Fabricação de PCB de cobre pesado - PCBasic

A eletrônica moderna enfrenta crescentes problemas de potência, confiabilidade e temperatura; portanto, PCBs de cobre pesado estão emergindo como uma solução tecnológica de ponta. Placas de circuito impresso normalmente empregam camadas de cobre de cerca de 1 oz/ft² na tecnologia convencional, mas PCBs de cobre pesado empregam traços e planos de cobre muito mais pesados.

Profissionais da indústria caracterizam uma PCB de cobre pesado como aquela que consiste em 3 μm (105 oz/ft²) ou mais de cobre em suas camadas internas ou externas. Algumas fontes acrescentam que placas com espessura de cobre de 2 μm (70 oz/ft²) também podem ser incluídas. Essas placas especializadas geralmente consistem em pesos de cobre de 3 a 20 oz/ft², e algumas versões mais avançadas podem atingir até 200 oz/ft².

PCBs de cobre pesado obviamente apresentam vantagens em relação às placas comuns. O peso adicional do cobre proporciona caminhos de baixa resistência para correntes em dispositivos que consomem muita energia, o que os torna mais eficientes e reduz o risco de queima. Para dar apenas um exemplo, observe como PCBs com espessura de cobre de 3 oz (10 g) podem suportar correntes de 20 a 10 amperes de forma confiável por 10 anos, enquanto os tipos de 50 oz (XNUMX g) podem suportar mais de XNUMX amperes.

Essas placas apresentam desempenho excepcional em gerenciamento de calor e permitem que os componentes operem em suas melhores temperaturas, mesmo em condições adversas. A resistência do conector e do furo passante é aprimorada pelos robustos recursos de cobre, o que as torna mais resistentes a ciclos térmicos, vibração e estresse mecânico.

A produção de placas de circuito impresso de cobre pesado envolve processos especiais de gravação e galvanoplastia. Os processos de fabricação modernos combinam processos de galvanoplastia e galvanoplastia, resultando em paredes laterais retas com rebaixo mínimo, ao contrário dos processos anteriores, que resultavam em paredes laterais com traços ásperos. Os fabricantes agora podem suportar circuitos de alta corrente e circuitos de controle padrão na mesma placa, pois podem depositar diferentes pesos de cobre na mesma camada.

Essa tecnologia atende às crescentes demandas dos consumidores por produtos eletrônicos com melhor condutividade térmica, tolerância a altas tensões e desempenho aprimorado em ambientes adversos.

O que é uma PCB de cobre pesado (ou PCB de cobre espesso)?

PCBs padrão contêm camadas de cobre com espessura de 1 onça a 3 onças, o que é adequado para eletrônicos comuns. PCBs de cobre pesado (ou PCBs de cobre espesso) incluem espessuras de cobre de 3 onças ou mais em qualquer uma ou em todas as camadas. Alguns especialistas do setor chamam placas com cobre que excede 2 onças (70 μm) de PCBs de cobre pesado.

Essas PCBs específicas para aplicações geralmente têm cobre de 4 a 10 g. Versões superespessas são capazes de suportar cargas de corrente extraordinárias, chegando a até 20 a 200 g por metro quadrado. A espessura aumentada do cobre altera as características elétricas e térmicas da placa.

PCBs de cobre pesado são mais adequados para aplicações de alta potência, onde o gerenciamento térmico ultra-alto anda de mãos dadas com correntes de alta potência. PCBs comuns não durariam em condições tão extremas, mas placas de cobre pesado são perfeitas para gerenciar o fluxo de corrente.

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Estrutura interna de Cobre Pesado Placards

PCBs de cobre pesado são fabricados com processos especializados que vão além da fabricação de placas comuns. O processo simples é, no entanto, o mesmo – gravação e galvanoplastia – mas essas placas requerem apenas técnicas especiais de gravação e galvanoplastia. Isso permite a obtenção de traços de paredes laterais e rebaixos com especificações precisas.

Os fabricantes usam diversas técnicas para construir essas placas especializadas:

● Processo de Barra Azul

Barras grossas de cobre entram diretamente na placa de circuito. Isso minimiza o peso total e melhora a planura, pois a resina penetra nas áreas de cobre do circuito.

● Deposição de laminado

Esta técnica utiliza uma base espessa de cobre para maior confiabilidade e consistência. Também oferece fácil controle de bordas para traços finos.

● Cobre enterrado

Cobre espesso é pré-instalado no pré-impregnado. A espessura da resina e o corte a laser são determinantes da espessura do cobre.

A espessura irregular continua sendo o maior obstáculo técnico na produção. Os fabricantes precisam definir corretamente o posicionamento das pastilhas e o alinhamento das camadas para obter uma distribuição equilibrada do cobre na placa.

Sua marca PCB de cobre pesados são usados?

Equipamentos automotivos, eletrônicos de potência e industriais exigem placas que suportem condições rigorosas. Placas de circuito impresso de cobre foram projetadas para suportar esses requisitos rigorosos e fornecer uma solução onde placas comuns falham rapidamente.

PCB comum VS. PCB de cobre pesado

Placas de circuito impresso (PCBs) de cobre padrão e pesado diferem principalmente no peso do cobre. PCBs comerciais comuns utilizam peso de cobre variando entre 0.5 e 3 oz/ft², o que é suficiente para transmissão de sinal, mas não para projetos que consomem muita energia. PCBs de cobre pesado utilizam peso de cobre variando entre 4 e 60 oz/ft² e, portanto, oferecem uma plataforma muito mais robusta para projetos que consomem muita energia.

Característica	PCB comum	PCB de cobre pesado
Espessura de cobre	0.5 oz/pé² a 2 oz/pé²	3 oz/ft² a 20+ oz/ft²
Capacidade de corrente	Normal (amperes limitados)	Muito mais alto (ideal para alta corrente)
Força mecânica	Padrão	Muito forte e robusto
Dissipação de calor	Moderado	Excelente (suporta mais calor)
Dificuldade de fabricação	Mais fácil, mais barato	Mais difícil, mais caro
Aplicações comuns	Eletrônicos de consumo, computadores	Fontes de alimentação, sistemas automotivos, militares e industriais
Custo	Abaixe	Mais alto

Benefícios da PCB de cobre pesados

O peso adicional do cobre transforma uma placa de circuito instável em uma plataforma de fiação forte e estável. Placas de circuito impresso de cobre pesado oferecem caminhos de baixa resistência para correntes em dispositivos que consomem muita energia, aumentando assim a eficiência e reduzindo o risco de burnout.

● Alta capacidade de carga de corrente

PCBs de prototipagem com espessura de cobre de 3 oz podem suportar correntes de 10 a 20 amperes de forma consistente por mais de uma década. Placas de 10 oz de espessura podem suportar facilmente mais de 50 amperes. Esse enorme aumento na capacidade de condução de corrente torna essas PCBs de prototipagem ideais para aplicações de alta densidade de potência.

● Excelente dissipação de calor

O peso adicional de cobre atua como dissipador de calor e dissipa o calor de componentes que consomem muita energia de forma eficiente. Esse gerenciamento térmico aprimorado evita pontos de alta temperatura e aumenta a confiabilidade do sistema.

● Resistência mecânica aprimorada nos locais dos conectores

O TCT (teste de ciclo térmico) mostra uma pequena taxa de falha de 0.57% após oito ciclos para placas com revestimento de cobre de pelo menos 2.5 mil. Essa maior resistência mecânica torna essas PCBs ideais para conectores e furos passantes revestidos onde placas comuns falham.

● Alta confiabilidade em ambientes hostis

Essas PCBs são altamente resistentes a tensões mecânicas devido a ciclos térmicos. Essa excelente durabilidade justifica seu amplo uso em aplicações aeroespaciais, de defesa e de controle industrial, especialmente quando falhas não são aceitáveis.

Considerações de projeto para PCB de cobre pesados

O projeto de PCBs de cobre pesado deve ser realizado com cuidado extra, pois os parâmetros técnicos são significativamente diferentes dos procedimentos padrão de projeto de PCBs. Diversos fatores importantes devem ser levados em consideração no desempenho, confiabilidade e capacidade de fabricação, especialmente ao lidar com pesos de cobre acima de 3 oz/ft².

Espessura do cobre e largura do traço 

A espessura da PCB de cobre e a largura dos traços têm uma relação crítica no projeto de PCBs de cobre pesado. A largura mínima dos traços deve aumentar conforme a espessura do cobre. As regras de projeto padrão não se aplicam mais — uma largura de linha de 3 mil, adequada para espessuras de cobre de 0.5 oz ou 1 oz de cobre, não será suficiente para pesos maiores. Placas de cobre de 3 a 20 oz precisam de traços muito mais largos para serem fabricadas adequadamente. Uma exposição química mais agressiva deve ser necessária durante a corrosão em cobre mais espesso, portanto, os projetistas precisam prever possíveis rebaixos.

Como escolher a espessura correta do cobre

A maneira ideal de escolher a espessura correta da PCB de cobre começa com a descoberta dos requisitos de corrente da sua aplicação. Calculadoras de largura de traço são ótimas ferramentas para obter três desses parâmetros: largura de traço, capacidade de condução de corrente e elevação de temperatura. As ferramentas podem calcular o terceiro parâmetro sempre que dois parâmetros forem fornecidos como entrada, permitindo assim que você selecione a melhor espessura de PCB de cobre. Quando as aplicações exigem corrente superior a 100 A, traços padrão são inadequados e barras de cobre devem ser utilizadas.

Capacidade de transporte de corrente

A capacidade de corrente tem uma correlação matemática com o peso do cobre da placa de circuito impresso e o tamanho dos traços. O IPC-2221 nos fornece a fórmula I = KΔT^0.44 × A^0.75, onde K é 0.024 para condutores internos e 0.048 para condutores externos. As camadas internas podem suportar apenas metade da capacidade de condução de corrente dos traços expostos. O aumento de temperatura deve estar entre 10 e 20 °C na maioria das aplicações. O calor devido às perdas de I²R deve ser dissipado o suficiente para evitar falhas nos componentes.

Seleção de substrato e material de isolamento

O peso do cobre na PCB torna a seleção do substrato mais importante. A espessura da placa precisará ser superior a 1.6 mm para cobre de 20 oz. O uso de PCBs com alto teor de cobre exige materiais de alta Tg com CTE comparável. FR-4 funciona, mas PCBs com núcleo metálico (MCPCB) oferecem melhores benefícios térmicos. Algumas aplicações extremas exigirão laminados especiais com melhor condutividade térmica.

Gestão Térmica e Coeficiente de Expansão Térmica (CTE)

CTE (Coeficiente de Expansão Térmica) mede o quanto um PCB se expande com a temperatura, em ppm / ° C.

Laminados FR-4 padrão ter um CTE de 14–17 ppm/°C.

Pacotes de chips de silício têm um CTE menor de cerca de 6 ppm / ° C.

Incompatibilidade de CTE entre PCB e chips causa concentração de estresse durante mudanças de temperatura.

PCBs de cobre pesado necessidade incompatibilidade mínima de CTE porque o cobre espesso gera grandes forças térmicas.

PCB de cobre pesados Processo de Fabricação

A fabricação de PCBs de cobre pesado requer processos especializados que diferem significativamente da produção padrão de PCBs. PCBs comuns utilizam procedimentos simples de gravação e galvanoplastia. Placas de cobre pesado exigem técnicas avançadas para atender aos requisitos extremos de espessura de cobre.

1. Métodos Tradicionais de Fabricação

Métodos tradicionais formavam características pesadas de cobre por meio da gravação de placas laminadas espessas revestidas de cobre. Isso resultava em paredes laterais irregulares e cortes excessivos. A tecnologia moderna de galvanoplastia agora combina galvanização e gravação para criar paredes laterais retas com cortes mínimos.

2. Processamento de espessura e camada de cobre

Os fabricantes normalmente gravam laminados revestidos de cobre para PCBs com espessura de cobre inferior a 10 oz. Eles gravam diretamente as camadas internas sobre os laminados revestidos de cobre. As camadas externas passam por galvanoplastia adicional para atingir a espessura desejada. Uma PCB de cobre pesado de 3 oz usa laminados revestidos de cobre de 3 oz para as camadas internas e material de 2 oz para as camadas externas. A galvanoplastia adiciona o cobre restante.

3. Fabricação para Ultra-PCBs de cobre espesso

PCBs com espessura de cobre de 10 oz ou mais começam com folha de cobre vermelha em vez de laminados revestidos de cobre. Essa folha se combina com pré-impregnados para criar PCBs de cobre ultraespessos.

4. Desafios da Máscara de Solda

A aplicação de máscara de solda cria desafios únicos na fabricação de cobre pesado. A serigrafia tradicional frequentemente resulta em espessuras irregulares da máscara de solda. A tinta se acumula nos cantos do circuito e ao redor das vias. Alguns fabricantes utilizam tecnologia de pulverização eletrostática que aplica a máscara de solda uniformemente em toda a superfície da placa.

A capacidade de misturar cobre pesado com características padrão em uma única placa oferece vantagens significativas de fabricação. Essa combinação reduz o número de camadas, proporciona distribuição de energia de baixa impedância e cria dimensões menores com potencial economia de custos. Circuitos de alta corrente e seus circuitos de controle antes precisavam de placas separadas. Agora, eles se combinam perfeitamente para criar estruturas de placas altamente densas, porém simples.

Controles rigorosos de processo e testes completos garantem que essas placas especializadas atendam aos requisitos de aplicações de alta potência.

Aplicações de PCB de cobre pesados

PCBs de cobre pesado são essenciais em indústrias onde as placas de circuito convencionais não conseguem atender aos requisitos elétricos, térmicos ou mecânicos. Essas placas especializadas são a base de muitos sistemas de missão crítica.

1. Indústria automobilística

Na indústria automotiva, PCBs de cobre espesso se destacam em sistemas de carregamento de veículos elétricos e controladores de motores. Essas placas fornecem aos sistemas de gerenciamento de baterias a capacidade de lidar com correntes de até 100 amperes durante os ciclos de carga e descarga. Sua capacidade de suportar temperaturas acima de 150 °C as torna perfeitas para ambientes automotivos.

2. Sistemas de distribuição de energia

Os sistemas de distribuição de energia agora dependem fortemente dessas placas de circuito impresso (PCBs). As empresas as utilizam em sistemas de excitação para reguladores de energia, sistemas de comutação de rede, retificadores de alta potência e relés de sobrecarga. Placas de cobre modernas, com alto teor de PCBs, substituíram os métodos mais antigos de distribuição por cabos e chapas metálicas para otimizar processos e aumentar a confiabilidade do produto.

3. Aplicações militares e aeroespaciais

Os setores militar e aeroespacial dependem dessas PCBs especializadas para sistemas de controle de armas, equipamentos de radar e sistemas de monitoramento. A eletrônica em aviônicos e sistemas de comunicação dura mais graças ao seu desempenho mecânico excepcional em condições adversas.

4. Sistemas de energia renovável

Sistemas de energia renovável precisam de PCBs de cobre mais do que nunca. Inversores solares, controladores de turbinas eólicas e painéis de controle de usinas hidrelétricas usam essas placas para gerenciar cargas de alta potência. Para citar apenas um exemplo, um inversor solar de 5 kW pode usar trilhas projetadas para 30 amperes.

5. Equipamentos Médicos

Equipamentos médicos, como dispositivos de imagem e sistemas de monitoramento de pacientes, funcionam melhor com a confiabilidade das PCBs flexíveis de cobre pesado. Sistemas de automação industrial as utilizam em sistemas de segurança, equipamentos de soldagem e protetores contra surtos de tensão, onde altas correntes e tensões são comuns.

6. Avanços na Tecnologia de Fabricação

Os avanços na tecnologia de fabricação ajudaram essas placas especializadas a substituir os métodos tradicionais de transmissão. Essa mudança tornou os produtos menores e, ao mesmo tempo, mais confiáveis.

PCBasic's PCB de cobre pesado capacidades de fabricação

A PCBasic lidera a fabricação de PCBs de cobre pesado. Além disso, a PCBasic é uma das principais fornecedoras de PCBs de cobre pesado da China. Eles definem seus produtos de cobre espesso como placas com espessura de cobre interna ou externa maior ou igual a 3 OZ (105 µm). Seus PCBs de cobre ultraespessos atendem a necessidades de energia excepcionais com placas que excedem 300 µm.

As técnicas avançadas de fabricação da empresa vão muito além da produção padrão de placas de circuito. O maior problema na fabricação de cobre espesso é a perda substancial de brocas devido ao aumento da espessura do cobre. A PCBasic utiliza brocas especializadas de cobre espesso UC para enfrentar esse desafio. Seus equipamentos e parâmetros de perfuração otimizados criam paredes de furos que permanecem planas e lisas, mesmo em cobre excepcionalmente espesso.

A fase de corrosão desempenha um papel vital na produção de PCBs de cobre pesado. A PCBasic a considera sua principal tecnologia na fabricação de circuitos. A qualidade do circuito se torna mais difícil de manter à medida que a espessura do cobre aumenta.

A PCBasic se especializou em técnicas de serigrafia para aplicações pesadas de cobre. Seu foco está em fortes forças de ligação entre a máscara de solda e o material base. Uma bomba de vácuo para máscara de solda elimina problemas de qualidade causados ​​por bolhas na máscara de solda, que se tornam mais comuns em cobre mais espesso.

Todas as PCBs de cobre espesso da PCBasic utilizam materiais de alto teor de carbono (TG), por isso investiram em lâminas gongo especializadas revestidas em titânio. Esse investimento proporcionará um acabamento suave às bordas da placa durante toda a fabricação.

O departamento de P&D criou uma documentação completa, incluindo "Diretrizes de Projeto e Operação para PCB de Cobre Espesso" e "Controle do Modo de Falha do Processo para PCB de Cobre Espesso". Esses sistemas controlam o projeto do produto, os parâmetros do processo e os testes do produto final para atender aos requisitos do cliente.

Este sistema abrangente torna a PCBasic uma das melhores fabricantes de PCB de cobre pesado, atendendo com confiabilidade a aplicações exigentes. Seus produtos são adequados para dispositivos médicos, equipamentos de automação industrial, sistemas automotivos, trens de alta velocidade, navios, produtos militares e sistemas de iluminação LED.

Conclusão

PCBs com alto teor de cobre são cruciais para eletrônicos modernos de alta potência com espessuras de cobre de 3 oz/ft² ou mais. Essas placas podem gerenciar correntes de mais de 50 amperes sem sacrificar a estabilidade térmica, tornando-as cruciais para aplicações de alto consumo de energia.

O cobre para PCBs de alta resistência se destaca na resolução de calor, aumenta a credibilidade e previne falhas de componentes em condições extremas. Essa técnica substitui os métodos antigos de transmissão de energia, resultando em produtos menores e mais eficientes.

Cálculos cuidadosos de corrente, escolhas de substrato e expansão térmica são necessários para projetar PCBs de cobre pesados. Procedimentos de produção específicos, como corrosão e galvanoplastia, são importantes para sua produção.

O mercado de PCBs de cobre pesado está crescendo em setores como automotivo, militar, energia renovável e médico. À medida que os sistemas eletrônicos evoluem, os avanços nessa tecnologia aumentarão a densidade de potência e a confiabilidade para aplicações futuras.