Herstellung von Leiterplatten aus schwerem Kupfer – PCBasic

Moderne Elektronik sieht sich zunehmend mit Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Wärmeproblemen konfrontiert. Daher entwickeln sich Kupferleiterplatten zu einer führenden Technologielösung. Leiterplatten bestehen in der Regel aus Kupferschichten von etwa 1 oz/ft² (ca. XNUMX g/m²), Kupferleiterplatten hingegen weisen deutlich dickere Kupferbahnen und -flächen auf.

Branchenexperten definieren eine Kupferleiterplatte als eine Leiterplatte mit mindestens 3 μm Kupfer in den Innen- und Außenschichten. Einige Quellen fügen hinzu, dass auch Leiterplatten mit einer Kupferdicke von 105 μm enthalten sein können. Diese Spezialplatten bestehen üblicherweise aus Kupfergewichten von 2 bis 70 oz/ft², wobei einige extremere Ausführungen bis zu 3 oz/ft² erreichen können.

Schwere Kupferleiterplatten bieten gegenüber herkömmlichen Leiterplatten offensichtliche Vorteile. Das zusätzliche Gewicht des Kupfers ermöglicht niederohmige Stromwege in stromhungrigen Geräten, wodurch diese effizienter werden und das Burnout-Risiko verringert wird. Ein Beispiel: Leiterplatten mit einer Kupferdicke von 3 oz können 10 Jahre lang zuverlässig Ströme von 20–10 Ampere bewältigen, während 10-oz-Typen mehr als 50 Ampere bewältigen können.

Diese Platinen zeichnen sich durch ein außergewöhnlich gutes Wärmemanagement aus und ermöglichen den Betrieb der Komponenten bei optimalen Temperaturen auch unter rauen Bedingungen. Die robuste Kupferbeschichtung verbessert die Festigkeit der Durchgangslöcher und Anschlüsse und erhöht so die Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechsel, Vibrationen und mechanische Belastungen.

Die Herstellung von Leiterplatten aus Kupfer erfordert spezielle Ätz- und Beschichtungsverfahren. Moderne Fertigungsverfahren kombinieren Beschichtungs- und Ätzprozesse und erzielen dadurch gerade Seitenwände mit minimaler Unterätzung – im Gegensatz zu früheren Verfahren, die zu rauen Leiterbahnseitenwänden führten. Hersteller können nun Hochstromschaltungen und Standard-Steuerschaltungen auf derselben Platine unterbringen, da sie unterschiedliche Kupfergewichte in derselben Schicht aufbringen können.

Diese Technologie trägt der steigenden Nachfrage der Verbraucher nach elektronischen Produkten mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit, Hochspannungstoleranz und verbesserter Leistung in rauen Umgebungen Rechnung.

Non-Profit  Schwere Kupferplatine (oder Dicke Kupferplatine)?

Standard-Leiterplatten enthalten Kupferschichten mit einer Dicke von 1 oz bis 3 oz, was für normale Elektronik geeignet ist. Schwere Kupferleiterplatten (oder dicke Kupferleiterplatten) weisen Kupferschichten mit einer Dicke von 3 oz oder mehr auf einer oder allen Schichten auf. Einige Branchenexperten bezeichnen Leiterplatten mit Kupferschichten über 2 oz (70 μm) als schwere Kupferleiterplatten.

Diese anwendungsspezifischen Leiterplatten bestehen üblicherweise aus Kupfer von 4 bis 10 Unzen. Superdicke Versionen können außergewöhnliche Strombelastungen bewältigen und erreichen bis zu 20 bis 200 Unzen pro Quadratfuß. Die erhöhte Kupferdicke verändert die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Platine.

Kupferleiterplatten eignen sich am besten für Hochleistungsanwendungen, bei denen extrem hohes Wärmemanagement mit hohen Strömen einhergeht. Normale Leiterplatten würden solchen extremen Bedingungen nicht standhalten, Kupferleiterplatten hingegen sind perfekt für die Steuerung des Stromflusses.

Über PCBasic

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Interne Struktur von Schweres Kupfer Bretter

Kupferleiterplatten werden mit speziellen Verfahren hergestellt, die über die normale Leiterplattenherstellung hinausgehen. Der einfache Prozess ist zwar derselbe – Ätzen und Galvanisieren –, diese Leiterplatten erfordern jedoch nur spezielle Ätz- und Galvanisierungstechniken. Dadurch werden Leiterbahnseitenwände und Unterschnitte nach präzisen Vorgaben gefertigt.

Hersteller verwenden verschiedene Techniken, um diese Spezialplatinen zu bauen:

● Blue Bar-Prozess

Dicke Kupferstäbe werden direkt in die Leiterplatte eingebracht. Dies minimiert das Gesamtgewicht und verbessert die Ebenheit der Leiterplatte, da das Harz in die Kupferleiterflächen eindringt.

● Laminatabscheidung

Diese Technik verwendet eine dicke Kupferbasis für Zuverlässigkeit und Konsistenz. Sie ermöglicht außerdem eine einfache Kantenkontrolle für feine Spuren.

● Vergrabenes Kupfer

Dickes Kupfer ist im Prepreg vorinstalliert. Die Harzdicke und der Laserschnitt bestimmen die Kupferdicke.

Ungleichmäßige Dicken stellen nach wie vor die größte technische Hürde in der Produktion dar. Die Pad-Positionen und Lagenausrichtungen müssen von den Herstellern korrekt festgelegt werden, um eine ausgewogene Kupferverteilung auf der Platine zu erreichen.

Warum Schwere Kupferplatines werden verwendet?

Automobil-, Leistungselektronik- und Industrieanlagen benötigen Leiterplatten, die anspruchsvollen Bedingungen standhalten. Leiterplatten aus schwerem Kupfer wurden für diese hohen Anforderungen entwickelt und bieten eine Lösung, wo herkömmliche Leiterplatten schnell versagen.

Gewöhnliche Leiterplatte VS. Schwere Kupferplatine

Standard- und Schwerkupfer-Leiterplatten unterscheiden sich hauptsächlich im Kupfergewicht. Handelsübliche Leiterplatten verwenden Kupfergewichte zwischen 0.5 und 3 oz/ft², was für die Signalübertragung ausreicht, aber nicht für stromhungrige Designs. Schwerkupfer-Leiterplatten verwenden Kupfergewichte zwischen 4 und 60 oz/ft² und bieten somit eine deutlich robustere Plattform für stromhungrige Designs.

Merkmal	Gewöhnliche Leiterplatte	Schwere Kupferplatine
Kupferdicke	0.5 oz/ft² bis 2 oz/ft²	3 oz/ft² bis 20+ oz/ft²
Aktuelle Kapazität	Normal (begrenzte Ampere)	Viel höher (ideal für hohe Ströme)
Mechanische Festigkeit	Standard	Sehr stark und robust
Wärmeableitung	Moderat	Ausgezeichnet (verträgt mehr Hitze)
Schwierigkeiten bei der Herstellung	Einfacher, günstiger	Härter, teurer
Allgemeine Anwendungen	Unterhaltungselektronik, Computer	Stromversorgungen, Automobil-, Militär- und Industriesysteme
Kosten	Senken	Höher

Vorteile der Schwere Kupferplatines

Das zusätzliche Kupfergewicht verwandelt eine instabile Leiterplatte in eine starke und stabile Verdrahtungsplattform. Schwere Kupferleiterplatten bieten niederohmige Pfade für Ströme in stromhungrigen Geräten und steigern so die Effizienz und verringern das Risiko eines Durchbrennens.

● Hohe Strombelastbarkeit

Prototyp-Leiterplatten mit 3 oz Kupferdicke können über ein Jahrzehnt lang konstant Stromstärken von 10–20 Ampere bewältigen. Leiterplatten mit 10 oz Dicke können problemlos mehr als 50 Ampere verarbeiten. Diese enorme Steigerung der Strombelastbarkeit macht diese Prototyp-Leiterplatten ideal für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte.

● Ausgezeichnete Wärmeableitung

Das zusätzliche Kupfergewicht dient als Kühlkörper und leitet die Wärme stromintensiver Komponenten effizient ab. Dieses verbesserte Wärmemanagement verhindert Hotspots und erhöht die Systemzuverlässigkeit.

● Verbesserte mechanische Festigkeit an den Anschlussstellen

Der TCT (Thermozyklustest) zeigt nach acht Zyklen eine geringe Ausfallrate von 0.57 % für Leiterplatten mit mindestens 2.5-mil-Kupferbeschichtung. Diese erhöhte mechanische Festigkeit macht diese Leiterplatten ideal für Anschlussstellen und durchkontaktierte Löcher, wo herkömmliche Leiterplatten versagen.

● Hohe Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen

Diese Leiterplatten sind äußerst widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen durch Temperaturwechsel. Diese hervorragende Haltbarkeit ist der Grund für ihre breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und in industriellen Steuerungsanwendungen, insbesondere wenn ein Ausfall nicht akzeptabel ist.

Designüberlegungen für Schwere Kupferplatines

Das Design von Leiterplatten mit starkem Kupfer erfordert besondere Sorgfalt, da die technischen Parameter erheblich von Standard-Leiterplattendesignverfahren abweichen. Zahlreiche wichtige Faktoren müssen hinsichtlich Fertigungsleistung, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit berücksichtigt werden, insbesondere bei Kupfergewichten über 3 oz/ft².

Kupferdicke und Leiterbahnbreite 

Die Dicke und die Leiterbahnbreite von Kupferleiterplatten stehen bei der Entwicklung von Leiterplatten mit dickem Kupfer in einem kritischen Verhältnis. Die minimale Leiterbahnbreite muss mit der Kupferdicke zunehmen. Standard-Designregeln gelten nicht mehr – eine 3-mil-Leiterbahnbreite, die für eine Dicke von 0.5 oz Kupfer oder 1 oz Kupfer ausreichend ist, reicht für höhere Gewichte nicht aus. Leiterplatten mit 3-20 oz Kupferlagen benötigen deutlich breitere Leiterbahnen, um eine ordnungsgemäße Herstellung zu gewährleisten. Beim Ätzen von dickerem Kupfer ist eine aggressivere chemische Behandlung erforderlich, sodass Designer potenzielle Unterätzungen berücksichtigen müssen.

So wählen Sie die richtige Kupferdicke

Die optimale Wahl der richtigen Kupferleiterplattendicke beginnt mit der Ermittlung der Stromanforderungen Ihrer Anwendung. Leiterbahnbreitenrechner sind hervorragende Werkzeuge zur Ermittlung dreier Parameter: Leiterbahnbreite, Strombelastbarkeit und Temperaturanstieg. Die Tools können den dritten Parameter berechnen, wenn zwei Parameter als Eingaben vorliegen, und ermöglichen Ihnen so die Auswahl der optimalen Kupferleiterplattendicke. Bei Anwendungen mit Stromstärken über 100 A sind Standardleiterbahnen ungeeignet und es müssen Kupfersammelschienen verwendet werden.

Strombelastbarkeit

Die Strombelastbarkeit steht in mathematischer Korrelation mit dem Kupfergewicht der Leiterplatte und der Leiterbahngröße. IPC-2221 liefert die Formel I = KΔT^0.44 × A^0.75, wobei K 0.024 für Innenleiter und 0.048 für Außenleiter beträgt. Innenlagen können nur die Hälfte der Strombelastbarkeit freiliegender Leiterbahnen tragen. Der Temperaturanstieg sollte in den meisten Anwendungen zwischen 10 und 20 °C liegen. Die durch I²R-Verluste entstehende Wärme muss ausreichend abgeführt werden, um Bauteilausfälle zu vermeiden.

Auswahl des Untergrunds und des Isoliermaterials

Das Kupfergewicht der Leiterplatte macht die Substratauswahl wichtiger. Die Plattendicke muss bei 1.6 oz Kupfer mehr als 20 mm betragen. Leiterplatten mit hohem Kupferkern erfordern Materialien mit hohem Tg und vergleichbarem Wärmeausdehnungskoeffizienten. FR-4 funktioniert, aber Leiterplatten mit Metallkern (MCPCB) bieten bessere thermische Vorteile. Einige extreme Anwendungen erfordern spezielle Laminate mit besserer Wärmeleitfähigkeit.

Wärmemanagement und Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)

CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) misst, wie stark sich eine Leiterplatte bei Temperatur ausdehnt, in ppm / ° C.

Standard-FR-4-Laminate haben einen CTE von 14–17 ppm/°C.

Siliziumchip-Pakete haben einen niedrigeren WAK von ca. 6 ppm/°C.

CTE-Fehlanpassung zwischen PCB und Chips verursacht Spannungskonzentration bei Temperaturschwankungen.

Schwere Kupferplatinen technische minimale CTE-Fehlanpassung weil dickes Kupfer große thermische Kräfte erzeugt.

Schwere Kupferplatines Herstellungsprozess

Die Herstellung von Leiterplatten aus dickem Kupfer erfordert spezielle Prozesse, die sich deutlich von der Standard-Leiterplattenproduktion unterscheiden. Für herkömmliche Leiterplatten werden einfache Ätz- und Beschichtungsverfahren verwendet. Leiterplatten aus dickem Kupfer erfordern fortschrittliche Techniken, um die extremen Anforderungen an die Kupferdicke zu erfüllen.

1. Traditionelle Herstellungsmethoden

Herkömmliche Methoden erzeugten dicke Kupferstrukturen durch Ätzen von dickem, kupferkaschiertem Plattenmaterial. Dies führte zu unebenen Seitenwänden und übermäßiger Unterätzung. Moderne Beschichtungstechnologien kombinieren Beschichtung und Ätzen, um gerade Seitenwände mit minimaler Unterätzung zu erzeugen.

2. Kupferdicke und Schichtverarbeitung

Hersteller ätzen typischerweise kupferkaschierte Laminate für Leiterplatten mit einer Kupferdicke von unter 10 g. Die inneren Schichten werden direkt auf kupferkaschierte Laminate geätzt. Die äußeren Schichten werden zusätzlich galvanisiert, um die gewünschte Dicke zu erreichen. Eine 3 g schwere Kupferleiterplatte verwendet 3 g kupferkaschierte Laminate für die inneren Schichten und 2 g Material für die äußeren Schichten. Durch die Galvanisierung wird das restliche Kupfer hinzugefügt.

3. Fertigung für Ultra-Dickkupfer-Leiterplatten

Leiterplatten mit einer Kupferdicke von 10 oz oder mehr werden mit roter Kupferfolie anstelle von kupferkaschierten Laminaten hergestellt. Diese Folie wird mit Prepreg kombiniert, um ultradicke Kupferleiterplatten herzustellen.

4. Herausforderungen bei Lötmasken

Das Auftragen von Lötstoppmasken stellt in der Schwerkupferfertigung besondere Herausforderungen dar. Herkömmlicher Siebdruck führt oft zu einer ungleichmäßigen Lötstoppmaskendicke. Tinte sammelt sich in den Ecken der Schaltung und um Durchkontaktierungen herum an. Einige Hersteller verwenden elektrostatische Sprühtechnologie, um die Lötstoppmaske gleichmäßig auf die Leiterplattenoberfläche aufzutragen.

Die Möglichkeit, Schwerkupfer mit Standardfunktionen auf einer einzigen Platine zu kombinieren, bietet erhebliche Fertigungsvorteile. Diese Kombination reduziert die Anzahl der Lagen, ermöglicht eine niederohmige Stromverteilung und reduziert den Platzbedarf mit potenziellen Kosteneinsparungen. Hochstromschaltungen und ihre Steuerschaltungen benötigten früher separate Platinen. Heute lassen sie sich nahtlos kombinieren und ermöglichen hochdichte und dennoch einfache Platinenstrukturen.

Strenge Prozesskontrollen und umfassende Tests stellen sicher, dass diese Spezialplatinen die Anforderungen von Hochleistungsanwendungen erfüllen.

Anwendungen von Schwere Kupferplatines

Schwere Kupferleiterplatten sind in Branchen unverzichtbar, in denen herkömmliche Leiterplatten die elektrischen, thermischen oder mechanischen Anforderungen nicht erfüllen. Diese Spezialplatinen bilden die Grundlage vieler unternehmenskritischer Systeme.

1. Automobilindustrie

In der Automobilindustrie kommen Dickkupfer-Leiterplatten in Ladesystemen und Motorsteuerungen für Elektrofahrzeuge zum Einsatz. Diese Platinen ermöglichen Batteriemanagementsystemen die Belastbarkeit von Strömen bis zu 100 Ampere während Lade- und Entladezyklen. Ihre Temperaturbeständigkeit von über 150 °C macht sie ideal für den Einsatz in der Automobilindustrie.

2. Energieverteilungssysteme

Stromverteilungssysteme sind heute stark auf diese Leiterplatten angewiesen. Unternehmen setzen sie in Erregersystemen für Leistungsregler, Netzschaltanlagen, Hochleistungsgleichrichtern und Überlastrelais ein. Moderne Leiterplatten aus Kupfer haben ältere Kabelverteilungs- und Blechbearbeitungsmethoden ersetzt, um Prozesse zu optimieren und die Produktzuverlässigkeit zu erhöhen.

3. Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen

Der Militär- und Luftfahrtsektor ist auf diese spezialisierten Leiterplatten für Waffenkontrollsysteme, Radargeräte und Überwachungssysteme angewiesen. Dank ihrer außergewöhnlichen mechanischen Leistung unter rauen Bedingungen hält die Elektronik in Avionik- und Kommunikationssystemen länger.

4. Erneuerbare Energiesysteme

Systeme für erneuerbare Energien benötigen heute mehr denn je schwere Kupferleiterplatten. Solarwechselrichter, Windturbinensteuerungen und Schalttafeln für Wasserkraftwerke nutzen diese Leiterplatten, um hohe Stromlasten zu bewältigen. Ein Solarwechselrichter mit 5 kW beispielsweise könnte Leiterbahnen für 30 Ampere verwenden.

5. Medizinische Ausrüstung

Medizinische Geräte wie Bildgebungsgeräte und Patientenüberwachungssysteme funktionieren dank der Zuverlässigkeit von flexiblen Kupferleiterplatten besser. In industriellen Automatisierungssystemen werden sie in Sicherheitssystemen, Schweißgeräten und Überspannungsschutzgeräten eingesetzt, wo hohe Ströme und Spannungen üblich sind.

6. Fortschritte in der Fertigungstechnologie

Dank der Fortschritte in der Fertigungstechnologie haben diese Spezialplatinen herkömmliche Übertragungsmethoden ersetzt. Dadurch sind die Produkte kleiner und gleichzeitig zuverlässiger geworden.

PCBasics Schwere Kupferplatine Fertigungskapazitäten

PCBasic ist führender Hersteller von Dickkupfer-Leiterplatten und einer der führenden chinesischen Anbieter von Dickkupfer-Leiterplatten. PCBasic definiert seine Dickkupferprodukte als Leiterplatten mit einer inneren oder äußeren Kupferdicke von mindestens 3 oz (105 µm). Die ultradicken Kupfer-Leiterplatten decken außergewöhnliche Leistungsanforderungen mit einer Dicke von über 300 µm ab.

Die fortschrittlichen Fertigungstechniken des Unternehmens gehen weit über die herkömmliche Leiterplattenproduktion hinaus. Das größte Problem bei der Dickkupferfertigung ist der erhebliche Bohrerverlust durch die zunehmende Kupferdicke. PCBasic setzt spezielle UC-Dickkupferbohrer ein, um dieses Problem zu lösen. Die Ausrüstung und optimierten Bohrparameter erzeugen Lochwände, die selbst bei extrem dickem Kupfer flach und glatt bleiben.

Die Ätzphase spielt bei der Herstellung von Leiterplatten aus dickem Kupfer eine entscheidende Rolle. PCBasic bezeichnet sie als Kerntechnologie in der Schaltungsherstellung. Mit zunehmender Kupferdicke wird es schwieriger, die Qualität der Schaltung aufrechtzuerhalten.

PCBasic hat sich auf Siebdruckverfahren für dicke Kupferanwendungen spezialisiert. Der Fokus liegt auf starken Bindungskräften zwischen Lötstoppmaske und Basismaterial. Eine Lötstoppmasken-Vakuumpumpe verhindert Qualitätsprobleme durch Lötstoppmaskenblasen, die bei dickerem Kupfer häufiger auftreten.

Alle Dickkupfer-Leiterplatten von PCBasic bestehen aus Materialien mit hohem TG-Wert. Daher wurde in spezielle titanbeschichtete Gongmesser investiert. Diese Investition sorgt für eine glatte Oberfläche der Platinenkanten während der gesamten Fertigung.

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung hat eine umfassende Dokumentation erstellt, darunter „Design- und Betriebsrichtlinien für Dickkupfer-Leiterplatten“ und „Prozessfehlermoduskontrolle für Dickkupfer-Leiterplatten“. Diese Systeme steuern Produktdesign, Prozessparameter und Endproduktprüfungen, um die Kundenanforderungen zu erfüllen.

Dieses umfassende System macht PCBasic zu einem der besten Hersteller von Schwerkupfer-Leiterplatten, die auch in anspruchsvollen Anwendungen zuverlässig eingesetzt werden. Die Produkte eignen sich hervorragend für medizinische Geräte, industrielle Automatisierungsanlagen, Automobilsysteme, Hochgeschwindigkeitszüge, Schiffe, Militärprodukte und LED-Beleuchtungssysteme.

Fazit

Kupferreiche Leiterplatten mit Kupferdicken von 3oz/ft² oder mehr sind für moderne Hochleistungselektronik unerlässlich. Solche Leiterplatten können Ströme von über 50 Ampere ohne Einbußen bei der thermischen Stabilität bewältigen und sind daher für stromintensive Anwendungen unverzichtbar.

Schweres PCB-Kupfer zeichnet sich durch eine hervorragende Wärmeableitung aus, erhöht die Zuverlässigkeit und verhindert Bauteilausfälle unter extremen Bedingungen. Diese Technik ersetzt alte Stromübertragungsmethoden und führt zu kleinen, effizienteren Produkten.

Die Entwicklung schwerer Kupferleiterplatten erfordert sorgfältige Berechnungen der Stromstärke, der Substratauswahl und der Wärmeausdehnung. Spezielle Produktionsverfahren wie Ätzen und Plattieren sind für ihre Herstellung wichtig.

Der Markt für Kupferleiterplatten wächst in Branchen wie Automobil, Militär, erneuerbare Energien und Medizin. Mit der Weiterentwicklung elektronischer Systeme werden Fortschritte in dieser Technologie die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit zukünftiger Anwendungen verbessern.