Как технология литья под давлением печатных плат способствует проектированию компактных модулей питания для искусственного интеллекта

Однако литье печатных плат под давлением — это не просто размещение платы в пресс-форме. Успешное производство зависит от правильного позиционирования печатной платы, конструкции пресс-формы, текучести смолы, термосовместимости, электрических зазоров, выбора материала и контроля качества.

Если учесть эти факторы на ранних этапах разработки, процесс может помочь создать компактные и надежные силовые модули для серверов искусственного интеллекта, промышленных систем электропитания, оборудования для хранения энергии и высокопроизводительных вычислительных приложений.

Что такое литье под давлением печатных плат?

Литье печатных плат с закладными элементами — это специализированный вид литья с закладными элементами, при котором печатная плата, гибкая печатная плата, клеммный узел, датчик или другой электронный компонент помещаются внутрь пресс-формы до начала впрыскивания пластика.

Затем расплавленный конструкционный пластик впрыскивается вокруг выбранных участков вставки. После охлаждения материала печатная плата и формованный корпус становятся частью единой конструкции.

В зависимости от конструкции, этот процесс может использоваться для:

• Закрепите печатную плату в заданном положении.
• Сформируйте внешний корпус вокруг печатной платы.
• Создание интерфейсов разъемов и монтажных конструкций.
• Защитите отдельные электронные компоненты от влаги и вибрации.
• Встраивайте клеммы, токопроводящие штыри или резьбовые вставки.
• Уменьшите количество отдельных кронштейнов и крепежных элементов.
• Улучшить выравнивание между печатной платой, клеммами и внешним корпусом.

Компания Ming-Li Precision продемонстрировала эти возможности в проекте по созданию корпуса электронного модуля с прецизионной интеграцией печатной платы . Процесс сочетает в себе высокоточное проектирование пресс-форм, контролируемое позиционирование вставок, литье из конструкционного пластика и контроль размеров.

Почему компактные силовые модули для ИИ сложно производить?

Уменьшение размеров силового модуля не снижает его функциональных требований. Во многих случаях компактные силовые системы создают дополнительные инженерные проблемы, поскольку электрические, механические и тепловые элементы должны располагаться ближе друг к другу.

Более высокая плотность компонентов

Компактные модули могут содержать печатную плату, клеммы, токопроводящие контакты, шины, датчики, изоляционные барьеры и элементы крепления на ограниченной площади. Небольшие погрешности позиционирования могут повлиять на выравнивание разъемов, электрический контакт, точность сборки или зазор между токопроводящими компонентами.

Более жесткие требования к допускам

Печатная плата должна быть выровнена относительно литого корпуса, разъемов, шин, теплоотводящих конструкций и окружающих узлов. При отдельном изготовлении каждого компонента накопленные допуски могут привести к смещению во время окончательной сборки.

Электроизоляция

Силовая электроника требует достаточной изоляции между проводящими компонентами. Формованная конструкция должна сохранять толщину стенок, расстояние утечки, зазор и целостность материала вокруг клемм и шин.

Термическое напряжение

Системы питания с искусственным интеллектом могут работать при высоких электрических нагрузках. Многократный нагрев и охлаждение могут вызывать расширение и сжатие различных материалов с разной скоростью. Поэтому печатная плата, медные вставки, пластиковый корпус, опорная пластина и крепежные элементы должны быть спроектированы как единая система.

Повторяемость производства

Компактная конструкция может корректно работать в прототипе, но её сложно воспроизвести стабильно в серийном производстве. Положение вставок, давление смолы, деформация, облой и отклонения в размерах должны контролироваться на протяжении всего процесса формования.

Опыт компании Ming-Li Precision в области корпусов и рамок для силовых модулей включает в себя прецизионное литье, высокоэффективные конструкционные пластмассы, интеграцию металлических вставок, контроль размеров и производственную поддержку для применения в силовой электронике.

Как технология литья под давлением печатных плат способствует созданию компактных модулей

1. Это уменьшает количество отдельных деталей и занимаемое ими пространство для сборки.

Для сборки электронного модуля традиционным способом могут потребоваться подложка для печатной платы, пластиковый корпус, зажимы, винты, клеммные опоры, изоляционные прокладки и герметизирующие компоненты.

Технология литья под давлением печатных плат позволяет интегрировать несколько из этих функций в формованный корпус. Точки крепления, элементы позиционирования, интерфейсы разъемов, изоляционные стенки, ребра и защитные конструкции могут быть сформированы в течение одного цикла формования.

Сокращение количества отдельных компонентов может помочь инженерам создать более компактную сборку, а также упростить спецификацию материалов.

Уменьшение количества деталей также может привести к снижению:

• Ручная сборка
• Требования к крепежным элементам
• Накопление толерантности
• Сложность инвентаризации
• Возможности для неправильной сборки
• Перемещение между печатной платой и корпусом.

Фактическое снижение зависит от конструкции модуля. Возможность использования технологии литья под давлением печатных плат следует оценивать на этапе проектирования, а не добавлять после того, как печатная плата и корпус уже окончательно утверждены.

2. Это улучшает позиционирование печатной платы и клемм.

Точное позиционирование особенно важно, когда печатная плата должна соединяться с внешними клеммами, токопроводящими контактами, шинами, датчиками или другим модулем.

В процессе литья с закладными элементами специальные приспособления и элементы пресс-формы удерживают печатную плату или клеммный узел в заданном положении. Затем пластиковая конструкция формируется вокруг этих опорных точек.

Это создает прямую зависимость размеров между электронной вставкой и формованным корпусом. По сравнению с раздельным изготовлением и сборкой деталей, интегрированный процесс позволяет уменьшить отклонения в положении в критически важных точках соприкосновения.

К потенциальным преимуществам относятся:

• Более точное выравнивание разъемов
• Стабильная высота и расстояние между терминалами.
• Улучшена совместимость корпуса с печатной платой.
• Улучшенная повторяемость для автоматизированной сборки
• Сниженное накопление допусков
• Снижен риск смещения печатной платы после сборки.

Для компактных силовых модулей с искусственным интеллектом эти улучшения могут быть ценными, поскольку уменьшается пространство, доступное для компенсации смещения.

3. Создает интегрированную электрическую изоляцию.

Конструкционные пластмассы, используемые в силовой электронике, могут обеспечивать электрическую изоляцию, а также формировать структурные элементы вокруг проводящих компонентов.

Вставное литье может использоваться для изоляции:

• Схемы печатных плат
• Металлические клеммы
• Токопроводящие штыри
• Медные шины
• Контакты разъема
• Интерфейсы крепления

Формованный пластик позволяет создавать изолирующие стенки и контролируемое расстояние между проводящими участками. Это также может уменьшить потребность в отдельных изоляционных листах, прокладках или покрытиях.

Выбор материала остается критически важным. Необходимо оценить свойства смол по следующим параметрам: электрические характеристики, термостойкость, влагопоглощение, стабильность размеров, огнестойкость, механическая прочность и совместимость с вставкой.

Возможности компании Ming-Li Precision в области высокоточной литьевой формовки и литья под давлением охватывают сборку печатных плат, шин, клемм, кабелей, электронных компонентов и высокоэффективных материалов, таких как PPS, PBT, LCP, PA9T, PEI и PEEK.

4. Защищает чувствительные электронные компоненты.

Отдельные участки печатной платы могут нуждаться в защите от пыли, влаги, вибрации, ударов или перемещений. Защитная структура вокруг этих участков может быть создана с помощью литья под давлением или выборочного литья под давлением.

Возможные функции включают:

• Герметизация окружающей среды
• снятие натяжения
• Вибростойкость
• Усиление соединителя
• Механическая защита
• Изоляция вокруг оголённых проводников
• Стабильная поддержка датчиков и терминалов.

Необязательно покрывать печатную плату целиком. Во многих случаях литью подвергаются только отдельные участки, в то время как чувствительные к нагреву компоненты, зоны обслуживания, тепловые интерфейсы или электрические контакты остаются открытыми.

Такой избирательный подход предоставляет инженерам большую гибкость, чем полное покрытие печатной платы смолой.

5. Поддерживает интеграцию с шинами и разъемами.

Для компактного силового модуля может потребоваться объединение низковольтных цепей управления с сильноточными силовыми соединениями. Это может включать печатную плату, медные клеммы, токопроводящие контакты, шины, корпуса разъемов и металлическое конструктивное основание.

Технология литья под давлением позволяет размещать проводящие компоненты внутри изолирующей пластиковой конструкции, сохраняя при этом заданное выравнивание относительно печатной платы.

Компания Ming-Li Precision применила более широкую версию этого подхода в своем решении для интеграции крупных разъемов , которое сочетает в себе литье под давлением, литье с наплавкой, сборку печатных плат, металлические клеммы, шины и литую под давлением опорную пластину.

Такой тип многопроцессной интеграции может поддерживать силовые модули, требующие как точных электрических соединений, так и структурной устойчивости.

Ключевые инженерные проблемы в области литья под давлением печатных плат.

Устойчивость печатных плат к воздействию тепла и давления

Литье под давлением включает в себя расплавленный пластик, давление впрыска и усилие зажима. Чувствительные компоненты печатных плат могут быть повреждены, если они подвергаются воздействию чрезмерной температуры, давления или механических нагрузок.

Таким образом, размер формовочного окна должен быть установлен в соответствии со следующими требованиями:

• Подложка печатной платы
• компоновка компонентов
• Паяные соединения
• Структура разъема
• Температура обработки смолы
• Скорость и давление впрыска
• Вставьте стратегию поддержки

Вставьте устройство для перемещения во время инъекции.

Растекание смолы может привести к смещению, наклону или изгибу недостаточно надежно закрепленной печатной платы. Даже небольшое смещение может повлиять на положение разъема или электрическую функциональность.

Пресс-форма должна надежно фиксировать печатную плату, не повреждая ее поверхность или компоненты. Моделирование процесса формования также может помочь инженерам понять, где именно давление будет воздействовать на вставку.

Пластическое течение вокруг сложной геометрии

Печатная плата и её электронные компоненты создают препятствия внутри полости пресс-формы. Неправильная конструкция системы подачи расплава может привести к неполному впрыску, сварочным швам, воздушным ловушкам, неравномерной упаковке или чрезмерному давлению.

Предварительный анализ DFM и анализ Moldflow могут быть использованы для оценки расположения литниковых каналов, баланса заполнения, вентиляции, поддержки вставок, толщины стенок, охлаждения, деформации и потенциального образования облоя вокруг выводов.

Деформация и усадка материала

Печатная плата, медные вставки и формованный пластик имеют разные характеристики теплового расширения. Неравномерное охлаждение или усадка смолы могут привести к деформации и внутренним напряжениям.

Поэтому выбор материалов и охлаждение пресс-формы необходимо рассматривать в совокупности с толщиной печатной платы, геометрией корпуса, положением вставок и функциональными допусками.

Управление тепловым режимом нельзя игнорировать.

Технология литья под давлением печатных плат позволяет сделать модуль более компактным, но не заменяет необходимость в теплотехнике.

Для компонентов, работающих при высоких температурах, может потребоваться следующее:

• Радиаторы охлаждения
• Металлические опорные плиты
• Теплопроводящие материалы
• Воздушное или жидкостное охлаждение
• Контролируемые пути теплопередачи
• Отделение от чувствительных к температуре участков печатной платы.

Корпус, изготовленный методом литья под давлением, должен поддерживать тепловую архитектуру, а не удерживать тепло вокруг критически важных компонентов.

Осмотр скрытых внутренних конструкций

Многие важные элементы электронного модуля, изготовленного методом литья под давлением, невозможно осмотреть визуально. Печатная плата может быть частично закрыта, а клеммы или шины могут быть окружены пластиком.

К потенциальным скрытым дефектам относятся:

• движение печатных плат
• Вставить смещение
• Внутренние пустоты
• Неполное заполнение
• Трещины вокруг вставок
• Неправильная толщина пластиковой стенки
• Несоосность между клеммами и печатной платой.
• Внутренние зазоры на границах раздела материалов

Компания Ming-Li Precision использует 3D-сканирование с помощью рентгеновской компьютерной томографии ZEISS для неразрушающего анализа внутренних структур. Данные КТ позволяют проверять положение имплантатов, измерять внутренние размеры, анализировать пустоты, оценивать толщину стенок, контролировать поперечное сечение и сравнивать результаты с данными САПР.

При наличии в формованном изделии активных схем или силовых соединений контроль размеров следует сочетать с электрическим и функциональным тестированием.

От разработки до массового производства

Успешный проект по литью печатных плат под давлением обычно начинается еще до того, как будет определена окончательная геометрия модуля.

Процесс разработки может включать в себя:

1. Проверка компоновки печатной платы и зазоров между компонентами.
2. Определение того, какие участки следует подвергать воздействию плесени, а какие должны оставаться открытыми.
3. Оценка совместимости смолы и печатной платы.
4. Разработка элементов для фиксации и позиционирования вставок.
5. Выполнение анализа DFM и Moldflow.
6. Изготовление прецизионных инструментов
7. Создание стабильного формовочного окна
8. Проверка внутренних и внешних размеров
9. Проведение электрической и функциональной проверки.
10. Подготовка автоматизации к повторяемому массовому производству.

Такой комплексный подход к разработке уже был применен компанией Ming-Li Precision при производстве высокопроизводительного корпуса силового модуля для тайваньского поставщика услуг контрактного производства электроники, обслуживающего крупную американскую компанию, занимающуюся технологиями искусственного интеллекта .

Данный проект отражает важность точности размеров, электрической изоляции, термической стабильности, литья под давлением, передовой оснастки и повторяемости производства в силовой электронике, связанной с искусственным интеллектом.

Подходит ли технология литья под давлением печатных плат для всех модулей питания искусственного интеллекта?

Технология литья под давлением печатных плат не является универсальной и подходит для всех видов продукции.

Этот метод наиболее ценен, когда конструкция требует тесной интеграции между печатной платой, корпусом, клеммами, разъемами, датчиками или изоляционными конструкциями. Он может быть менее подходящим, когда компоненты не выдерживают температур формования, требуется частый ремонт или замена, или когда модулю необходим беспрепятственный доступ тепла.

Перед выбором процесса инженерам следует оценить следующее:

• температурные пределы компонентов печатной платы
• Устойчивость к давлению впрыска
• Требуемая работоспособность
• Расстояние между электродами изоляции
• Пути рассеивания тепла
• Объём производства
• Допуск положения вставки
• Совместимость материалов
• Требования к проверке

Заключение

Для создания компактного силового модуля для искусственного интеллекта требуется нечто большее, чем просто уменьшение внешних размеров корпуса. Печатная плата, клеммы, шины, разъемы, изоляция, тепловые интерфейсы и конструктивные элементы должны работать вместе как единая система.

Технология литья под давлением печатных плат может способствовать достижению этой цели за счет сокращения количества отдельных компонентов, улучшения выравнивания компонентов, интеграции изоляционных структур, защиты отдельных электронных областей и упрощения сборки.

Однако успех зависит от заблаговременного анализа DFM (проектирование для производства), точного проектирования пресс-форм, контроля параметров формования, подходящих материалов и проверки как видимых, так и скрытых элементов.

Компания Ming-Li Precision предоставляет комплексную поддержку в области прецизионной оснастки, литья печатных плат и металлических вставок, литья под давлением, изготовления корпусов и рамок силовых модулей, анализа DFM и Moldflow, компьютерного контроля, сборки и серийного производства.