_enceinte le volume de l'enceinte en mètres cubes.

Une alimentation de 8 kW dans un compartiment de 300 cm³ fonctionne à 26.7 W/cm³. Doubler la puissance dans le même compartiment la porte à 53.3 W/cm³, et le banc de condensateurs doit maintenir sa température à cette densité.

2.2 Capacité du bus DC à partir de la marge d'ondulation

La capacité de maintien dépend de la puissance de charge, de la fréquence d'ondulation, de la tension du bus et de l'ondulation admissible :

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

où C_dc est la capacité requise en farads, P_out la puissance de sortie, f_ripple la fréquence d'ondulation, V_bus la tension du bus et ΔV la tension d'ondulation autorisée.

À 8 kW, avec une ondulation de 100 Hz, un bus de 400 V et une ondulation admissible de 8 V, la capacité requise est de 12.5 mF. Doubler l'ondulation admissible à 16 V la divise par deux, à 6.25 mF, ce qui semble représenter un gain de volume jusqu'à ce que le courant d'ondulation et la résistance série équivalente (ESR) entrent en jeu dans le calcul.

2.3 Dissipation du condensateur

La banque dissipe son courant d'ondulation dans l'ESR de chaque position parallèle :

P_C = I_ripple² × ESR

où P_C est la dissipation dans un condensateur en watts, I_ripple le courant d'ondulation RMS à travers cette partie en ampères, et ESR sa résistance série équivalente à la fréquence d'ondulation en ohms.

Six positions, chacune supportant un courant efficace de 5 A et une résistance de 80 mΩ, dissipent 2 W chacune, soit 12 W pour l'ensemble du banc. Cette chaleur s'évacue par la surface de montage ; l'encombrement du banc et ses pertes sont donc liés.

2.4 Température du point chaud dans une armoire étanche

Le point chaud suit la dissipation et les deux moitiés du trajet thermique :

ΔT = P_C × (R_th_internal + R_th_mounting)

où ΔT est l'élévation de température du point chaud au-dessus de la température ambiante locale en kelvins, P_C la dissipation en watts, R_th_internal la résistance interne de la pièce et R_th_mounting la résistance de la carte et du montage.

Réduire de moitié l'encombrement double la résistance de montage. Dans une armoire étanche de 3 L, six composants de 2 W augmentent la température ambiante locale de 15 à 20 K, ce qui entraîne une hausse de la température de référence et une dégradation des conditions de montage.

2.5 Auto-résonance du filtre et bande conduite

Les condensateurs du filtre d'entrée doivent fonctionner sur toute la bande d'émission conduite, et leur auto-résonance détermine à partir de quel moment ils cessent de fonctionner :

f_SRF = 1 / (2π × √(ESL × C))

où f_SRF est la fréquence d'auto-résonance en hertz, ESL l'inductance du boîtier et de la connexion en henrys et C la capacité en farads.

Un composant de 100 nF avec une inductance de 2 nH résonne à 11.3 MHz, couvrant ainsi la majeure partie de la bande passante de 150 kHz à 30 MHz. Un composant à fils de 20 nH résonne à 3.6 MHz ; au-delà de cette fréquence, le condensateur se comporte comme une inductance et le filtre cesse d'atténuer.

Fig. 1 — Un condensateur de 2 W sur un support de 2 cm² atteint 104 °C dans une armoire scellée à 60 °C, et 3.9 cm² de cuivre le maintiennent sous la limite de 85 °C.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : L’empreinte contre la perte

Les concepteurs choisissent le plus petit condensateur compatible avec la carte, puis constatent lors du prototypage que le composant chauffe de 40 K. L'ondulation nominale indiquée dans la fiche technique a été mesurée à l'air libre, et non à l'intérieur d'un boîtier exigu et encapsulé à une température ambiante de 60 °C.

La procédure de récupération implique une refonte et un retard dans le calendrier. Ces deux problèmes sont évitables si la résistance thermique de montage est prise en compte lors de la sélection, car la surface de cuivre sous le composant détermine cette valeur.

Point faible n° 2 : Capacité dépendante de la polarisation dans les composants compacts de classe II

Pour réduire l'encombrement, les concepteurs utilisent des composants X7R ou Y5V à haute permittivité, qui perdent de 50 % à 80 % de leur capacité nominale sous polarisation continue. La tension d'ondulation dépasse alors la valeur admissible de 2 à 4 fois.

Les symptômes sont un scintillement des LED, une modulation de la puissance de la lampe et des déclenchements intempestifs du circuit de contrôle, alors que le schéma d'implantation semble correct. Un diélectrique dense de classe I conserve ses propriétés, le boîtier choisi se comporte donc comme prévu.

Point faible n° 3 : Couplage thermique entre la banque et les éléments magnétiques

Dans un système dense, les condensateurs du bus DC sont situés à proximité du transformateur. Six composants absorbant chacun 2 W dans un volume scellé de 3 L élèvent la température ambiante locale de 15 à 20 K.

Chaque composant se rapproche alors de sa courbe de dégradation, et la règle des 10 degrés transforme une élévation de température ambiante de 20 K en une perte de 75 % de la durée de vie du condensateur. Le couplage doit être mesuré, et non supposé.

Point sensible n° 4 : Vibrations et contraintes mécaniques sur une ligne de convoyage

Les lignes de polymérisation automatisées vibrent. Les gros condensateurs à bornes à vis, avec leur corps lourd, fléchissent la carte et les joints de soudure ; une fissure au niveau d’une borne se manifeste par un contact intermittent difficile à diagnostiquer.

La fissure s'étend sous l'effet des cycles thermiques et des vibrations. Le support mécanique, les entretoises et le revêtement conforme permettent de résoudre ces deux problèmes simultanément, pour un coût inférieur à celui d'un retour sur site.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Fixer une limite de perte par composant

Avant le placement des composants, calculez la puissance du condensateur (P_C) = I_rms² × ESR pour chaque emplacement de condensateur à la température la plus défavorable. Prévoyez 2 W par composant dans une conception ventilée et 0.5 W dans un module scellé, soit 0.25 W/cm² sur une surface de 2 cm².

Choisissez d'abord la classe diélectrique, puis le boîtier. La classe détermine la résistance série équivalente (ESR) et donc les pertes, tandis que le boîtier détermine le chemin thermique qui doit les dissiper.

Stratégie 2 : Standardiser sur un diélectrique de classe I

Installez N4700 Diélectrique de classe I pour tous les sites critiques en fréquence et à forte ondulation. Le coefficient de ±30 ppm/°C et le facteur de dissipation inférieur à 0.1 % garantissent que le boîtier choisi à 25 °C présente les mêmes caractéristiques à 85 °C et sous polarisation maximale.

Cela élimine la spirale de déclassement caractéristique des conceptions de classe II, où un composant sélectionné pour sa capacité nominale doit être remplacé par un composant de capacité supérieure une fois la courbe de polarisation appliquée. Ce simple changement permet un gain de volume de 30 à 50 %.

Stratégie 3 : Petites pièces en parallèle au niveau de la liaison CC

Quatre condensateurs de 10 nF à faible ESL répartissent la chaleur sur quatre points de montage et divisent par quatre le courant par composant. Le volume total reste similaire, et la zone de surchauffe ainsi que les contraintes mécaniques diminuent.

Chaque composant dissipe également 1/16 de la chaleur d'un seul grand composant soumis au même courant total. HVCT8G parties où le montage nécessite un support mécanique.

Stratégie 4 : Concevoir le chemin thermique en fonction du chemin électrique

Placez le banc de composants du côté de l'entrée d'air du boîtier, ajoutez des pistes de cuivre sous chaque composant et utilisez des vias thermiques jusqu'au côté opposé de la carte. Cette combinaison permet de réduire la température des points chauds de plus de 10 K sans augmenter le coût des composants.

Avant l'encapsulation, comparer la température du point chaud mesurée à la valeur nominale. Un module encapsulé ne pouvant être retravaillé, le chemin thermique doit d'abord être vérifié sur un module non scellé.

Stratégie 5 : Vérifier par imagerie thermique avant le scellement

Réalisez un prototype du circuit final, faites-le fonctionner à pleine puissance pendant 30 minutes et enregistrez la température du point chaud à chaque emplacement de condensateur. Modifiez le circuit si la température d'un composant dépasse 85 °C.

Effectuez le cycle de polymérisation à pleine puissance de la lampe pendant huit heures et enregistrez les positions par thermographie toutes les heures. L'évolution sur huit heures révèle les paramètres de couplage qui n'ont pas encore été atteints après 30 minutes de fonctionnement.

Stratégie 6 : Qualifier conjointement les vibrations et le soudage

Utilisez des bornes à vis ou des composants traversants avec support mécanique pour les condensateurs les plus lourds et incluez un test de cycle thermique et de vibration dans le plan de qualification. résistance à couche épaisse , l’aspect économique Diode redresseur Les articulations voisines nécessitent le même traitement, car leurs joints se fissurent sous la même contrainte.

Ajouter un condensateur à film Le courant du bus DC présente une composante basse fréquence importante. La partie à film absorbe l'ondulation globale et la couche céramique absorbe la composante haute fréquence, ce qui permet de répartir les pertes et l'encombrement.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	< 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	< 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	> 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	> 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs compacts HVC pour fournitures de polymérisation de circuits imprimés

Trois exigences déterminent cette alimentation : une densité de capacité sans déclassement dû à la polarisation, des pertes suffisamment faibles pour une armoire étanche et une robustesse mécanique sur une ligne de production. HVC fabrique des condensateurs de 1 kV à 100 kV dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan.

Six paramètres importants ici

• Diélectrique de classe I qui intègre une densité de capacité élevée dans un petit boîtier sans déclassement de polarisation, ce qui réduit le volume des étages de liaison CC et de déclenchement de 30 % à 50 %.
• Facteur de dissipation inférieur à 0.1 % à 1 kHz, ce qui maintient l'auto-échauffement au niveau le plus bas que peut offrir la technologie céramique et permet d'atteindre une limite de 0.5 W par pièce dans une armoire étanche.
• Une gamme de 1 kV à 100 kV dans une seule famille, de sorte que les composants de liaison 400 VDC et les composants de déclenchement 4 kV partagent un seul processus et un seul fichier de qualification.
• Décharge partielle inférieure à 5 pC à 1.2 fois la tension nominale, ce qui protège les zones haute tension de l'érosion dans l'atmosphère riche en ozone d'une chambre de polymérisation.
• Coefficient de température de ±30 ppm/°C, de sorte qu'une machine qui calibre la puissance de sa lampe au démarrage à froid délivre la même dose à la fin d'un quart de travail de huit heures.
• L'ESL est inférieure à 8 nH sur une corde de connexion de 40 mm, de sorte qu'un filtre de 100 nF résonne à 11.3 MHz et atténue sur toute la bande passante. Les composants HVC correspondent aux paramètres électriques et aux dimensions de Murata Condensateurs à vis utilisés dans les programmes de réparation sur le terrain.

Livraison et support

Les composants standard sont expédiés sous 4 à 8 semaines, et les kits de batteries appariés sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge la sélection de l'encombrement, le calcul des pertes et la modélisation thermique de l'enceinte.

Veuillez envoyer le profil de courant d'ondulation, le modèle thermique du boîtier, la densité de puissance cible et le schéma de montage. HVC vous fournira sous deux semaines un plan de condensateurs optimisé en termes d'encombrement, incluant le calcul des pertes, la surface de montage par composant et un rapport de test de décharge partielle, ainsi que des échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Comment dimensionner la capacité du bus DC pour une armoire de 16 kW ?

À partir de la tolérance d'ondulation : C_dc = P_out / (2 × f_ripple × V_bus × ΔV). Pour une puissance de 8 kW, une fréquence de 100 Hz, une tension de 400 V et une ondulation de 8 V, la valeur est de 12.5 mF. Les pertes et la surface de montage déterminent ensuite la répartition de cette capacité.

Q2 : Pourquoi la réduction de moitié de l'empreinte écologique augmente-t-elle la température ?

En effet, la résistance de montage (R_th_mounting) double lorsque la surface de cuivre est divisée par deux. Dans une armoire étanche de 3 L, la température ambiante locale augmente également de 15 K à 20 K à cause de six composants de 2 W ; par conséquent, les deux termes de ΔT = P_C × (R_th_internal + R_th_mounting) augmentent simultanément.

Q3 : Quelle surface de carte un condensateur de 2 W nécessite-t-il ?

Environ 3.9 cm². Dans une enceinte à 60 °C avec une résistance interne de 2 kW/W, un composant de 2 W sur une surface de 2 cm² atteint 104 °C, et la limite de température du corps (85 °C) est atteinte sur une surface de 3.9 cm². Agrandir la surface de coulée est moins coûteux que d'ajouter un ventilateur.

Q4 : Pourquoi une pièce de classe II ne parvient-elle pas à atteindre l’objectif de propagation ?

En effet, elle perd de 50 % à 80 % de sa capacité nominale sous polarisation continue. La tension d'ondulation atteint alors 2 à 4 fois la valeur admissible, ce qui se traduit par un scintillement de la LED, une modulation de la puissance de la lampe et des déclenchements intempestifs du circuit de contrôle.

Q5 : Comment la banque doit-elle être disposée dans un module scellé ?

Quatre condensateurs de 10 nF en parallèle au lieu d'un seul gros composant. Chacun supporte un quart du courant et un seizième de la dissipation, la chaleur se répartit sur quatre points de fixation et la contrainte mécanique sur chaque joint diminue avec la masse du corps.

Q6 : Que doit vérifier l’étude thermique avant l’enrobage ?

Chaque condensateur est testé à pleine charge, d'abord pendant 30 minutes, puis toutes les heures pendant un cycle de polymérisation de huit heures. Toute pièce dont la température dépasse 85 °C nécessite une modification de son agencement, et l'étape d'enrobage rend toute modification ultérieure impossible.

7. Références

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Principes fondamentaux de l'ingénierie haute tension, 2e éd., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Électronique de puissance : convertisseurs, applications et conception, 3e éd., Wiley, 2003.
3. Avis MIL-HDBK-217F 2, Prédiction de la fiabilité des équipements électroniques 1995.
4. CEI 60384-1:2021, Condensateurs fixes pour équipements électroniques - Partie 1 : Spécifications générales, 6e éd. Genève : CEI, 2021.
5. CEI 61071:2017, Condensateurs pour l'électronique de puissance, 2e éd. Genève : CEI, 2017.
6. H. Wang et F. Blaabjerg, Fiabilité des condensateurs pour les applications de liaison CC dans les convertisseurs d'électronique de puissance — Un aperçu, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 5, pp. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
7. D. Li, Y. Zhong, X. Zhou et G. Zhai, Méthode d'analyse de la rupture des condensateurs céramiques multicouches par le champ de phase, 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. Séries ST1, ST2 et ST3 Condensateur céramique haute tension Combos, Dean Technology, https://www.deantechnology.com/st1-st2-st3-series-high-voltage-ceramic-capacitor-stacks/ .
9. Condensateurs d'amortissement IGBT MKRS (condensateurs à film), Exxelia, https://exxelia.com/en/product/detail/771/mkrs .
10. GB/T 17702-2021, 电力电子电容器. Publié : 中国标准出版社, 2021.
11. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Ressources techniques sur les condensateurs céramiques haute tension, https://www.hv-caps.com