Wenn Ingenieure eine Leiterplatte spezifizieren, legen sie in der Regel zunächst die Anzahl der Schichten und die Plattendicke fest.
Auch der Dicke des Kupfers sollte ebenso viel Aufmerksamkeit geschenkt werden.
Dies hat weitaus größere Auswirkungen als die Menge an Kupfer auf der Leiterplatte. Strombelastbarkeit, Spannungsabfall, Wärmeableitung, Leiterbahnbreite und Herstellungskosten werden alle von diesem einen Parameter beeinflusst.
Bei den meisten kommerziellen Produkten, 1 Unze Kupfer ist die Standardwahl. Das bedeutet jedoch nicht, dass es immer die beste Option ist.
Die Wahl der geeigneten Kupferdicke sollte stets auf der Grundlage der elektrischen und thermischen Anforderungen der Konstruktion erfolgen.
Was die Kupferdicke einer Leiterplatte bedeutet
Die Kupferdicke bezieht sich auf die Dicke der leitfähigen Kupferfolie, die auf das Leiterplattensubstrat laminiert ist.
In der Leiterplattenindustrie wird die Kupferdicke üblicherweise angegeben als Unzen pro Quadratfuß (oz/ft²) anstelle von Millimetern oder Mikrometern.
Die Umrechnung lautet ungefähr:
| Kupfer Gewicht | Ungefähre Dicke |
|---|---|
| 0,5 oz | 17 μm |
| 1 oz | 35 μm |
| 2 oz | 70 μm |
| 3 oz | 105 μm |
| 4 oz | 140 μm |
Diese Werte beziehen sich auf die Enddicke des Kupfers vor einer zusätzlichen Beschichtung im Rahmen der Fertigung.
Warum die Dicke des Kupfers eine Rolle spielt
Die Kupferdicke beeinflusst verschiedene Aspekte der Leistung von Leiterplatten.
Eine dickere Kupferschicht kann:
- einen höheren Strom führen
- Widerstandsverluste reduzieren
- die Wärmeverteilung verbessern
- die mechanische Robustheit erhöhen
Gleichzeitig kann dies größere Abstände, breitere Leiterbahnen und zusätzliche Fertigungskontrollen erfordern.
Die Entscheidung für dickeres Kupfer allein deshalb, weil es “besser” aussieht, ist selten die wirtschaftlichste Lösung.
Gängige Optionen für die Kupferdicke
0,5 oz Kupfer
Kupfer mit einer Stärke von einer halben Unze wird häufig für Entwürfe mit folgenden Eigenschaften gewählt:
- hohe Routing-Dichte
- Fine-Pitch-Komponenten
- Schwachstromsignale
Das dünnere Kupfer ermöglicht eine feinere Leiterbahngeometrie, wodurch es sich besonders für kompakte digitale Produkte eignet.
1 Unze Kupfer
Eine Unze Kupfer ist der Industriestandard.
Es bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen elektrischer Leistung, Herstellbarkeit und Kosten.
Typische Anwendungen sind:
- Unterhaltungselektronik
- Kommunikationsmittel
- industrielle Steuerungen
- Allzweck-Embedded-Systeme
Die meisten Leiterplattenhersteller verwenden standardmäßig eine Kupferschichtdicke von 1 oz, sofern kein anderer Wert angegeben wird.
2 oz Kupfer
Kupfer mit einer Stärke von zwei Unzen wird üblicherweise dort verwendet, wo eine zusätzliche Strombelastbarkeit erforderlich ist.
Typische Anwendungen sind:
- Motorsteuerungen
- industrielle Stromversorgungen
- LED-Treiber
- Batteriemanagementsysteme
Im Vergleich zu 1 oz Kupfer können Leiterbahnen höhere Stromstärken führen, ohne dass die Temperatur so schnell ansteigt.
Allerdings kann die Verdrahtungsdichte abnehmen, da häufig größere Abstände erforderlich sind.
3 oz Kupfer und mehr
Kupfergewichte über 2 oz werden im Allgemeinen als „schweres Kupfer“ eingestuft.
Diese Platinen sind für anspruchsvolle elektrische Umgebungen konzipiert, wie zum Beispiel:
- Stromumwandlungsanlagen
- Schweißanlagen
- Produkte im Bereich erneuerbare Energien
- Hochstrom-Industriesteuerungen
Die Herstellung von Leiterplatten mit hohem Kupferaufwand erfordert eine strengere Prozesskontrolle als bei Standardleiterplatten.
Wie sich die Kupferdicke auf das Leiterplattendesign auswirkt
Die Kupferdicke sollte bereits in einer frühen Phase des Layout-Prozesses berücksichtigt werden.
Eine Änderung nach Abschluss des Routings erfordert oft Anpassungen am Entwurf.
Derzeitige Tragfähigkeit
Dickeres Kupfer verringert den elektrischen Widerstand, sodass die Leiterbahnen mehr Strom führen können.
In vielen Fällen lässt sich durch eine Erhöhung der Kupferdicke der Bedarf an übermäßig breiten Leiterbahnen verringern.
Wärmeableitung
Kupfer trägt zudem dazu bei, die Wärme auf der Leiterplatte zu verteilen.
Obwohl FR4 kein besonders leitfähiges Material ist, kann eine dickere Kupferschicht die Wärmeverteilung verbessern und lokale Überhitzungsstellen verringern.
Leiterbahnbreite
Die Stromtragfähigkeit hängt sowohl von der Kupferdicke als auch von der Leiterbahnbreite ab.
Entwickler wägen diese beiden Faktoren oft gegeneinander ab, um den verfügbaren Platz auf der Platine optimal zu nutzen.
Herstellungskosten
Ein höheres Kupfergewicht führt in der Regel zu höheren Fertigungskosten.
Insbesondere bei mehrschichtigen Leiterplatten können zusätzliche Bearbeitungsschritte und engere Fertigungstoleranzen erforderlich sein.
Weiterführende Lektüre: Leitfaden zum Entwurf mehrschichtiger Leiterplatten
Auswahl der Kupferdicke für verschiedene Anwendungsbereiche
Verschiedene Produkte stellen unterschiedliche Anforderungen.
Unterhaltungselektronik
Die meisten Produkte lassen sich gut mit folgenden Produkten kombinieren:
- 1 Unze Kupfer
Dies gewährleistet eine ausreichende Leistung und hält gleichzeitig die Herstellungskosten unter Kontrolle.
Industrieausrüstung
In industriellen Systemen kommen häufig folgende Komponenten zum Einsatz:
- 2 oz Kupfer
Das zusätzliche Kupfer verbessert die Strombelastbarkeit und die Wärmeableitung.
Leistungselektronik
Hochstromschaltungen erfordern häufig:
- 2 oz oder schwereres Kupfer
Die genaue Spezifikation hängt vom Betriebsstrom, dem verfügbaren Platz auf der Platine und der Kühlstrategie ab.
Digitale Hochgeschwindigkeits-Schaltungen
Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten erfordern nicht automatisch eine dickere Kupferschicht.
Stattdessen sollten sich Designer auf Folgendes konzentrieren:
- angepasste Impedanz
- Stapelplanung
- Durchgangsprüfung des Rückleiters
Weiterführende Lektüre:
So wählen Sie die richtige Kupferdicke aus
Schritt 1
Berechnen Sie den maximalen Strom, der in jeder Leiterbahn fließt.
Schritt 2
Schätzen Sie den zulässigen Temperaturanstieg.
Schritt 3
Ermitteln Sie den verfügbaren Routing-Speicherplatz.
Ist der Platz auf der Leiterplatte begrenzt, kann eine Erhöhung der Kupferdicke die erforderliche Leiterbahnbreite verringern.
Schritt 4
Besprechen Sie die Fertigungsmöglichkeiten mit Ihrem Leiterplattenlieferanten, bevor Sie den Entwurf fertigstellen.
Nicht jede Leiterplatte erfordert eine starke Kupferbeschichtung.
Häufige Fehler bei der Angabe der Kupferdicke
Bei der Prüfung von Leiterplatten treten regelmäßig verschiedene Probleme auf.
Ein häufiger Fehler besteht darin, für die gesamte Leiterplatte dickes Kupfer vorzusehen, obwohl dies nur für einige wenige Stromversorgungsbahnen erforderlich ist.
Ein weiterer Irrtum ist die Annahme, dass dickeres Kupfer automatisch jedes Design verbessert.
Bei digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen hängt die Signalintegrität stärker vom Schichtaufbau, der Leiterführung und der Impedanzsteuerung ab als allein von der Kupfermenge.
Die Kupferdicke sollte stets den elektrischen Anforderungen des Produkts entsprechen.
Schlussfolgerung
Die Kupferdicke spielt eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit von Leiterplatten, doch gibt es keine allgemeingültige Spezifikation, die für jede Anwendung geeignet ist.
Für viele kommerzielle Produkte ist 1 oz Kupfer nach wie vor die praktischste Wahl. Höhere Kupfergewichte kommen zum Einsatz, wenn höhere Anforderungen an die Strombelastbarkeit, die thermische Leistung oder die mechanische Haltbarkeit gestellt werden.
Die frühzeitige Auswahl der geeigneten Kupferdicke im Konstruktionsprozess trägt dazu bei, die Herstellbarkeit zu verbessern, die Kosten zu kontrollieren und eine zuverlässige Langzeitleistung zu erzielen.
So wählen Sie die Kupferdicke aus
- Schritt 1
Ermitteln Sie den maximalen Betriebsstrom für jeden Strompfad.
- Schritt 2
Die thermischen Anforderungen und den zulässigen Temperaturanstieg bewerten.
- Schritt 3
Stellen Sie ein Gleichgewicht zwischen Leiterbahnbreite, verfügbarem Platz für die Verlegung und der Anzahl der Schichten her.
- Schritt 4
Klären Sie die Kupferspezifikation mit Ihrem Leiterplattenhersteller ab, bevor Sie die Produktionsdateien freigeben.
Häufig gestellte Fragen
A: Die meisten FR4-Leiterplatten werden hergestellt mit 1 oz (35 μm) Kupfer als Standardausführung.
A: Nein. Zwar lässt sich durch 2 oz Kupfer mehr Strom leiten, doch steigen dadurch auch die Herstellungskosten, und die Verdrahtungsdichte kann sich verringern.
A: Nicht unbedingt. Die Signalintegrität hängt stärker mit dem Schichtaufbau, der Impedanzsteuerung und den Rückpfaden zusammen als mit der Kupferdicke allein.
A: Schwerkupfer wird häufig in Hochstromanwendungen wie Stromversorgungen, Motorantrieben, Anlagen für erneuerbare Energien und industriellen Steuerungssystemen eingesetzt.
A: Ja. Schwereres Kupfer erfordert in der Regel zusätzliche Verarbeitungsschritte und eine strengere Fertigungskontrolle, was die Produktionskosten erhöht.
