Expertgids 2024: Ontwerpen van zware koperen PCB's voor hoogstroomtoepassingen – Tips, thermisch beheer & beste praktijken

In het tijdperk van elektrische voertuigen, hernieuwbare energiesystemen en industriële automatisering,high-power electronics demand circuit boards die met extreme stromen kunnen omgaan zonder oververhitting of storingDeze robuuste PCB's zijn uitstekend in het dragen van 50A+ stromen, maar kunnen ook worden gebruikt voor het verwerken van elektrische elektronen.Het vermogen om warmte efficiënt te verdrijven (warmtegeleidbaarheid van koper)De wereldwijde markt voor zware koperen PCB's zal naar verwachting tot 2030 met een CAGR van 8,3% groeien, gedreven door de vraag naar aandrijflijnen voor elektrische voertuigen, zonne-inverters,en militaire uitrusting.

Deze uitgebreide gids beschrijft de essentiële ontwerpprincipes, thermische beheersstrategieën en geavanceerde technieken voor PCB's van zwaar koper.en de beste praktijken van de industrie , stelt het ingenieurs en ontwerpers in staat betrouwbare, hoogwaardige platen te maken voor toepassingen met een hoge stroom.

Belangrijkste lessen
1De dikte van het koper is van cruciaal belang: 3 oz koper (105 μm) draagt 2x meer stroom dan 1 oz (35 μm) en vermindert de warmteopkomst met 40% voor dezelfde spoorbreedte.
2.De spoorbreedte volgt IPC-normen: Gebruik de IPC-2221-formule (of online rekenmachines) om sporen te meten. Bijvoorbeeld, een koperen spoor van 2 oz heeft een breedte van 20 mil voor 5A nodig (500 cirkelvormige mil/amp regel).
3.Thermisch beheer is niet onderhandelbaar: Combineer thermische via's (diameter 0,2 ∼0,4 mm), materialen met een hoge thermische geleidbaarheid (MCPCB's) en hitteafvoeringen om de temperatuur < 125°C te houden.
4.Manufacturabiliteitsvraagstukken: Vermijd te dik koper (≥ 10 oz) zonder input van de leverancier – het kan laminatieproblemen veroorzaken.
5.Geavanceerde technieken verbeteren de prestaties: koperen busbars verminderen de inductance met 30%, terwijl meerlaagse ontwerpen de stroom gelijkmatig over 4~12 lagen verdelen.

Begrijpen van PCB's met zwaar koper

Wat is een PCB met zwaar koper?
Een zwaar koper PCB wordt gedefinieerd door zijn dikke koperlagen van 105,5 μm of meer in vergelijking met standaard PCB's. Dit extra koper stelt het bord in staat:
a. Voert hoge stromen (50A ∼ 500A) zonder overmatige hitte.
b.Verwijder warmte 3 × 5 keer sneller dan standaard PCB's.
c. Bestaan tegen mechanische spanningen (bijv. trillingen in elektrische voertuigen) en thermische cycli.

Kerndefinitiekriteria

Belangrijkste voordelen van PCB's met zwaar koper
Zware koper-PCB's hebben een betere prestatie dan standaard-PCB's in scenario's met een hoog vermogen en bieden vier belangrijke voordelen:

Critische toepassingen voor PCB's van zwaar koper
Zware koper-PCB's zijn onmisbaar in industrieën waar de betrouwbaarheid onder hoge stroom niet te onderhandelen is:

Voorbeeld: Tesla's Model 3 BMS maakt gebruik van 6 oz zware koperen PCB's om 400V+ stromen te verwerken, waardoor warmtegerelateerde storingen met 70% worden verminderd in vergelijking met eerdere modellen met standaard PCB's.

Essentiële ontwerpoverwegingen voor PCB's van zwaar koper
Het ontwerpen van zware koperen PCB's vereist een evenwicht tussen stroomcapaciteit, thermisch beheer en fabricagevermogen.
1. Het kiezen van de juiste koperdikte
De dikte van koper heeft een directe invloed op de draagcapaciteit van de stroom, de warmteafvoer en de complexiteit van de productie.

Koperen dikte versus prestaties

Belangrijke factoren om te overwegen bij het meten van koper
a.Huidige vereisten: Gebruik voor snelle schattingen de regel van 500 cirkelvormige mil per ampère (1 cirkelvormige mil = 0,001 mil2) – bijvoorbeeld 5A heeft 2500 cirkelvormige mil nodig (20 mil breed × 70 μm / 2 oz dik).
b.Hitteverhogingsgrenzen: industriële normen staan een warmteverhoging van 30°C tot 40°C toe; voor kritieke toepassingen (bijv. medische toepassingen) is < 20°C vereist. Dikker koper vermindert de warmteverhoging exponentieel.
c. Vervaardigbaarheid: koper ≥ 10 oz vereist een gespecialiseerde bekleding (bijv. galerij galvanisatie) en laminatie.
d.Kosten: Elke ounce koper voegt ~15~20% toe aan de PCB-kosten.

Tool Tip: Gebruik ANSYS of SolidWorks PCB om stroomstroom en warmte stijging te simuleren.

2. Berekening van spoorbreedtes voor hoge stroom
Tracebreedte is de meest kritische ontwerpparameter voor zware koperen PCB's: te smal, en het bord oververhit; te breed, en het verspilt ruimte.

IPC-2221 Trace Width Formule
I=k×(ΔT 0.44)) ×W 1.0×t 0.725
Waar:
I: stroom in ampère (A)
ΔT: Toegestane temperatuurstijging (°C)
W: Breedte van het spoor in mils (1 mil = 0,0254 mm)
t: Dikte van koper in oz/ft2
k: Constante (variëert naar koperdikte: 0,048 voor 1 oz, 0,064 voor 2 oz, 0,078 voor 3 oz)

Voorbeelden van berekeningen

Critische tips voor het ontwerpen van sporen
a.Buitenste versus binnenste sporen: Buitenste sporen koelen 30% sneller af dan binnenste sporen (uitgestraald aan lucht)
b. Trace-vorm: vermijd scherpe hoeken (> 90°) en gebruik afgeronde hoeken om de drukte van de stroom te verminderen (veroorzaakt hot spots).
c. Parallelle sporen: voor stromen > 100 A, gebruik 2 ′ 4 parallelle sporen (op een afstand ≥ 3x de sporenbreedte) om de stroom gelijkmatig te verdelen.

3. Beheer van thermische uitbreiding en stress
Zware koper-PCB's zijn gevoelig voor thermische spanningen als gevolg van ongelijke coëfficiënten van thermische uitbreiding (CTE) tussen koper (17 ppm/°C) en FR4 (13 ppm/°C).of plankvervorming, met name tijdens thermische cyclus (-40°C tot +125°C).

Strategieën om warmte-stress te verminderen

Gegevenspunt: Een zwaar koper PCB met thermische via's en FR4 met een hoge Tg heeft een 60% lager foutpercentage tijdens thermische cycli dan een standaardontwerp.

4. Verzekering van de vervaardigbaarheid
De productie van PCB's van zwaar koper is ingewikkelder dan die van standaardplaten.
a.Vermijd te dik koper: koper ≥ 10 oz vereist een gespecialiseerde laminatie (vacuümpers + hoge temperatuur) en kan de doorlooptijd met 2 ∼ 3 weken verlengen.
b.Minimum trace spacing: gebruik ≥ 10 mil spacing voor 3 oz koper (tegenover 6 mil voor 1 oz) om kortsluitingen tijdens het etsen te voorkomen.
c.Laminatiecontrole: Werk met leveranciers met behulp van galvanische galvanisering of horizontale kopersinking om een uniforme koperdikte te garanderen.
d. Ontwerp voor het testen: testpunten langs hoogstroompaden toevoegen om continuïteit en stroomstroom te controleren zonder het bord te beschadigen.

Best Practices for Thermal Management in Heavy Copper PCBs (beste praktijken voor thermisch beheer in PCB's met zwaar koper)
Hitte is de grootste vijand van hoogstroom-PCB's – ongecontroleerde temperaturen verminderen de levensduur van componenten en veroorzaken plotselinge storingen.

1. Thermische via's: de basis van warmteafvoer
Thermische vias zijn kleine gaten (0,2 ∼ 0,4 mm) bekleed met koper die warmte overbrengen van de bovenste laag naar de onderste laag (of grondvlak)..

Ontwerprichtlijnen voor thermische via

Vergelijking van de thermische prestaties

2. Materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid
Het PCB-substraat speelt een cruciale rol bij de warmteafvoer van standaard FR4 naar deze materialen voor toepassingen met hoge stroom:

Voorbeeld: een koper MCPCB met 4 oz koper vermindert de warmteverhoging met 45% in vergelijking met een standaard FR4 PCB voor dezelfde 50A-toepassing.

3Strategische plaatsing van componenten
De opstelling van de componenten heeft een directe invloed op de thermische prestaties.
a.Spread High-Power Parts: Space MOSFET's, IGBT's en transformatoren ≥ 5 mm van elkaar verwijderd om warmteophoping te voorkomen.
b.Afzonderlijke gevoelige componenten: hou besturings-IC's (bijv. microcontrollers) ≥ 10 mm van hoge stroom af om thermische schade te voorkomen.
c.Alignen met koelpaden: plaats hete componenten over thermische vias of metalen kernen om de warmteoverdracht te maximaliseren.
d.Vermijd kruisingen in de sporen: kruis sporen met hoge stroom op 90° (niet parallel) om wederzijdse verwarming te verminderen.

4. Warmteafvoeringen en thermische pads
Voor stromen van > 100 A of onderdelen met een vermogensafvoer van > 5 W wordt externe koeling toegevoegd:
Warmteafzuigers: vergroten met behulp van thermische pasta (thermische geleidbaarheid: 1 ̊4 W/mK) met behulp van de formule:
Tj=T a + ((R ja ×P)
Waar Tj = verbindingstemperatuur, T a = omgevingstemperatuur, R ja = thermische weerstand (°C/W), P = vermogensafvoer (W).
b.Thermal pads: gebruik siliconen of grafiet thermische pads (thermische geleidbaarheid: 1 ‰ 10 W/mK) om gaten tussen onderdelen en hittezuigers te vullen ‰ ideaal voor onregelmatige oppervlakken.
c. Gedwongen luchtkoeling: toevoeging van ventilatoren voor industriële apparatuur die werkt bij hoge omgevingstemperaturen (> 40 °C).

Tip: Een 20 mm × 20 mm × 10 mm aluminium-warmtezuiger verlaagt de verbindingstemperatuur van een 10 W-component met 40 °C.

Geavanceerde technieken voor toepassingen met hoge stroom
Voor extreme stromen (100A+) of complexe ontwerpen, gebruik deze geavanceerde methoden om de prestaties en betrouwbaarheid te verhogen.

1Koperen busbars voor lage-inductie stroom
Koperen busbars zijn dikke, vlakke koperen strips (3 ′′ 10 mm breed, 1 ′′ 3 mm dik) geïntegreerd in het PCB om ultrahoge stromen te dragen.
a.Low inductance: Vermindert spanningspieken en EMI met 30% in vergelijking met standaardspuren.
b.Hoge stroomcapaciteit: een 10 mm × 2 mm koperbalk draagt 200 A bij een warmteverhoging van 40 °C.
c.Vereenvoudigde montage: vervang meerdere parallelle sporen door één busbar, waardoor de soldeerpunten en het risico op storing worden verminderd.

Koperen busbar design tips
a.Dikte: gebruik ≥1 mm dikte voor stromen > 100 A om de weerstand te minimaliseren.
b.Montage: Beveilig busbars met geïsoleerde standoffs om kortsluitingen te voorkomen.
c. Platering: Platen met tin of nikkel om oxidatie te voorkomen en de lasbaarheid te verbeteren.

2. Terminalblokken voor veilige verbindingen
Terminalblokken zorgen voor veilige, betrouwbare verbindingen voor hoogstroomdraad (bijv. 10AWG4AWG). Selecteer terminalblokken op basis van:
a.Nummerstroom: Kies blokken met een nominale stroom van 1,5x de maximale stroom (bijv. 75A-blokken voor 50A-toepassingen).
b. Draadvermogen: overeenstemmen met de blokgrootte van de draaddikte (bijv. 6AWG-draad heeft een eindblok met een capaciteit van 16 mm2 nodig).
c.Montage: Gebruik schroef- of veerclamps voor trillingsweerstand (kritisch voor elektrische voertuigen en industriële apparatuur).

3. Meerdere lagen zware koperen PCB's
Meerdere lagen (4 ∼12 lagen) verspreiden stroom over meerdere koperschichten, waardoor de spoorbreedte en de warmteverhoging worden verminderd.
a.Kracht- en grondvlakken: gebruik 2 ∼4 lagen als speciale kracht-/grondvlakken om de stroom gelijkmatig te verspreiden.
b.Layer Stacking: Plaats koperlagen symmetrisch (bijv. power → signal → ground → signal → power) om vervorming te verminderen.
c. Via stitching: verbinding van de stroom/aardvlakken met vias (0,3 mm, 50 mil pitch) om de stroomverdeling te verbeteren en de inductance te verminderen.

Voorbeeld: een 6-laag zwaar koper PCB met 4 oz vermogen vliegtuigen draagt 150A met een 30 ° C hitte stijging, iets wat een 2-laag bord alleen met onpraktisch brede sporen (100 mil+) zou kunnen bereiken.

Waarom samenwerken met een gespecialiseerde producent van PCB's van zwaar koper
Het ontwerpen van zware koperen PCB's is slechts de helft van de strijd.
a.IPC-certificeringen: IPC 610 klasse 3 (hoogste kwaliteit) en IPC 2221-naleving voor trace sizing.
b.Gespecialiseerde apparatuur: galvanische galvanisering, vacuümlaminatie en laserboren voor kleine vias.
c.Materiële deskundigheid: Ervaring met MCPCB's, kopersubstraten en dik koper (tot 20 oz).
d.Testmogelijkheden: thermische beeldvorming, stroomstests en thermische cycling om de prestaties te valideren.
e. Aanpassing: mogelijkheid om koperen dikte, soldeermask en afwerking (ENIG, HASL) aan uw toepassing aan te passen.

Case Study: Een hernieuwbare energiebedrijf werkte samen met een IPC 610 Class 3 fabrikant om 6 oz zware koperen PCB's te produceren voor zonne-omvormers.De boards verminderen met 80% de warmtegerelateerde storingen en verbeteren het rendement van de omvormer met 3%.

FAQ: Veelgestelde vragen over PCB's met zwaar koper
1Wat is de maximale koperdikte voor PCB's van zwaar koper?
De meeste fabrikanten bieden tot 20 oz (700 μm) koper voor extreme toepassingen (bijv. militaire radar, lasapparatuur).Een dikker koper (> 20 oz) is mogelijk, maar vereist aangepaste gereedschappen en langere levertijden.

2. Kunnen zware koperen PCB's in hoogfrequente toepassingen worden gebruikt?
Ja, dik koper vermindert de impedantie (kritisch voor hoogfrequente signalen), maar vereist een zorgvuldig spoorontwerp om signaalverlies te voorkomen.Polar Instruments) om de spoorbreedte en afstand voor 50Ω/75Ω-impedantie te optimaliseren.

3Hoe kan ik de kosten en prestaties van zware koperen PCB's in evenwicht brengen?
a. Gebruik de minimale koperdikte die nodig is voor uw huidige vereisten (bijv. 3 oz in plaats van 6 oz voor 30 A).
b. Beperk meerlaagse ontwerpen tot 4 ∼ 6 lagen, tenzij > 100 A vereist is.
c.Kies voor FR4 of aluminium MCPCB in plaats van koperen MCPCB voor kostengevoelige projecten.

4Wat zijn de meest voorkomende storingen van PCB's van zwaar koper?
a.Delaminatie: veroorzaakt door een slechte laminatie (onvoldoende druk/temperatuur) of een overmatige koperdikte.
b.Pad Lifting: als gevolg van thermische stress door CTE-mismatch wordt opgelost met traanblokjes en thermische via's.
c. Fouten bij etsen: onder- of over-etsen van dik koper. Gebruik een fabrikant met gecontroleerde etsen.

Conclusie: PCB's met zwaar koper

Aangezien de elektronica hogere stroom en een grotere betrouwbaarheid verlangt, van elektrische voertuigen naar hernieuwbare energiesystemen, zijn zware koperen PCB's onmisbaar geworden.warmte efficiënt afvoeren, en bestand zijn tegen zware omstandigheden, maken ze de beste keuze voor krachtige toepassingen.
De sleutel tot een succesvol ontwerp van PCB's met zwaar koper ligt in:
a.De juiste koperdikte om de huidige capaciteit en kosten in evenwicht te brengen.
b.Precise berekeningen van de spoorbreedte met behulp van IPC-normen om oververhitting te voorkomen.
c.omvattend thermisch beheer (thermische via, hoogthermische materialen, hitteafvoeringen).
d.Manufacturabiliteit: samenwerking met IPC-gecertificeerde leveranciers om gebreken te voorkomen.

In de toekomst zullen zware koperen PCB's een nog grotere rol spelen in de overgang naar schone energie en elektrische mobiliteit.de koperen legeringen met een hogere geleidbaarheid en de geïntegreerde koelsystemen zullen de prestaties verder verbeteren en tegelijkertijd de grootte en kosten verminderen;.

Voor ingenieurs en ontwerpers is het beheersen van het ontwerp van PCB's van zwaar koper niet langer een optie, maar een noodzaak om concurrerend te blijven op de markt voor elektronica met een hoog vermogen.Door de in deze gids uiteengezette beginselen te volgen, kun je boards maken die betrouwbaar, efficiënt en gebouwd zijn om te voldoen aan de eisen van de technologie van morgen.