Fabricación de PCB de cobre pesado - PCBBasic
La electrónica moderna se enfrenta a crecientes problemas de potencia, fiabilidad y temperatura; por lo tanto, las PCB de cobre pesado se perfilan como una solución tecnológica líder. Las placas de circuito impreso (PCB) suelen emplear capas de cobre de aproximadamente 1 oz/ft² en la tecnología convencional, pero las PCB de cobre pesado emplean pistas y planos de cobre mucho más gruesos.
Los profesionales de la industria caracterizan una PCB de cobre pesado como aquella que contiene 3 μm (105 oz/ft²) o más de cobre en sus capas internas o externas. Algunas fuentes añaden que también se pueden incluir placas con un espesor de cobre de 2 μm (70 oz/ft²). Estas placas especializadas suelen tener pesos de cobre de entre 3 y 20 g/ft², y algunas versiones extremas pueden alcanzar hasta 200 g/ft² (XNUMX oz/ft²).
Las PCB de cobre pesado ofrecen ventajas sobre las placas convencionales. El peso adicional del cobre proporciona vías de baja resistencia para las corrientes en dispositivos de alto consumo, lo que los hace más eficientes y reduce el riesgo de quemaduras. Por ejemplo, observe cómo las PCB de cobre de 3 g (10 oz) de espesor pueden soportar corrientes de 20 a 10 amperios de forma fiable durante 10 años, mientras que las de 50 g (XNUMX oz) pueden soportar más de XNUMX amperios.
Estas placas ofrecen un excelente rendimiento en la gestión térmica y permiten que los componentes funcionen a su temperatura óptima incluso en condiciones adversas. La robustez de sus orificios pasantes y conectores se ve mejorada por las características robustas del cobre, lo que les confiere una mayor resistencia a los ciclos térmicos, las vibraciones y la tensión mecánica.
La producción de placas de circuito impreso de cobre pesado implica procesos especiales de grabado y enchapado. Los procesos de fabricación modernos combinan ambos procesos, lo que da como resultado paredes laterales rectas con un socavado mínimo, a diferencia de los procesos anteriores que resultaban en paredes laterales rugosas. Los fabricantes ahora pueden integrar circuitos de alta corriente y circuitos de control estándar en la misma placa, ya que pueden depositar diferentes pesos de cobre en la misma capa.
Esta tecnología aborda las crecientes demandas de los consumidores de productos electrónicos con conductividad térmica mejorada, tolerancia a alto voltaje y mejor rendimiento en entornos hostiles.
¿Qué es PCB de cobre pesado (o PCB de cobre grueso)?
Las PCB estándar contienen capas de cobre con un espesor de entre 1 y 3 g (3 oz y 2 oz), lo cual es adecuado para la electrónica convencional. Las PCB de cobre pesado (o PCB de cobre grueso) incluyen un espesor de cobre de 70 g o más en cualquiera o todas las capas. Algunos expertos de la industria denominan PCB de cobre pesado a las placas con cobre superior a XNUMX μm (XNUMX oz).
Estas PCB específicas para cada aplicación suelen tener entre 4 oz y 10 oz de cobre. Las versiones supergruesas son capaces de soportar cargas de corriente extraordinarias y alcanzan entre 20 oz y 200 oz por pie cuadrado. El mayor espesor del cobre modifica las características eléctricas y térmicas de la placa.
Las PCB de cobre grueso son ideales para aplicaciones de alta potencia donde la gestión térmica ultraalta se acompaña de corrientes de alta potencia. Las PCB normales no resistirían condiciones tan extremas, pero las placas de cobre grueso son perfectas para gestionar el flujo de corriente.
Acerca de PCBasic
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Estructura interna de Cobre pesado Juntas Directivas
Las PCB de cobre pesado se fabrican mediante procesos especializados que van más allá de la fabricación de placas convencionales. El proceso, sencillo y sencillo, es el mismo (grabado y galvanoplastia), pero estas placas solo requieren técnicas especiales de grabado y galvanoplastia. Esto proporciona paredes laterales y socavaduras de trazado según especificaciones precisas.
Los fabricantes utilizan varias técnicas para construir estas placas especializadas:
● Proceso de barra azul
Las barras gruesas de cobre entran directamente en la placa de circuito. Esto minimiza el peso total y mejora la planitud del plano, ya que la resina se filtra en las áreas de cobre del circuito.
● Deposición de laminados
Esta técnica utiliza una base gruesa de cobre para garantizar la fiabilidad y la consistencia. Además, ofrece un fácil control de los bordes para trazos finos.
● Cobre enterrado
El preimpregnado lleva preinstalado cobre grueso. El espesor de la resina y el corte por láser determinan el espesor del cobre.
El grosor desigual sigue siendo el mayor obstáculo técnico en la producción. Los fabricantes deben determinar correctamente la posición de las almohadillas y la alineación de las capas para lograr una distribución equilibrada del cobre en la placa.
Por Qué PCB de cobre pesado¿Se utilizan?
Los equipos automotrices, de electrónica de potencia e industriales requieren placas que soporten condiciones rigurosas. Las placas de circuito impreso de cobre pesado se diseñaron para soportar estos requisitos rigurosos y ofrecer una solución donde las placas convencionales fallan rápidamente.
PCB ordinario vs. PCB de cobre pesado
Las placas de circuito impreso (PCB) de cobre estándar y de alto rendimiento se diferencian principalmente en el peso del cobre. Las PCB comerciales normales utilizan un peso de cobre de entre 0.5 y 3 oz/ft², suficiente para la transmisión de señales, pero insuficiente para diseños con alto consumo de energía. Las PCB de alto rendimiento utilizan un peso de cobre de entre 4 y 60 oz/ft² y, por lo tanto, ofrecen una plataforma mucho más robusta para diseños con alto consumo de energía.
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Feature
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PCB ordinario
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PCB de cobre pesado
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Espesor de cobre
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0.5 oz/pie² a 2 oz/pie²
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3 oz/pie² a 20+ oz/pie²
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Capacidad de corriente
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Normal (amperios limitados)
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Mucho más alto (ideal para alta corriente)
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Fuerza mecánica
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Estándar
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Muy fuerte y resistente.
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Disipación de calor
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Moderado
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Excelente (soporta más calor)
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Dificultad de fabricación
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Más fácil, más barato
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Más difícil, más caro
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Aplicaciones comunes
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Electrónica de consumo, ordenadores
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Fuentes de alimentación, automoción, militares, sistemas industriales
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Costo
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Más Bajo
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Más alto
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Beneficios de la Cirugía de PCB de cobre pesados
El peso adicional del cobre convierte una placa de circuito inestable en una plataforma de cableado robusta y estable. Las placas de circuito impreso de cobre pesado ofrecen rutas de baja resistencia para las corrientes en dispositivos de alto consumo, mejorando así la eficiencia y reduciendo el riesgo de quemaduras.
● Capacidad de carga de alta corriente
Las PCB para prototipado con un espesor de cobre de 3 oz pueden soportar corrientes de 10 a 20 amperios de forma constante durante más de una década. Las placas de 10 oz de espesor pueden soportar fácilmente más de 50 amperios. Este enorme aumento en la capacidad de conducción de corriente hace que estas PCB para prototipado sean ideales para aplicaciones de alta densidad de potencia.
● Excelente disipación de calor
El peso adicional de cobre actúa como disipador térmico y disipa eficientemente el calor de los componentes de alto consumo. Esta gestión térmica mejorada evita puntos calientes y aumenta la fiabilidad del sistema.
● Mayor resistencia mecánica en los sitios de conexión
La prueba de ciclo térmico (TCT) muestra una pequeña tasa de fallo del 0.57 % tras ocho ciclos en placas con un recubrimiento de cobre de al menos 2.5 milésimas de pulgada. Esta mayor resistencia mecánica hace que estas placas sean ideales para conectores y orificios pasantes con recubrimiento, donde las placas convencionales fallan.
● Alta fiabilidad en entornos hostiles
Estas PCB son altamente resistentes a las tensiones mecánicas causadas por los ciclos térmicos. Esta excelente durabilidad explica su amplio uso en aplicaciones aeroespaciales, de defensa y de control industrial, especialmente cuando los fallos son inaceptables.
Consideraciones de diseño para PCB de cobre pesados
El diseño de PCB de cobre pesado debe realizarse con sumo cuidado, ya que los parámetros técnicos difieren significativamente de los procedimientos estándar de diseño de PCB. Se deben considerar numerosos factores importantes para el rendimiento, la fiabilidad y la viabilidad de la fabricación, especialmente al trabajar con pesos de cobre superiores a 3 oz/ft².
Espesor del cobre y ancho de traza
El grosor de la PCB de cobre y el ancho de la pista tienen una relación crucial en el diseño de PCB de cobre pesado. El ancho mínimo de la pista debe aumentar a medida que aumenta el grosor del cobre. Las normas de diseño estándar ya no son válidas: un ancho de línea de 3 milésimas de pulgada, adecuado para un grosor de 0.5 oz de cobre o 1 oz de cobre, no es suficiente para grosores mayores. Las placas con capas de cobre de 3-20 oz necesitan pistas mucho más anchas para una fabricación adecuada. Se requiere una exposición química más agresiva durante el grabado en cobre más grueso, por lo que los diseñadores deben prever posibles socavaduras.
Cómo elegir el espesor de cobre adecuado
La mejor manera de elegir el grosor correcto de la PCB de cobre comienza por determinar los requisitos de corriente de su aplicación. Las calculadoras de ancho de pista son excelentes herramientas para obtener tres de estos parámetros: ancho de pista, capacidad de conducción de corriente y aumento de temperatura. Estas herramientas pueden calcular el tercer parámetro cuando se proporcionan dos parámetros como entrada, lo que permite seleccionar el grosor óptimo de la PCB de cobre. Cuando las aplicaciones requieren una corriente superior a 100 A, las pistas estándar no son adecuadas y se deben utilizar barras colectoras de cobre.
Capacidad de carga actual
La capacidad de corriente tiene una correlación matemática con el peso del cobre de la PCB y el tamaño de la pista. El IPC-2221 proporciona la fórmula I = KΔT^0.44 × A^0.75, donde K es 0.024 para conductores internos y 0.048 para conductores externos. Las capas internas solo pueden soportar la mitad de la capacidad de conducción de corriente de las pistas expuestas. El aumento de temperatura debe estar entre 10 y 20 °C en la mayoría de las aplicaciones. El calor causado por las pérdidas I²R debe disiparse lo suficiente para evitar fallos en los componentes.
Selección de sustrato y material de aislamiento
El peso del cobre en las PCB hace que la selección del sustrato sea más importante. El grosor de la placa debe ser superior a 1.6 mm para cobre de 20 oz. El uso de PCB con núcleo de cobre alto requiere materiales de alta Tg con un CTE comparable. El FR-4 funciona, pero las PCB con núcleo metálico (MCPCB) ofrecen mejores prestaciones térmicas. Algunas aplicaciones extremas requieren laminados especiales con mejor conductividad térmica.
Gestión térmica y coeficiente de expansión térmica (CTE)
CTE (Coeficiente de Expansión Térmica) mide cuánto se expande una PCB con la temperatura, en ppm / ° C.
Laminados FR-4 estándar tener una CTE de 14–17 ppm/°C.
Paquetes de chips de silicio tienen un CTE más bajo de aproximadamente 6 ppm / ° C.
desajuste CTE Entre PCB y chips causas concentración de estrés Durante los cambios de temperatura.
PCB de cobre pesado necesite desajuste mínimo de CTE porque el cobre grueso genera grandes fuerzas térmicas.
PCB de cobre pesadoProceso de fabricación s
La fabricación de PCB de cobre pesado requiere procesos especializados que difieren significativamente de la producción estándar de PCB. Las PCB convencionales utilizan procedimientos sencillos de grabado y recubrimiento. Las placas de cobre pesado requieren técnicas avanzadas para cumplir con requisitos de espesor de cobre extremos.
1. Métodos de fabricación tradicionales
Los métodos tradicionales formaban características de cobre grueso mediante el grabado de placas laminadas revestidas de cobre. Esto resultaba en paredes laterales irregulares y socavaduras excesivas. La tecnología moderna de recubrimiento ahora combina el recubrimiento y el grabado para crear paredes laterales rectas con una socavadura mínima.
2. Espesor del cobre y procesamiento de capas
Los fabricantes suelen grabar laminados revestidos de cobre para PCB con un espesor de cobre inferior a 10 oz. Graban directamente las capas internas sobre los laminados revestidos de cobre. Las capas externas se someten a galvanoplastia adicional para alcanzar el espesor deseado. Una PCB de cobre de 3 oz utiliza laminados revestidos de cobre de 3 oz para las capas internas y de 2 oz para las externas. La galvanoplastia añade el cobre restante.
3. Fabricación para Ultra-PCB de cobre grueso
Las PCB con un espesor de cobre de 10 oz o superior se fabrican con lámina de cobre rojo en lugar de laminados revestidos de cobre. Esta lámina se combina con preimpregnado para crear PCB de cobre ultragruesos.
4. Desafíos de la máscara de soldadura
La aplicación de máscara de soldadura plantea desafíos únicos en la fabricación de cobre pesado. La serigrafía tradicional suele dar lugar a un espesor desigual de la máscara de soldadura. La tinta se acumula en las esquinas del circuito y alrededor de las vías. Algunos fabricantes utilizan tecnología de pulverización electrostática que aplica la máscara de soldadura uniformemente sobre la superficie de la placa.
La capacidad de combinar cobre pesado con características estándar en una sola placa ofrece importantes ventajas de fabricación. Esta combinación reduce el número de capas, proporciona una distribución de energía de baja impedancia y crea un espacio más compacto con un potencial ahorro de costes. Los circuitos de alta corriente y sus circuitos de control antes requerían placas independientes. Ahora se combinan fluidamente para crear estructuras de placa muy densas y a la vez sencillas.
Los estrictos controles de proceso y las pruebas completas garantizan que estas placas especializadas cumplan con los requisitos de las aplicaciones de alta potencia.
Aplicaciones de PCB de cobre pesados
Las PCB de cobre pesado son esenciales en industrias donde las placas de circuito impreso convencionales no pueden satisfacer los requisitos eléctricos, térmicos ni mecánicos. Estas placas especializadas son la base de muchos sistemas críticos.
1. Industria automotriz
En la industria automotriz, las PCB de cobre grueso destacan en sistemas de carga de vehículos eléctricos y controladores de motores. Estas placas permiten a los sistemas de gestión de baterías gestionar corrientes de hasta 100 amperios durante los ciclos de carga y descarga. Su capacidad para soportar temperaturas superiores a 150 °C las hace perfectas para entornos automotrices.
2. Sistemas de distribución de energía
Los sistemas de distribución de energía dependen en gran medida de estas PCB. Las empresas las utilizan en sistemas de excitación para reguladores de potencia, sistemas de conmutación de red, rectificadores de alta potencia y relés de sobrecarga. Las modernas placas PCB de cobre pesado han sustituido los antiguos métodos de distribución por cable y chapa metálica para optimizar los procesos y aumentar la fiabilidad del producto.
3. Aplicaciones militares y aeroespaciales
Los sectores militar y aeroespacial dependen de estas PCB especializadas para sistemas de control de armas, equipos de radar y sistemas de monitoreo. La electrónica en los sistemas de aviónica y comunicación dura más gracias a su excepcional rendimiento mecánico en condiciones adversas.
4. Sistemas de Energías Renovables
Los sistemas de energía renovable necesitan PCB de cobre de alta resistencia más que nunca. Los inversores solares, los controladores de turbinas eólicas y los paneles de control de centrales hidroeléctricas utilizan estas placas para gestionar cargas de energía elevadas. Por ejemplo, un inversor solar de 5 kW podría utilizar trazas diseñadas para 30 amperios.
5. Equipo Médico
Los equipos médicos, como los dispositivos de imagen y los sistemas de monitorización de pacientes, funcionan mejor con la fiabilidad de las PCB flexibles de cobre pesado. Los sistemas de automatización industrial las utilizan en sistemas de seguridad, equipos de soldadura y protectores contra sobretensiones, donde la corriente y el voltaje elevados son comunes.
6. Avances en la tecnología de fabricación
Los avances en la tecnología de fabricación han permitido que estas placas especializadas reemplacen los métodos de transmisión tradicionales. Este cambio ha permitido que los productos sean más pequeños y, al mismo tiempo, más fiables.
PCBasic PCB de cobre pesado Capacidad de Manufactura
PCBasic es líder en la fabricación de PCB de cobre grueso. Además, es uno de los principales proveedores de PCB de cobre grueso en China. Define sus productos de cobre grueso como placas con un espesor de cobre de PCB interior o exterior mayor o igual a 3 oz (105 µm). Sus PCB de cobre ultra grueso satisfacen necesidades de potencia excepcionales con placas que superan los 300 µm.
Las avanzadas técnicas de fabricación de la empresa van mucho más allá de la producción estándar de placas de circuito impreso. El mayor problema en la fabricación de cobre grueso reside en la pérdida sustancial de la broca debido al aumento del espesor del cobre. PCBasic utiliza brocas especializadas de cobre grueso UC para abordar este desafío. Su equipo y sus parámetros de perforación optimizados crean paredes de orificios que se mantienen planas y lisas, incluso a través de cobre excepcionalmente grueso.
La fase de grabado desempeña un papel fundamental en la producción de PCB de cobre pesado. PCBasic la considera su tecnología principal en la fabricación de circuitos. La calidad del circuito se vuelve más difícil de mantener a medida que aumenta el espesor del cobre.
PCBasic se ha especializado en técnicas de serigrafía para aplicaciones de cobre de alto espesor. Se centran en la fuerza de unión entre la máscara de soldadura y el material base. Una bomba de vacío para máscara de soldadura elimina los problemas de calidad causados por las burbujas, más comunes con el cobre de mayor espesor.
Todas las PCB de cobre grueso de PCBasic utilizan materiales de alta temperatura de transición vítrea (TG), por lo que han invertido en cuchillas de gong especializadas con revestimiento de titanio. Esta inversión proporcionará un acabado liso a los bordes de las placas durante todo el proceso de fabricación.
El departamento de I+D ha creado una documentación completa que incluye las "Directrices de Diseño y Operación para PCB de Cobre Grueso" y el "Control del Modo de Fallo del Proceso para PCB de Cobre Grueso". Estos sistemas controlan el diseño del producto, los parámetros del proceso y las pruebas del producto terminado para satisfacer las necesidades del cliente.
Este sistema integral convierte a PCBasic en uno de los mejores fabricantes de PCB de cobre pesado, con un rendimiento fiable en aplicaciones exigentes. Sus productos son eficaces en dispositivos médicos, equipos de automatización industrial, sistemas automotrices, trenes de alta velocidad, barcos, productos militares y sistemas de iluminación LED.
Conclusión
Las placas de circuito impreso (PCB) con alto contenido de cobre son cruciales para la electrónica moderna de alta potencia con espesores de cobre de 3 oz/ft² o superiores. Estas placas pueden gestionar corrientes superiores a 50 amperios sin sacrificar la estabilidad térmica, lo que las hace cruciales para aplicaciones de alto consumo.
El cobre grueso para PCB destaca por su resolución térmica, aumenta la fiabilidad y previene fallos de componentes en condiciones extremas. Esta técnica reemplaza los antiguos métodos de transmisión de energía, dando como resultado productos más pequeños y eficientes.
Para diseñar PCB pesadas de cobre, se requieren cálculos de corriente, selección de sustratos y expansión térmica minuciosos. Procedimientos de producción específicos, como el grabado y el enchapado, son importantes para su producción.
El mercado de PCB de cobre pesado está en auge en sectores como la automoción, el ejército, las energías renovables y la medicina. A medida que evolucionan los sistemas electrónicos, los avances en esta tecnología mejorarán la densidad de potencia y la fiabilidad para futuras aplicaciones.
