Mit den Fortschritten in den Sozialwissenschaften und der Haushaltstechnik steigen die Erwartungen der Nutzer an die Zuverlässigkeit elektronischer Produkte. Verbraucher erwarten von ihren Produkten heute eine bessere Wärmeleitfähigkeit, höhere Spannungstoleranz und verbesserte Leistung unter extremen Betriebsbedingungen. Insbesondere Kupferleiterplatten erfüllen diese Erwartungen und sind daher ein wichtiger Bestandteil von 5G-Tankstellen, der Luft- und Raumfahrt sowie militärischen Anwendungen.
Mit dem Wachstum der Elektrofahrzeugherstellung und der industriellen Automatisierung besteht bei den Herstellern dieser Produkte ein großer Bedarf an Leiterplatten, die hohe Leistungsdichten und intensive Wärmeentwicklung bewältigen können.
Angesichts der kritischen Natur dieser Komponenten stellen diese Leiterplatten eine vielversprechende Lösung dar, die höhere Effizienz, geringeren Wartungsaufwand und Ausfallsicherheit gewährleistet. Dieser Artikel untersucht Dickkupfer-Leiterplatten, ihre Anwendungen sowie Designüberlegungen zur Vermeidung häufiger Probleme während ihrer Entwicklung.
Was ist eine Dickkupfer-Leiterplatte?
Dabei handelt es sich um eine Leiterplatte mit mehrschichtigen Strukturen und dickeren Kupferleiterbahnen als bei herkömmlichen Leiterplatten. Während herkömmliche Leiterplatten Kupferschichten von etwa 1 oz/ft² verwenden, beginnen dicke Kupferleiterplatten bei 3 oz/ft² und können bis zu 20 oz/ft² oder mehr erreichen.
In modernen elektrischen Schaltkreisen sorgt eine geeignete Kupferleiterplattendicke für:
● Höhere Strombelastbarkeit
● Geringerer elektrischer Widerstand
● Reduzierter Spannungsabfall entlang der Leiterbahnen
● Niedrigere Impedanz
● Minimaler Signalverlust und Verzerrung
Wann sollte man dicke Kupferleiterplatten verwenden?
Verwenden Sie diese Leiterplatten in Anwendungen, die mechanische Festigkeit, hohe Leistungsdichte und Haltbarkeit unter rauen Bedingungen erfordern.
Darüber hinaus verstärken sie die elektrischen Schaltkreisschichten in Systemen, die ein angemessenes Wärmemanagement erfordern, wie etwa EV-Schaltkreise.
Warum schwere Kupferleiterplatten verwenden?
Diese Leiterplatten bilden einen niederohmigen Pfad für Ströme in Geräten, die zu viel Strom verbrauchen. Dies erhöht die Effizienz und verringert das Risiko eines Durchbrennens. Beispielsweise kann eine Leiterplatte mit einer Kupferdicke von 3 oz über einen Zeitraum von 10 Jahren Ströme von 20 bis 10 Ampere übertragen. Bei Anwendungen mit einer Dicke von 50 oz überträgt sie sogar über 10 Ampere.
Darüber hinaus sind sie langlebig und bieten während des Betriebs eine hervorragende mechanische Festigkeit, da sie Belastungen wie Biegung oder Vibration standhalten.
Was die Kosten betrifft, reduzieren sie die Anzahl der Reparaturen und Ersetzungen bei abgelegenen Infrastrukturen wie Windturbinen und netzunabhängigen Solarstromsystemen, deren Wartung zeitaufwändig und teuer ist.
Darüber hinaus ermöglichen Dickkupfer-Leiterplatten den Aufbau fortschrittlicher elektrischer Schaltungen auf einer einzigen Platine, ohne die Strombelastbarkeit zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht die Herstellung kleinerer Systeme im Vergleich zu Standard-Leiterplatten, die zusätzliche Materialien benötigen, um die gleiche Leistung zu liefern.
Wofür werden Leiterplatten aus schwerem Kupfer verwendet?
Sie werden in der Automobilindustrie in Batteriemanagementsystemen (BMS) für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Diese Systeme benötigen dicke Kupferleiterplatten zur Stromversorgung. Ihre Kupferleiterbahnen bieten einen niederohmigen Pfad, der Überhitzungsprobleme beim Stromdurchfluss verhindert.
Auch bei Anwendungen für erneuerbare Energien wie Solarwechselrichtern regelt die Leiterplatte die Umwandlung von Sonnenenergie in nutzbaren Wechselstrom. Gleichzeitig steuert sie effizient die Speicherkondensatoren in Windkraftanlagen, um unerwünschten Wärmestau zu verhindern.
In Rechenzentren und 5G-Basisstationen ermöglichen dicke Kupferleiterplatten eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und lösen so die Probleme der Wärmeentwicklung bei Hochfrequenzsignalübertragungen. Auch Militär- und Luftfahrtgeräte profitieren davon, da diese Leiterplatten die in der Schaltung verwendeten Rheostate und Widerstände sicher steuern.
Auch in medizinischen Geräten kommen schwere Kupferleiterplatten zum Einsatz. Sie sorgen für eine stabile Stromverteilung in Geräten wie Defibrillatoren oder MRT-Geräten.
Darüber hinaus werden sie in autonomen Fahrzeugsystemen (AV) eingesetzt, um die Navigation und die Computer-Armaturenbretter mit Strom zu versorgen.
Welche Designüberlegungen gibt es für eine Leiterplatte aus dickem Kupfer?
Faktoren wie Leiterbahnbreite, Kupferdicke der Leiterplatte und Substratmaterial wirken sich direkt auf die Effektivität dickerer Leiterplatten aus.
Kupferdicke und -breite
Die Wahl der richtigen Kupferdicke und Leiterbahnbreite ist beim PCB-Design wichtig. So können Ingenieure Dicken wählen, die die erforderlichen Stromlasten sicher bewältigen, ohne übermäßige Wärmeentwicklung zu verursachen. Bei der Entwicklung empfiehlt sich eine Kupferdicke zwischen 3oz und 20oz, da breitere Leiterbahnbreiten mehr Strom bei geringerem Widerstand übertragen.
In gleicher Weise müssen Designer bei der Berechnung der Leiterbahndicke und -breite den Standard IPC-2221 einhalten.
Berechnen der Leiterbahnbreite und -dicke:
Gemäß IPC-2221 kann die Leiterbahnbreite (W) für einen gegebenen Strom (I) und einen akzeptablen Temperaturanstieg (ΔT) mithilfe der folgenden Formel für externe Leiterbahnen berechnet werden:
Kennzahlen:
● I ist der Strom in Ampere,
● ΔT ist der Temperaturanstieg in °C
● K ist eine Konstante, die von der Position der Leiterbahn abhängt (z. B. 0.048 für interne und 0.024 für externe Schichten).
● Der Exponent 1/0.725 (ungefähr 1.38) berücksichtigt die nichtlineare Beziehung zwischen Leiterbahnbreite und Temperaturanstieg.
Wenn beispielsweise die externen Kupferleiterbahnen auf einer Leiterplatte 8 Ampere Strom bei einem maximalen Temperaturanstieg von 20 °C übertragen müssen, können wir die Breite (W) wie folgt berechnen:
Angenommen K = 0.048
W = 85.11
Basierend auf der obigen Berechnung beträgt die Breite der Spur 85.11 mm
Substratmaterial
Das Substrat bildet die Grundlage der Platine, bietet mechanischen Halt und isoliert die Kupferschichten. Bei der Entwicklung der Leiterplatte sollten Rohmaterialien wie „FR-4“ mit einer Betriebstemperatur von 130 °C verwendet werden. Regulierungsbehörden empfehlen jedoch auch die Verwendung von Materialien mit höheren Glasübergangstemperaturen (Tg), wie Polyimid- und Keramiksubstraten, die wiederholten Temperaturzyklen standhalten, ohne an Festigkeit zu verlieren.
Darüber hinaus müssen Ingenieure Substratmaterialien mit Wärmeausdehnungskoeffizienten wählen, die denen von Kupfer ähneln, um mechanische Spannungen zu reduzieren und Rissbildung zu verhindern, ein wichtiger Faktor bei Materialien, die in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden.
Strombelastbarkeitsgrenze
Fließt elektrischer Strom durch Kupferleiterbahnen einer Leiterplatte, erzeugt deren Innenwiderstand Wärme, die durch Konvektion den Schaltkreis verlässt. Daher müssen Techniker Kupferleiterplatten so dick gestalten, dass sie den maximal zu erwartenden Strom tragen können, ohne den zulässigen Temperaturanstieg zu überschreiten.
Während der Entwicklung sollten Ingenieure Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Simulationen nutzen, um die Temperaturverteilung rund um die Leiterbahnen vorherzusagen. Dieser Ansatz verbessert die thermische Effizienz und maximiert die Sicherheitsmarge in solchen Systemen.
Wärmemanagement
Um Wärmeschwankungen im PCB-Design zu bewältigen, sollten Designer auf Techniken setzen, die die Kupferplatten zuverlässig, kühl und langlebig halten. Beginnen Sie mit thermischen Durchkontaktierungen und aktiven Kühllösungen wie Mikrolüftern, um leitfähige Pfade zu schaffen, die die Wärme schnell zwischen den Systemschichten übertragen.
Ingenieure sollten den Hauptkomponenten außerdem Kühlkörper hinzufügen und Wärmekissen auf Graphit- oder Silikonbasis verwenden, um die Wärmeübertragung über die Schaltungsoberflächen zu unterstützen.
Umweltauswirkungen der Herstellung von Leiterplatten aus schwerem Kupfer
Achten Sie bei der Entwicklung dieser schweren Leiterplatten auf umweltfreundliche und nachhaltige Verfahren, um die Umweltbelastung zu minimieren. Hersteller sollten Kupferrecyclingsysteme nutzen, um Kupferabfälle effizient zu entsorgen. Wählen Sie außerdem Materialien von Lieferanten mit guten Recyclingprozessen.
Darüber hinaus sollten Hersteller sauberere Ätz- und Beschichtungsverfahren nutzen, indem sie ungiftige Chemikalien wie säurearme oder ammoniakfreie Lösungen verwenden, um die Menge an Giftmüll zu verringern.
Bei den Trägermaterialien können Designer auf umweltverträgliche Alternativen wie biobasierte Laminate zurückgreifen, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.
Wählen Sie nach der Herstellung Oberflächen, die frei von Blei oder anderen giftigen Verbindungen sind. Beispielsweise bieten Oberflächen wie Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) Haltbarkeit und gute elektrische Leitfähigkeit, ohne schädliche Schwermetalle einzuführen.
Gewöhnliche Leiterplatten vs. Leiterplatten aus schwerem Kupfer
Es gibt strukturelle Unterschiede zwischen schweren und gewöhnlichen Kupferleiterplatten, insbesondere hinsichtlich des Kupfergewichts, der Herstellungsverfahren und der thermischen Eigenschaften.
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Merkmal
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Gewöhnliche Kupferplatine
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Schwere Kupferplatine
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Herstellungsprozess
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Es erfordert einen unkomplizierten Prozess mit Standard-Kupferfolien (normalerweise 1 oz/ft²), die mit einfachen chemischen Verfahren laminiert und geätzt werden.
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Sie erfordern spezielle Ätz- und Beschichtungstechniken sowie komplexere Herstellungsmethoden.
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Kupfergewicht
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Die Kupferdicke reicht von 0.5 oz/ft² bis 1 oz/ft².
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Die Dicke reicht von 3 oz/ft² bis 20 oz/ft² oder mehr.
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Innere Schicht Kupfer
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Sie haben dünne Kupferschichten, die in ihrer Dicke den äußeren Schichten ähneln.
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Es ist entworfen mit Dickkupfer-Leiterplattes.
Sie unterstützen höhere Stromlasten, übertragen jedoch normalerweise etwa 50 % des Stroms der äußeren Schicht.
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Externes Kupfer
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Es verfügt über dünnere äußere Kupferschichten, die eine moderate Stromverteilung ermöglichen.
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Sie bestehen aus dickeren Kupferschichten, die größeren Lastströmen standhalten können.
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Abgesehen von diesen Unterschieden bieten Kupferleiterplatten aufgrund ihrer längeren Lebensdauer und des geringeren Austauschbedarfs auch Nachhaltigkeitsvorteile. Der Herstellungsprozess hat jedoch aufgrund von Chemikalien und Kupferabfällen eine höhere Umweltbelastung.
Fazit
Schweres Kupfer PCBs haben einen positiven Beitrag zur Elektronikindustrie geleistet, indem sie die Nachteile herkömmlicher Leiterplatten behoben haben, die bei der Verarbeitung hoher Ströme versagen. Sie verlängern die Lebensdauer elektronischer Komponenten und bewältigen die vom System erzeugte Wärme effektiv.
Das Design besteht aus Kupferspuren, die beim Anschluss an Hochstromgeräte einen minimalen Widerstand aufweisen.
Angesichts der Vielzahl an Eigenschaften, die dicke Kupferleiterplatten bieten, sollten Sie in Erwägung ziehen, sie bei Ihrem nächsten Projekt einzusetzen.
