PCB de cobre pesado: una guía completa

Con los avances en las ciencias sociales y los equipos tecnológicos domésticos, las expectativas de los usuarios sobre la fiabilidad de los productos electrónicos han aumentado. Los consumidores ahora esperan que sus productos tengan una conductividad térmica superior, mayor tolerancia al voltaje y un rendimiento mejorado en condiciones de funcionamiento extremas. Cabe destacar que las PCB de cobre pesado cumplen con estas expectativas, lo que las convierte en un componente importante de las estaciones de servicio 5G, las aplicaciones aeroespaciales y militares.

A medida que crecen las industrias de fabricación de vehículos eléctricos y de automatización industrial, los fabricantes de estos productos tienen grandes demandas de placas de circuitos que puedan soportar altas densidades de potencia y una intensa generación de calor.

Dada la naturaleza crítica de estos componentes, estas PCB han demostrado ser una solución prometedora, garantizando mayor eficiencia, menor mantenimiento y resistencia a fallos. Este artículo analizará qué son las PCB de cobre grueso, sus aplicaciones y consideraciones de diseño para prevenir problemas comunes durante su desarrollo.

¿Qué es una PCB de cobre pesado?

Se trata de una placa de circuito impreso compuesta por estructuras multicapa y pistas de cobre más gruesas que las que se encuentran en las PCB domésticas comunes. Mientras que las placas impresas tradicionales utilizan capas de cobre de aproximadamente 1 oz/ft², las PCB de cobre grueso comienzan con 3 oz/ft² y pueden alcanzar hasta 20 oz/ft² o más.

En los circuitos eléctricos modernos, el espesor adecuado de la placa de circuito impreso (PCB) de cobre proporciona:

● Mayor capacidad de manejo de corriente

● Menor resistencia eléctrica

● Reducción de la caída de tensión a lo largo de las rutas de seguimiento

● Menor impedancia

● Pérdida y distorsión de señal mínima

¿Cuándo utilizar PCB de cobre grueso?

Utilice estos PCB en aplicaciones que requieran resistencia mecánica, alta densidad de potencia y durabilidad en condiciones difíciles.

Además, fortalecen las capas del circuito eléctrico en sistemas que requieren una gestión adecuada del calor, como los circuitos de vehículos eléctricos.

¿Por qué utilizar PCB de cobre pesado?

Estas PCB crean una vía de baja resistencia para las corrientes en dispositivos que consumen demasiada energía. Esto aumenta la eficiencia y reduce el riesgo de quemaduras. Por ejemplo, una PCB con un espesor de cobre de 3 oz puede transportar corrientes de 10 a 20 amperios durante un período de 10 años. Mientras tanto, transporta más de 50 amperios en aplicaciones con un espesor de 10 oz.

Del mismo modo, son duraderos y ofrecen una excelente resistencia mecánica durante el funcionamiento, resistiendo tensiones como la flexión o la vibración.

En términos de costos, reducen la cantidad de reparaciones y reemplazos en infraestructuras remotas, como turbinas eólicas y sistemas de energía solar fuera de la red, donde el mantenimiento consume mucho tiempo y es costoso.

Además, las PCB de cobre grueso permiten a los ingenieros construir circuitos eléctricos avanzados en una sola placa sin afectar el rendimiento de la corriente. Esto facilita la fabricación de sistemas de pequeño tamaño, en comparación con las PCB estándar, que requieren materiales adicionales para suministrar la misma potencia.

¿Cuál es la aplicación de las PCB de cobre pesado?

Se utilizan en la industria automotriz en los sistemas de gestión de baterías (BMS) de vehículos eléctricos. Estos sistemas se basan en PCB de cobre grueso para suministrar energía. Su composición de trazas de cobre proporciona una ruta de baja resistencia que evita problemas de sobrecalentamiento al pasar la corriente.

Además, en aplicaciones de energía renovable como los inversores solares, la PCB regula la conversión de energía solar en corriente alterna (CA) utilizable. Al mismo tiempo, controla eficientemente los condensadores de almacenamiento de las turbinas eólicas para evitar la acumulación de calor no deseado.

En centros de datos y estaciones base 5G, las PCB de cobre grueso permiten que el sistema proporcione un suministro de energía ininterrumpido, solucionando así los problemas de generación de calor en las transmisiones de señales de alta frecuencia. Los equipos militares y aeroespaciales también se benefician, ya que estas PCB controlan de forma segura los reóstatos y resistencias utilizados en el circuito.

Las PCB de cobre pesado también se encuentran en dispositivos médicos. Proporcionan una distribución de energía estable en equipos como desfibriladores o máquinas de resonancia magnética.

Además, se emplean en sistemas de vehículos autónomos (AV) para alimentar los tableros de navegación y de computadora.

¿Cuáles son las consideraciones de diseño para una PCB de cobre pesado?

Factores como el ancho de la traza, el espesor de la PCB de cobre y el material del sustrato afectan directamente la efectividad de las placas impresas más gruesas.

Espesor y ancho del cobre

Elegir el grosor y el ancho de pista de cobre adecuados es importante en el diseño de PCB. Esto permite a los ingenieros elegir grosores que gestionen con seguridad las cargas de corriente requeridas sin generar una acumulación excesiva de calor. Es recomendable seleccionar un grosor de cobre entre 3 oz y 20 oz durante el desarrollo, ya que los anchos de pista más amplios transportan más corriente con menor resistencia.

En la misma línea, los diseñadores deben seguir el estándar IPC-2221 al calcular el espesor y el ancho de las trazas.

Cálculo del ancho y el grosor de la traza:

Según IPC-2221, el ancho de traza (W) se puede calcular para una corriente dada (I) y un aumento de temperatura aceptable (ΔT) utilizando la siguiente fórmula para trazas externas:

Lugar:

●      I es la corriente en amperios,

● ΔT es el aumento de temperatura en °C

● K es una constante que depende de la ubicación de la traza (por ejemplo, 0.048 para capas internas y 0.024 para capas externas).

● El exponente 1/0.725 (aproximadamente 1.38) explica la relación no lineal entre el ancho de la traza y el aumento de la temperatura.

Por ejemplo, si se requiere que las pistas externas de cobre en una PCB transporten 8 amperios de corriente con un aumento máximo de temperatura de 20 °C, entonces podemos calcular el ancho (W) de la siguiente manera:

Suponiendo que K = 0.048

W=85.11

Según el cálculo anterior, el ancho de la pista es de 85.11 mm.

Material del sustrato

El sustrato es la base de la placa, ya que proporciona soporte mecánico y aísla las capas de cobre. Durante el diseño, se deben utilizar materias primas como el FR-4, con una temperatura de funcionamiento de 130 °C, para crear la placa impresa. Sin embargo, las autoridades reguladoras también recomiendan el uso de materiales con temperaturas de transición vítrea (Tg) más altas, como los sustratos de poliimida y cerámica, que resisten ciclos térmicos repetidos sin perder resistencia.

Además, los ingenieros deben elegir materiales de sustrato con coeficientes de expansión térmica similares a los del cobre para reducir la tensión mecánica y evitar el agrietamiento, un factor importante en los materiales utilizados en aplicaciones de alta temperatura.

Límite de corriente transportada

Cuando la corriente eléctrica fluye a través de las pistas de cobre de una placa de circuito, su resistencia interna genera calor, que sale del circuito por convección. Por ello, los técnicos deben diseñar PCB de cobre con un espesor que pueda soportar la corriente máxima esperada sin sobrepasar el aumento de temperatura aceptable.

Durante el desarrollo, los ingenieros deben utilizar simulaciones de Análisis de Elementos Finitos (FEA) para predecir la distribución de temperatura alrededor de las trazas. Este enfoque mejora la eficiencia térmica y maximiza el margen de seguridad en estos sistemas.

Gestión del calor

Para gestionar las variaciones de temperatura en el diseño de PCB, los diseñadores deben centrarse en técnicas que mantengan las placas de cobre fiables, refrigeradas y duraderas. Empiece por vías térmicas y soluciones de refrigeración activa, como microventiladores, para crear rutas conductoras que transfieran rápidamente el calor entre las capas del sistema.

Los ingenieros también deberían agregar disipadores de calor a los componentes primarios y usar almohadillas térmicas a base de grafito o silicona para ayudar a la transferencia de calor a través de las superficies del circuito.

Impacto ambiental de la fabricación de PCB de cobre pesado

Al diseñar estas pesadas placas impresas, adopte prácticas sostenibles y respetuosas con el medio ambiente para minimizar el daño ambiental. En primer lugar, los fabricantes deben utilizar sistemas de reciclaje de cobre para gestionar eficientemente los residuos de cobre. Asimismo, seleccione materiales de proveedores con buenos procesos de reciclaje.

Además, los fabricantes deberían aprovechar procesos de grabado y enchapado más limpios mediante el uso de productos químicos no tóxicos, como soluciones con bajo contenido de ácido o sin amoníaco, para reducir los desechos tóxicos.

Para los materiales de sustrato, los diseñadores pueden elegir entre alternativas ambientalmente sustentables, como los laminados de base biológica, que reducen la dependencia de los combustibles fósiles.

Tras la fabricación, elija acabados libres de plomo u otros compuestos tóxicos. Por ejemplo, los acabados superficiales como el níquel químico por inmersión en oro (ENIG) ofrecen durabilidad y buena conductividad eléctrica sin introducir metales pesados ​​perjudiciales.

PCB comunes vs. PCB de cobre pesado

Existen diferencias estructurales entre los PCB de cobre pesados ​​y ordinarios, particularmente en el peso del cobre, los procesos de fabricación y las propiedades térmicas.

Además de estas diferencias, las PCB de cobre pesado ofrecen ventajas de sostenibilidad gracias a su mayor vida útil y menor necesidad de reemplazo. Sin embargo, el proceso de fabricación tiene un mayor impacto ambiental debido a los productos químicos y los residuos de cobre.

Conclusión

PCB de cobre pesadoHan contribuido positivamente a la industria electrónica al abordar los inconvenientes de las placas de circuito convencionales que fallan al manejar altas corrientes. Prolongan la vida útil de los componentes electrónicos y controlan eficazmente el calor generado por el sistema.

El diseño consta de trazas de cobre que muestran una resistencia mínima cuando se conectan a equipos de alta corriente.

Con esta magnitud de características que ofrece la PCB de cobre grueso, considere utilizarla en su próximo proyecto.