一种大功率PCB螺栓承压区电镀填铜过孔的参数优化方法与流程

本发明涉及大功率电力电子印制电路板设计与优化，具体涉及一种大功率pcb螺栓承压区电镀填铜过孔的参数优化方法。

背景技术：

1、大功率pcb螺栓承压区电镀填铜过孔的参数优化是指针对sst固态变压器等大功率电力电子设备中功率管采用螺栓压紧方式与pcb功率焊盘连接时所形成的局部高机械载荷、大电流及高热流密度区域，对布设于螺栓承压焊盘内或对应承压区域的电镀填铜过孔的孔径、孔间距、过孔数量、阵列规模及排列方式等结构参数进行合理选取和组合设计，使这些过孔在内部通过全孔电镀填铜形成无空腔的致密实心铜柱后，既能够作为贯通pcb表层功率焊盘、中间多层导电铜层以及底层散热导电铜层的低阻抗导电、导热通路，又能够在pcb厚度方向形成多个分布式刚性支撑点，从而提高螺栓压紧区域抵抗锁紧扭力、局部压缩变形以及长期高频振动的能力；具体而言，实心铜柱过孔的孔径优选为0.2mm-0.4mm，其目的在于既保障电镀填铜加工良率，又不占用过多pcb布线空间，相邻过孔中心间距优选不低于0.5mm，阵列可采用4×4或5×5矩阵，同时又不局限于上述矩阵规格，而可以根据承压大焊盘尺寸、螺栓规格及功率模块装配结构调整过孔数量和几何排列方式；例如具体结构可以采用5×5矩阵、单个过孔孔径0.3mm、相邻过孔中心间距0.6mm，各过孔完全填充金属铜形成实心铜柱并垂直贯通pcb表层、中层功率铜层和底层散热铜层。

2、因此，参数优化并不是单纯追求过孔越大、数量越多越好，而是在电镀填铜加工可实现性、pcb空间占用、导电载流能力、纵向散热能力以及螺栓承压区域机械刚度之间进行综合平衡，通过优化孔径、间距和阵列规模，使多个实心铜柱在螺栓承压区域形成兼具导电通道、导热通道和机械支撑柱作用的阵列结构，从而针对传统空心通孔仅依靠孔壁薄层铜体实现导电导热以及螺栓压紧位置容易出现铜皮压溃、起皮、滑移、板材分层开裂等问题，实现大功率pcb螺栓连接区域在电气性能、热性能和机械承压可靠性方面的协同改善。

3、现有技术存在以下不足：在功率管通过锁紧螺栓压接于pcb功率焊盘的过程中，通常会根据pcb处于未受压状态时的导电特性，对电镀填铜过孔的孔径、孔距、阵列数量等参数进行优化，并依据各实心铜柱的预期分流能力确定相应参数。然而，当锁紧螺栓对功率管电极端面施加压紧作用时，螺栓压紧载荷将改变功率管电极端面在承压焊盘上的实际接触状态，使电流进入承压焊盘的位置及分布范围发生变化，进而导致矩阵式电镀填铜过孔中的电流重新分配。此时，部分原本仅承担较小分流电流的实心铜柱可能转变为主要载流通道，使局部铜柱的电流密度明显升高，导致不同铜柱之间出现较大的载流差异，严重时还会造成局部导通损耗增大、异常温升等问题。因此，依据pcb未受压状态确定的最优孔径、孔距及阵列数量难以准确反映功率管实际螺栓压紧状态下的导电需求，容易导致电镀填铜过孔参数优化结果出现偏差。

4、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大功率pcb螺栓承压区电镀填铜过孔的参数优化方法，以解决上述背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大功率pcb螺栓承压区电镀填铜过孔的参数优化方法，包括以下步骤：

3、采集功率管经锁紧螺栓压接于pcb承压焊盘状态下多个采样位置的压降幅值，计算相邻采样位置之间的压降梯度，按照压降梯度的空间分布对pcb承压焊盘进行区域划分，确定各电流注入区域；

4、利用各电流注入区域对应的压降梯度计算局部电流密度，并按照局部电流密度在pcb承压焊盘上的分布确定电流集中区域，获取电流集中区域对应的电流密度分布；

5、按照电流集中区域对应的电流密度分布确定各位置电镀填铜过孔内实心铜柱的目标载流量，并按照不同位置实心铜柱的目标载流量确定对应的孔径差值，获得与局部载流需求匹配的实心铜柱孔径参数；

6、参照各位置实心铜柱的孔径差值调整相邻实心铜柱之间的中心间距，并按照各位置实心铜柱的目标载流量配置电镀填铜过孔阵列的局部疏密程度，确定不同位置对应的中心间距参数；

7、依据电镀填铜过孔阵列的局部疏密程度及不同位置对应的中心间距参数确定各位置的电镀填铜过孔数量，输出与功率管锁紧状态下电流分布相适配的电镀填铜过孔孔径参数、中心间距参数及过孔数量，完成大功率pcb螺栓承压区电镀填铜过孔的参数优化。

8、优选的，多个采样位置沿相互交叉的第一空间方向和第二空间方向连续布置，将具有连续位置关系的两个采样位置确定为空间相邻采样位置，选取pcb承压焊盘对应的电流输出位置作为统一电位参考位置，分别采集各采样位置与统一电位参考位置之间的压降幅值，根据空间相邻采样位置对应压降幅值的变化量及二者之间的实际距离确定压降梯度，并按照两个采样位置之间的电位下降方向确定压降梯度的空间方向，获得压降梯度的空间分布。

9、优选的，压降梯度的空间分布按照全部压降梯度对应的取值范围划分为多个连续且互不重叠的压降梯度区间，每一压降梯度区间对应一个梯度等级，将空间连续、梯度等级一致且压降梯度方向具有连续传递关系的采样位置归入同一电流注入区域；空间相邻采样位置对应不同梯度等级时，以二者之间的位置确定区域分界，梯度等级一致而压降梯度方向分别指向不同电流传输范围时，以方向转换位置确定区域分界，从而获得各电流注入区域对应的空间边界。

10、优选的，各电流注入区域对应的压降梯度用于确定局部电势变化率，并结合pcb承压焊盘对应的电导率确定各采样位置的局部电流密度；具有第一空间方向压降梯度和第二空间方向压降梯度的采样位置分别取得第一空间方向局部电流密度分量和第二空间方向局部电流密度分量，通过两个方向的局部电流密度分量确定对应采样位置的局部电流密度及电流传输方向，将各采样位置对应的局部电流密度按照空间位置排列，得到pcb承压焊盘的局部电流密度空间分布。

11、优选的，局部电流密度空间分布中的电流密度分界值由初始孔径参数对应的实心铜柱允许载流量及初始中心间距参数对应的单个实心铜柱载流分配范围共同确定，将局部电流密度达到电流密度分界值且空间连续的采样位置对应范围确定为电流集中区域，彼此分离的连续范围分别确定为不同电流集中区域；各电流集中区域保留采样位置对应的局部电流密度、局部电流密度方向、空间邻接关系以及两个空间方向对应的电流密度变化关系，得到对应的电流密度分布。

12、优选的，电流集中区域对应的电流密度分布按照实心铜柱候选中心位置划分多个载流分配范围，相邻候选中心位置之间的中间位置作为载流分配范围的分界位置；根据各载流分配范围边界对应的局部电流密度、有效传输范围及电流传输方向，分别确定进入载流分配范围的流入电流量以及沿pcb承压焊盘平面方向离开载流分配范围的面内流出电流量，以流入电流量扣除面内流出电流量所得电流需求作为垂向分流需求，并将垂向分流需求配置给对应实心铜柱确定目标载流量。

13、优选的，实心铜柱的目标载流量与预设允许电流密度共同确定承担目标载流量需要的最小有效导电截面积，并按照实心铜柱有效导电截面积与孔径之间的对应关系，从依次排列的第一孔径级次、第二孔径级次、第三孔径级次及后续孔径级次中选取允许载流量能够覆盖目标载流量的最小孔径级次作为对应位置的实心铜柱孔径参数；目标载流量超过最大孔径级次对应允许载流量时，将对应垂向分流需求配置给两个以上实心铜柱，通过过孔数量承担超出单个实心铜柱允许载流量的电流需求。

14、优选的，不同位置实心铜柱对应孔径参数之间的数值差确定为孔径差值，根据相邻两个实心铜柱的实际孔径参数及预设最小间隔确定允许采用的最小中心间距；多个中心间距级次按照中心间距由小至大的顺序排列，先排除小于最小中心间距的中心间距级次，再按照相邻位置对应的目标载流量从剩余中心间距级次中选取实际中心间距参数；相邻两个实心铜柱对应不同目标载流量时，以承担电流量大的目标载流量对应中心间距级次作为初始选择，并按照最小中心间距完成中心间距级次调整。

15、优选的，电镀填铜过孔阵列的局部疏密程度由单位配置范围对应的电镀填铜过孔数量及相邻实心铜柱中心间距共同确定，目标载流量大的连续位置选取满足最小中心间距条件且数值小的中心间距级次，目标载流量小的连续位置选取数值大的中心间距级次；同一电流集中区域中具有相同孔径级次及相同中心间距级次的连续空间范围确定为一个过孔配置范围，孔径级次或中心间距级次发生改变的位置作为相邻过孔配置范围之间的边界，以各过孔配置范围对应的空间边界确定局部疏密配置区域。

16、优选的，各过孔配置范围按照对应中心间距参数沿第一空间方向和第二空间方向排列电镀填铜过孔候选中心位置，将满足最小中心间距条件的候选中心位置确定为有效过孔位置，并根据有效过孔位置数量确定初始电镀填铜过孔数量；将对应孔径参数产生的实心铜柱允许载流量进行汇总，总允许载流量小于目标载流需求时，通过增加有效过孔位置、调整中心间距级次及调整孔径级次改变对应位置的载流能力，最终输出各位置对应的电镀填铜过孔孔径参数、中心间距参数及过孔数量。

17、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

18、本发明通过采集功率管经锁紧螺栓压接状态下多个采样位置的压降幅值，将螺栓锁紧后形成的实际电流传输状态引入电镀填铜过孔参数优化过程，并通过压降梯度逐步确定电流注入区域和局部电流密度，进一步识别电流集中区域及其电流密度分布，从而将锁紧作用引起的局部电流变化转化为可用于过孔参数配置的载流需求。由此减少按照预设均匀电流分布进行参数配置产生的偏差，降低局部实心铜柱承担过量电流而引起的导通损耗和温升风险，提高电镀填铜过孔配置与功率管实际锁紧工作状态之间的适配性。

19、本发明将电流集中区域对应的电流密度分布进一步转换为不同位置实心铜柱的目标载流量，并通过目标载流量确定孔径差值，在孔径对应的空间约束范围内调整相邻实心铜柱的中心间距，进而形成与局部载流需求对应的过孔阵列疏密分布，并据此确定各位置的电镀填铜过孔数量。该参数传递方式能够将单个实心铜柱的载流能力与区域内过孔数量协同纳入优化过程，在电流需求集中的位置配置相应载流能力，在其他位置减少非必要的过孔配置，从而改善过孔阵列内部的电流分担状态，降低局部电流集中程度，并提升pcb承压区域的载流利用效率和持续工作可靠性。