Ontwerpen van PCB's van zwaar koper voor toepassingen met hoge stroom: een uitgebreide gids

Door de klant geautoriseerde afbeeldingen

In hoogvermogen elektronica—van omvormers voor elektrische voertuigen (EV's) tot industriële motoraandrijvingen—schieten standaard 1oz koperen printplaten (PCB's) tekort. Deze systemen vereisen PCB's die stromen van 30A tot 200A aankunnen zonder oververhitting, bestand zijn tegen thermische cycli en de signaalintegriteit behouden. Maak kennis met zware koperen PCB's: gedefinieerd door koperen sporen en vlakken van 3oz (105μm) of dikker, ze zijn ontworpen om de unieke uitdagingen van hoogstroomontwerp op te lossen.

Het ontwerpen van zware koperen PCB's gaat niet alleen over “het gebruik van dikker koper”—het vereist een zorgvuldige afweging van spoorgeometrie, materiaalcompatibiliteit, thermisch beheer en produceerbaarheid. Deze gids beschrijft de kritische principes van het ontwerp van zware koperen PCB's voor hoogstroomtoepassingen, van materiaalselectie tot best practices voor de lay-out, en legt uit hoe veelvoorkomende valkuilen te vermijden. Of u nu een 50A EV-batterijbeheersysteem (BMS) of een 150A industriële voeding ontwerpt, deze bron helpt u bij het creëren van betrouwbare, hoogwaardige printplaten.

Belangrijkste punten
1. Zware koperen (3oz+) sporen verwerken 2–5x meer stroom dan standaard 1oz koper: een 3oz spoor (105μm) voert 30A, terwijl een 10oz spoor (350μm) 80A ondersteunt in dezelfde breedte.

2. Kritische ontwerpfactoren zijn onder meer spoorbreedte/dikte (volg de IPC-2221-normen), thermische ontlastingspatronen (verminder hotspots met 40%) en via-vulling (massieve koperen vias voeren 3x meer stroom dan geplateerde vias).

3. Substraten met een hoge Tg (≥170°C) en met keramiek gevulde laminaten zijn onmisbaar voor hoogstroomontwerpen, omdat ze bestand zijn tegen bedrijfstemperaturen van 150°C+.

4. In vergelijking met standaard PCB's verminderen zware koperontwerpen de thermische weerstand met 60% en verlengen ze de levensduur van componenten met 2–3x in hoogvermogenssystemen.

Wat maakt zware koperen PCB's ideaal voor hoogstroomtoepassingen?
Hoogstroomcircuits genereren aanzienlijke warmte (volgens de wet van Joule: P = I²R), en standaard PCB's worstelen om deze energie af te voeren. Zware koperen PCB's pakken dit aan met drie belangrijke voordelen:

  a. Lagere elektrische weerstand: Dikker koper vermindert de weerstand (R = ρL/A, waarbij A = dwarsdoorsnede), waardoor het vermogensverlies en de warmteontwikkeling worden geminimaliseerd. Een 3oz koperen spoor heeft 66% minder weerstand dan een 1oz spoor van dezelfde breedte.
  b. Superieure thermische geleidbaarheid: De thermische geleidbaarheid van koper (401 W/m·K) is 1.300x hoger dan die van FR4 (0,3 W/m·K). Dikke koperen vlakken fungeren als ingebouwde koellichamen en verspreiden de warmte weg van componenten zoals IGBT's en MOSFET's.
  c. Verbeterde mechanische duurzaamheid: Dik koper (vooral 5oz+) is bestand tegen vermoeidheid door thermische cycli (-40°C tot 125°C) en trillingen, waardoor spoorvorming wordt verminderd—een veelvoorkomend faalpunt in standaard PCB's.

Zware koperdikte versus stroomvoerend vermogen
De relatie tussen koperdikte en stroom is niet lineair—spoorbreedte, omgevingstemperatuur en luchtstroom spelen ook een rol. Hieronder staat een praktische referentie voor hoogstroomontwerpen (gebaseerd op IPC-2221 en industriële tests, uitgaande van 25°C omgevingstemperatuur en 10 cm spoorlengte):

Opmerking: Gebruik voor stromen >100A parallelle sporen (bijv. twee 10oz, 1,5 mm sporen voor 200A) om overmatige spoorbreedte en fabricage-uitdagingen te voorkomen.

Kritische ontwerpprincipes voor zware koperen PCB's
Het ontwerpen van zware koperen PCB's voor hoge stromen vereist een evenwicht tussen elektrische prestaties, thermisch beheer en produceerbaarheid. Volg deze kernprincipes om uw ontwerp te optimaliseren:

1. Bereken de spoorbreedte en -dikte voor de doelstroom
De basis van hoogstroomontwerp is het dimensioneren van sporen om de verwachte stroom te verwerken zonder oververhitting. Gebruik deze richtlijnen:

 a. Volg de IPC-2221-normen: De IPC-2221-specificatie biedt formules voor spoorbreedte op basis van stroom, temperatuurstijging en koperdikte. Voor een temperatuurstijging van 10°C (gebruikelijk bij ontwerpen met hoge betrouwbaarheid):
    3oz koper: 0,8 mm breedte = 25A
    5oz koper: 0,8 mm breedte = 38A
 b. Houd rekening met de omgevingstemperatuur: In warme omgevingen (bijv. EV-motorruimtes, 85°C) moet de stroom met 30–40% worden verlaagd (zie tabel hierboven).
 c. Vermijd overdimensionering: Hoewel dikker koper beter is voor stroom, wordt 15oz+ koper moeilijk te etsen en te lamineren—houd het voor de meeste commerciële toepassingen op maximaal 10oz.

Toolaanbeveling: Gebruik online calculators zoals de PCB Trace Width Calculator (van Sierra Circuits) of de ingebouwde stroomclassificatietool van Altium om de dimensionering te valideren.

2. Prioriteer thermisch beheer
Zelfs met dik koper creëren hoogstroomcomponenten (bijv. IGBT's, vermogensweerstanden) hotspots. Beperk dit met deze strategieën:

  a. Thermische ontlastingspads: Verbind vermogenscomponenten met zware koperen vlakken met behulp van thermische ontlastingspatronen—sleufpads die warmteoverdracht en soldeerbaarheid in evenwicht brengen. Een thermische ontlastingspad van 5 mm×5 mm voor een TO-220-component vermindert de hotspot-temperatuur met 40% ten opzichte van een massieve pad.
  b. Koperen vlakken voor warmtespreiding: Gebruik 3–5oz koperen vlakken (niet alleen sporen) onder vermogenscomponenten. Een 5oz koperen vlak verspreidt de warmte 2x sneller dan een 3oz vlak.
  c. Thermische vias: Voeg met koper gevulde thermische vias (0,3–0,5 mm diameter) rond hete componenten toe om warmte over te brengen naar binnen-/buitenvlakken. Plaats vias 1–2 mm uit elkaar voor maximale efficiëntie—10 thermische vias verminderen de componenttemperatuur met 15–20°C.
  d. Vermijd spoorvernauwingen: Het vernauwen van een 10oz, 1,5 mm spoor naar 0,8 mm voor een connector creëert een knelpunt, waardoor de temperatuur met 25°C stijgt. Gebruik geleidelijke taps (1:3 verhouding) als breedteveranderingen nodig zijn.

Casestudy: Een 50A industriële voeding met 5oz koperen vlakken en 12 thermische vias verminderde de IGBT-junctietemperatuur van 120°C naar 85°C, waardoor de levensduur van de component werd verlengd van 3 jaar naar 7 jaar.

3. Optimaliseer via-ontwerp voor hoge stroom
Vias worden vaak over het hoofd gezien bij hoogstroomontwerp, maar ze zijn cruciaal voor het verbinden van lagen en het geleiden van stroom:

  a. Gebruik met koper gevulde vias: Standaard geplateerde vias (25μm koper) voeren 10–15A; met koper gevulde vias (massieve koperen kern) verwerken 30–50A, afhankelijk van de diameter. Een 0,5 mm gevulde via voert 35A—ideaal voor EV BMS-verbindingen.
  b. Vergroot de via-diameter: Gebruik voor stromen >50A meerdere vias (bijv. vier 0,5 mm gevulde vias voor 120A) of grotere vias (0,8 mm diameter = 50A per gevulde via).
  c. Vermijd via-stubs: Ongebruikte via-stubs (gebruikelijk bij doorlopende vias) creëren impedantie-mismatches en warmte. Back-drill stubs of gebruik blinde/begraven vias voor hoogstroompaden.

4. Selecteer compatibele materialen
Zware koperen PCB's vereisen materialen die bestand zijn tegen hoge hitte en mechanische belasting:

a. Substraat (kernmateriaal):
   High-Tg FR4 (Tg ≥170°C): Standaard voor de meeste hoogstroomontwerpen (bijv. EV BMS). Bestand tegen continu gebruik bij 150°C en loodvrij reflow (260°C).
   Met keramiek gevuld FR4 (bijv. Rogers RO4835): Thermische geleidbaarheid van 0,6 W/m·K (2x hoger dan standaard FR4) maakt het ideaal voor 70A+ systemen zoals zonne-omvormers.
   Metal-Core PCB's (MCPCB's): Combineer zwaar koper met een aluminium/koperen kern voor een thermische geleidbaarheid van 1–5 W/m·K—gebruikt in hoogvermogen LED-drivers en EV-oplaadmodules.
b. Koperfolietype:
   Elektrolytisch koper: Kosteneffectief voor diktes van 3–7oz; geschikt voor de meeste toepassingen.
   Gewalst koper: Hogere ductiliteit (bestand tegen scheuren) voor 10oz+ koper en flexibele zware koperen PCB's (bijv. opvouwbare EV-oplaadkabels).
c. Soldeermasker: Gebruik een hogetemperatuursoldeermasker (Tg ≥150°C) zoals DuPont PM-3300, dat bestand is tegen 260°C reflow en koperoxidatie voorkomt.

Materiaalsvergelijkingstabel:

5. Best practices voor lay-out voor produceerbaarheid
Zwaar koper (vooral 7oz+) is moeilijker te etsen en te lamineren dan standaard koper. Vermijd deze veelvoorkomende lay-outfouten:

 a. Spoorafstand: Houd ≥2x spoorbreedte aan tussen zware koperen sporen om etsproblemen te voorkomen. Gebruik voor een 1,0 mm, 5oz spoor een afstand van 2,0 mm.
 b. Randvrijheid: Houd zware koperen sporen ≥1,5 mm van de PCB-randen om delaminatie tijdens het lamineren te voorkomen.
 c. Etscompensatie: Zwaar koper etst langzamer—voeg 0,05–0,1 mm toe aan de spoorbreedtes in uw ontwerp om rekening te houden met etsverlies (bijv. ontwerp een 1,05 mm spoor voor een uiteindelijke breedte van 1,0 mm).
 d. Componentplaatsing: Plaats SMD-componenten (bijv. 0402 weerstanden) niet binnen 2 mm van zware koperen sporen—warmte van het spoor kan kleine componenten beschadigen tijdens het solderen.

Lay-outfout versus oplossingstabel:

Geavanceerde ontwerpstrategieën voor ultra-hoogstroomsystemen (100A+)
Voor systemen zoals EV-omvormers (150A+) en industriële gelijkrichters (200A+) is basisontwerp met zwaar koper niet voldoende. Gebruik deze geavanceerde technieken:

1. Parallelle spoorrouting
Gebruik in plaats van een enkel breed spoor (bijv. 3 mm 10oz) 2–4 parallelle sporen (bijv. twee 1,5 mm 10oz sporen) om:

  a. De etssmoeilijkheid te verminderen (brede sporen zijn gevoelig voor ondersnijding).
  b. De stroomverdeling te verbeteren (parallelle sporen minimaliseren weerstandsvariaties).
  c. De componentplaatsing te vergemakkelijken (smallere sporen maken ruimte vrij op de printplaat).

Vuistregel: Plaats parallelle sporen ≥1x hun breedte uit elkaar om wederzijdse verwarming te voorkomen—twee 1,5 mm 10oz sporen met een afstand van 1,5 mm voeren 160A (vs. 80A voor één 1,5 mm spoor).

2. Integratie van busbars
Integreer voor stromen van 200A+ zware koperen busbars (15oz+ koper, 2–3 mm dik) in de PCB:

  a. Busbars fungeren als “vermogenssnelwegen” en voeren stroom over de printplaat zonder spoorbeperkingen.
  b. Bevestig busbars aan de PCB via met koper gevulde vias (0,8 mm diameter, 5 mm uit elkaar) voor mechanische en elektrische stabiliteit.

Voorbeeld: Een 250A industriële motoraandrijving gebruikt een 20oz koperen busbar met 12 gevulde vias, waardoor het vermogensverlies met 25% wordt verminderd ten opzichte van een ontwerp met alleen sporen.

3. Thermische interfacematerialen (TIM's)
Combineer zware koperen PCB's met TIM's om warmte over te brengen naar externe koellichamen:

  a. Gebruik thermisch vet (thermische geleidbaarheid 3–6 W/m·K) tussen de PCB en het koellichaam voor 50–100A systemen.
  b. Gebruik voor 100A+ systemen thermische pads (bijv. Bergquist Gap Pad) met een geleidbaarheid van 8–12 W/m·K—ze vullen luchtspleten en kunnen hogere druk aan.

Impact: Een 100A EV-omvormer met een TIM vermindert de PCB-temperatuur met 20°C ten opzichte van geen TIM, waardoor de levensduur van de omvormer met 3x wordt verlengd.

Veelvoorkomende ontwerpfouten en hoe deze te voorkomen
Zelfs ervaren ontwerpers maken fouten met zware koperen PCB's. Hier ziet u hoe u ze kunt opvangen en oplossen:
1. Overschatting van de temperatuurstijging
Valkuil: Het gebruik van een 3oz, 1,0 mm spoor voor 35A (overschrijding van de classificatie van 30A) leidt tot een temperatuurstijging van 30°C en spooroxidatie.
Oplossing: Gebruik een 5oz, 1,0 mm spoor (45A classificatie) of een 3oz, 1,2 mm spoor (35A classificatie) om de temperatuurstijging te houden<10°C.

2. Het negeren van thermische cyclische belasting
Valkuil: Dik koper (10oz+) en standaard FR4 hebben niet-overeenkomende coëfficiënten van thermische uitzetting (CTE), waardoor sporen na 500 thermische cycli scheuren.
Oplossing: Gebruik gewalst koper (hogere ductiliteit) en high-Tg FR4 (CTE dichter bij koper) om 1.000+ cycli te weerstaan.

3. Slechte thermische ontlasting van vias
Valkuil: Het verbinden van een 5oz koperen vlak met een component met een massieve pad houdt warmte vast, wat leidt tot het falen van de soldeerverbinding.
Oplossing: Gebruik een thermische ontlastingspad met 4–6 sleuven (elk 0,2 mm breed) om warmteoverdracht en soldeerbaarheid in evenwicht te brengen.

4. Het over het hoofd zien van soldeerbaarheid
Valkuil: 10oz+ koperen sporen hebben een grote thermische massa, waardoor soldeer te snel afkoelt en koude verbindingen vormt.
Oplossing: Verwarm de PCB voor tot 120°C tijdens het solderen en gebruik soldeer met een hoge temperatuur (bijv. SAC305, smeltpunt 217°C) met een langer reflow-profiel.

Praktijktoepassingen van zware koperen PCB's in hoogstroomsystemen
Zware koperen PCB's zijn transformatief in alle industrieën waar hoge stroom en betrouwbaarheid cruciaal zijn:
1. Elektrische voertuigen (EV's) en hybride EV's
  a. EV-omvormers: Converteren DC-accustroom naar AC voor motoren (150–300A). Een Tesla Model Y-omvormer gebruikt 5oz koperen sporen en met koper gevulde vias, waardoor het vermogensverlies met 18% wordt verminderd ten opzichte van een 3oz ontwerp.
  b. Batterijbeheersystemen (BMS): Bewaken en balanceren van batterijcellen (20–50A). 3oz koperen sporen in een Chevrolet Bolt BMS zorgen voor een uniforme stroomverdeling, waardoor de levensduur van de batterij met 2 jaar wordt verlengd.
  c. Oplaadmodules: Snellaadsystemen (100–200A) gebruiken 7oz koperen busbars en aluminium MCPCB's om hoge stromen te verwerken en warmte af te voeren.

2. Hernieuwbare energie
 a. Zonne-omvormers: Converteren DC-zonne-energie naar AC (50–100A). 5oz met keramiek gevulde FR4 PCB's in een 10kW zonne-omvormer verminderen de hotspot-temperaturen met 25°C, waardoor de efficiëntie met 3% wordt verbeterd.
 b. Windturbinecontrollers: Beheren van de spoed en het vermogen van de turbine (80–120A). 10oz gewalste koperen PCB's zijn bestand tegen trillingen (20G) en temperatuurschommelingen (-40°C tot 85°C), waardoor de onderhoudskosten met $20.000 per turbine per jaar worden verlaagd.

3. Industriële machines
  a. Motoraandrijvingen: Regelen van de snelheid van de wisselstroommotor (30–80A). Een Siemens Sinamics V20-aandrijving gebruikt 5oz koperen vlakken en thermische vias, waardoor de afmetingen van de aandrijving met 30% worden verminderd ten opzichte van een standaard PCB-ontwerp.
  b. Lasapparatuur: Leveren van hoogstroombogen (150–200A). 15oz koperen busbars in een Lincoln Electric lasmachine verwerken 200A zonder oververhitting, waardoor een consistente laskwaliteit wordt gegarandeerd.

4. Medische apparaten
  a. Draagbare defibrillatoren: Leveren van schokken van 300A (kortstondig). Zware koperen PCB's met 10oz sporen en met koper gevulde vias zorgen voor een betrouwbare stroomtoevoer, cruciaal voor noodgebruik.
  b. Dialysemachines: Voeden van pompen en verwarmers (20–40A). 3oz high-Tg FR4 PCB's zijn bestand tegen sterilisatiechemicaliën en behouden de stabiliteit, voldoen aan de ISO 13485-normen.

Veelgestelde vragen over het ontwerpen van zware koperen PCB's voor hoge stromen
V: Wat is de maximale koperdikte die ik kan gebruiken voor een zware koperen PCB?
A: Commerciële fabrikanten ondersteunen tot 20oz (700μm) koper, hoewel 10oz de praktische limiet is voor de meeste ontwerpen (15oz+ vereist gespecialiseerde etsapparatuur). Aangepaste militaire/lucht- en ruimtevaartontwerpen kunnen 30oz (1050μm) bereiken voor extreme hoogstroombehoeften.

V: Kunnen zware koperen PCB's hogesnelheidssignalen (bijv. 5G) ondersteunen?
A: Ja—met zorgvuldig ontwerp. Gebruik 3–5oz koper voor vermogenspaden en 1oz koper voor hogesnelheidssporen (om gecontroleerde impedantie te behouden). Plasma-etsen zorgt voor een spoorbreedte/afstand van 0,1 mm/0,1 mm voor signalen van 1 Gbps+.

V: Hoe test ik een zware koperen PCB op hoogstroomprestaties?
A: Voer deze tests uit:

Stroomcycli: Breng 120% van de nominale stroom aan gedurende 1.000 cycli (-40°C tot 125°C) om te controleren op spoorvorming.
Thermische beeldvorming: Gebruik een infraroodcamera om hotspots in kaart te brengen—temperaturen moeten<125°C blijven voor 85°C omgevingstemperatuur.
Weerstandsmeting: Volg de spoorweerstand in de loop van de tijd; een toename van >10% duidt op oxidatie of schade.

V: Welke ontwerpsoftware is het beste voor zware koperen PCB's?
A: Altium Designer en Cadence Allegro hebben ingebouwde tools voor zwaar koper:

Altium: “Heavy Copper” design rule checker (DRC) en stroomclassificatiecalculator.
Cadence: Thermische analysemodules om warmteverdeling te simuleren.

V: Hoeveel kost een zware koperen PCB in vergelijking met een standaard PCB?
A: 3oz koper kost 2x meer dan 1oz; 10oz koper kost 4–5x meer. De premie wordt gecompenseerd door lagere kosten voor koellichamen (30–50% besparing) en een langere levensduur van de componenten.

Conclusie
Het ontwerpen van zware koperen PCB's voor hoogstroomtoepassingen is een evenwichtsoefening—tussen stroomcapaciteit en produceerbaarheid, thermisch beheer en kosten, duurzaamheid en signaalintegriteit. Door de IPC-normen te volgen, de juiste materialen te selecteren en prioriteit te geven aan thermische ontlasting en via-ontwerp, kunt u printplaten maken die stromen van 30A tot 200A betrouwbaar aankunnen.

Zware koperen PCB's zijn niet alleen een “upgrade” van standaard PCB's—ze zijn een noodzaak voor de volgende generatie hoogvermogen elektronica, van EV's tot hernieuwbare energiesystemen. Naarmate deze industrieën groeien, zal de vraag naar slim, efficiënt zwaar koperontwerp alleen maar toenemen—waardoor het een cruciale vaardigheid is voor ingenieurs en fabrikanten.

De sleutel tot succes? Over-engineeren niet (bijv. 10oz koper gebruiken voor een 20A ontwerp) of onder-engineeren (bijv. 3oz voor 40A). Stem de koperdikte af op de stroombehoeften, gebruik thermisch beheer strategisch en werk samen met een fabrikant met ervaring in de fabricage van zwaar koper. Met deze stappen bouwt u PCB's die onder druk presteren—letterlijk.