Schweres Kupfer PCB
(Hochstrom)
Von 3-Unzen-Stromverteilungsschichten bis hin zu Designs mit über 20 Unzen als Ersatz für Sammelschienen – Leiterplatten, die nicht nur Signale, sondern auch Strom leiten, ohne Ihr zulässiges Temperaturanstiegsbudget zu überschreiten.
Kupfer als Stromleiter, nicht nur als Signalleiter
Eine Leiterplatte mit hoher Kupferdichte weist auf einer oder mehreren Schichten eine Kupferdicke von 3 oz (105 µm) oder mehr auf – deutlich über dem für die Signalführung üblichen Standard von 1 oz bis 2 oz. Der zusätzliche Kupferquerschnitt leitet höhere Ströme bei geringerem ohmschen Spannungsabfall und geringerer I²R-Erwärmung und ersetzt damit Lösungen, die andernfalls externe Sammelschienen oder Verkabelungen erfordern würden.
'Heavy Copper' ist nicht einfach nur eine „dickere Beschichtung“. Das Ätzen von „Heavy Copper“ ohne Unterschneiden feiner Strukturen, das gleichmäßige Beschichten in tief geätzten Kanälen und die Aufrechterhaltung der Passgenauigkeit während der Laminierung erfordern eine Prozesssteuerung, die sich wesentlich von der Standardfertigung mit 1 oz unterscheidet.
In vielen Entwürfen werden dicke Kupfer-Stromversorgungsebenen mit Standard- oder Feinraster-Kupfer für Steuer- und Signalschaltungen auf derselben Schicht kombiniert – eine Differential-Kupfer-/Stufen-Schablonen-Konstruktion, die von Anfang an in den Schichtaufbau und den Ätzprozess einbezogen werden muss und nicht erst nachträglich hinzugefügt werden darf.
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Drei Spezifikationsentscheidungen, die die Zuverlässigkeit von schweren Kupferbaugruppen bestimmen
Stromführende Leiterplatten weisen andere Ausfallmuster auf als Signalleiterplatten – dies sind die wichtigsten Faktoren.
Die Strombelastbarkeit wird berechnet, nicht angenommen
Die Leiterbahnbreite und die Kupferdicke bestimmen gemäß IPC-2152 gemeinsam die Strombelastbarkeit und den Temperaturanstieg. Eine Leiterbahn, deren Dimensionierung eher nach der Faustregel als durch Berechnung erfolgt, verschwendet entweder Leiterplattenfläche durch unnötiges Kupfer oder ist zu schmal dimensioniert und verursacht einen Hotspot. Wir dimensionieren jede leistungsführende Leiterbahn mit hohem Kupferanteil vor der Fertigung anhand Ihres Zielstroms und des zulässigen Temperaturanstiegs – und nicht erst nach einem thermischen Ausfall im Test.
IPC-2152 – Nennstrom · Berechnung des Temperaturanstiegs · Dimensionierung der LeiterbahnbreiteDifferenzielle Kupfergewichtung ermöglicht Strom- und Signalführung auf einer Ebene
Durch die „Step-Stencil“-Konstruktion (Differential-Ätzen) können dickwandige Kupfer-Stromleitungen und Signalbahnen mit engem Rasterabstand auf derselben Schicht nebeneinander existieren, wobei jede auf eine andere effektive Dicke geätzt wird. Dies erfordert einen zweistufigen Ätzprozess mit strenger Kontrolle der Resist- und Ätztiefe – bei unsachgemäßer Durchführung kommt es zu einer Unterätzung der Feinraster-Strukturen oder zu einer Unterätzung der dicken Leiterbahnen, was zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Leitern führt.
Step-Stencil-Ätzung · Differential-Kupfer · Fine-Pitch + Stromversorgung auf einer EbeneDer Ätzfaktor vergrößert den praktischen Mindestabstand zwischen Leiterbahnen und Zwischenräumen
Bei hohen Kupferdicken greift das Ätzmittel sowohl die Seiten als auch die Oberseite der Leiterbahn an, unterhöhlt den Fotolack und verengt die Basis der Leiterbahn im Verhältnis zu ihrer Breite an der Oberseite (Ätzfaktor). Das bedeutet, dass sich die minimal erreichbare Leiterbahn-/Abstandsbreite mit zunehmender Kupferdicke vergrößert – eine 10-oz-Schicht kann nicht dieselbe Leiterbahn-/Abstandsbreite erreichen wie eine 1-oz-Schicht. Wenn Sie dies während der DFM anhand Ihres Layouts überprüfen, vermeiden Sie einen Neudesign-Zyklus nach der Werkzeugfertigung.
Ätzfaktor · Leiterbahn/Zwischenraum im Verhältnis zur Kupferdicke · Gleichmäßigkeit der Beschichtung in tiefen KanälenVollständige Spezifikation für die Herstellung von Leiterplatten mit dicker Kupferlage
Die Strombelastbarkeit wurde gemäß IPC-2152 berechnet und durch Widerstandsmessungen an jeder Produktionscharge bestätigt.
Parameter für die Herstellung
| Gewichtsbereich für Kupfer | 3 oz – 20 oz Standard · 30 oz+ Spezialausführung |
| Anzahl der Schichten | 2 – 16 Schichten |
| Min. Leiterbahnbreite / Abstand (hoher Kupfergehalt) | 8 / 8 mil bei 6 oz · dehnt sich mit zunehmendem Gewicht aus |
| Bauwesen | Standard-Schwerkupfer · Differential (Stufen-Schablone) |
| Dicke der Platte | 0,8 mm – 6,4 mm |
Leistung und Standards
| Aktuelle Bewertungsmethode | IPC-2152 berechnet |
| Optionen für das Wärmemanagement | Eingebettete Kupfermünze / Kupferintarsie |
| Oberfläche | HASL · ENIG · Immersionsversilberung · Selektive Vergoldung |
| IPC Build Standard | Klasse 2 standardmäßig - Klasse 3 auf Anfrage |
| Prototyp-Umlaufzeit | 5 Tage Express · 8 Tage Standard |
Wie werden Kupfer-Leiterplatten hergestellt?
Im Vergleich zu Standardkupfer verlängerte Ätz- und Galvanisierungszyklen – jeder Schritt ist auf das angestrebte Kupfergewicht abgestimmt.
Auswahl und Bildgebung von Basiskupfer
Es wird ein dickwandiges, kupferkaschiertes Laminat ausgewählt, das dem Sollgewicht entspricht, und anschließend mit einem Fotolack mit erhöhter Schichtdicke beschichtet, um dem längeren Ätzzyklus standzuhalten.
Kontrolliertes Tiefätzverfahren
Durch eine verlängerte Ätzzeit wird Kupfer bis zum endgültigen Schaltungsmuster abgetragen, wobei eine Ätzfaktor-Kompensation angewendet wird, um die Leiterbahngeometrie auf dem vorgegebenen Kupfergewicht zu halten.
Bohren und Dickbeschichtung mit Kupfer
Durchkontaktierungen werden gebohrt und in verlängerten elektrolytischen Kupferzyklen beschichtet, um trotz der dicken äußeren Kupferschichten eine gleichmäßige Wandstärke der Durchkontaktierungen zu erzielen.
Lötmaske, Oberflächenbehandlung und Widerstandsprüfung
Auf die abgestuften Kupferkonturen wird eine Lötmaske aufgetragen, anschließend erfolgt die Oberflächenbearbeitung, und ein 100%-Widerstands-/Durchgangstest bestätigt die Stromleitfähigkeit.
Wann sich eine Leiterplatte mit hoher Kupferdicke empfiehlt
Jede Konstruktion, für die andernfalls externe Sammelschienen, Verkabelung oder Kühlkörper-Stromversorgungsmodule erforderlich wären, kommt für die Verwendung von dickwandigem Kupfer in Frage.
Stromverteilung / Austausch von Sammelschienen
6 oz–20 oz schwere Kupferplatten, die diskrete Sammelschienen für die Gleichstromverteilung innerhalb eines Gehäuses ersetzen.
Schweißausrüstung
Schwere Kupferplatinen, die hohe Impulsströme in Widerstands- und Wechselrichter-Schweißstromquellen führen.
EV-Leistungsmodule und Wechselrichter
Differenzielle Kupferplatinen, die Starkstrom-Traktionsstromleitungen mit einer Signalführung für Gate-Treiber mit engem Rasterabstand kombinieren.
Solarwechselrichter
Robuste Kupfer-Leistungsstufen für String- und Zentralwechselrichter, die hohe Gleichstrom-Zwischenkreisströme verarbeiten.
Steuerungen für Windkraftanlagen
Stabile Steuer- und Leistungsplatinen aus Kupfer, ausgelegt für Hochstrom-Ansteuerungsschaltungen von Pitch- und Yaw-Motoren.
Industrielle Motorantriebe
Mit Kupfermünzen versehene schwere Kupferplatinen für Leistungsstufen von Frequenzumrichtern und Servoantrieben mit konzentrierten Wärmequellen.
Stromversorgungen
Sekundärseitige Leiterplatten für hohe Ströme in Schaltnetzteilen, bei denen ein geringer ohmscher Spannungsabfall erforderlich ist.
Batteriemanagementsysteme
Robuste Strommess- und Ausgleichsplatinen aus Kupfer für BMS-Konstruktionen von Hochleistungs-Akkupacks.
Hochwertiges Kupfer – von der Berechnung der Strombelastbarkeit bis zur Widerstandsmessung.
Die Qualität einer Leiterplatte mit dicker Kupferlage beginnt mit einer Berechnung der Strombelastbarkeit unter Berücksichtigung Ihrer Auslegungslast. Bei unserer DFM-Prüfung wird vor der Werkzeugherstellung überprüft, wie sich der Ätzfaktor auf Ihr Layout auswirkt. Nach der Fertigung wird durch einen 100%-Widerstandstest sichergestellt, dass der tatsächlich hergestellte Kupferquerschnitt den Nennwerten entspricht.
- ISO 9001 : 2015Von Dritten geprüftes Qualitätsmanagement
- IPC-6012Qualifizierung und Leistung von starren PCB
- IPC-2152Norm zur Berechnung der Strombelastbarkeit
- IPC-A-600 Klasse 2 / 3Akzeptanzkriterien
- RoHS / REACHEinhaltung der EU-Vorschriften für gefährliche Stoffe
Inspektions- und Prüfverfahren
- 100% Elektrischer Test - Fliegender Tastkopf / HalterungOffen / Kurzschluss auf allen Netzen
- 100% Widerstands- und DurchgangsprüfungÜberprüft die Integrität des aktuellen Pfads pro Netzwerk
- Mikroschnitt- und QuerschnittsanalyseÜberprüfung der Kupferdicke pro Schicht
- Verteilung der BeschichtungsdickePrüfung der Gleichmäßigkeit von tiefen Kanälen und Durchkontaktierungswänden
- Abziehfestigkeit – Schweres KupferHaftfestigkeit gemäß IPC-TM-650 2.4.8
- Schleife und DrehungIPC-TM-650 2.4.22
- Temperaturzyklen / Überprüfung des TemperaturanstiegsBerechnete Leistung gemäß IPC-2152
- Schichtabdeckung der LötmaskeÜberlappende, schwere Kupferkonturen
Von uns gefertigte schwere Kupferplatinen
Echte Herausforderungen bei der Herstellung von Hochstromprodukten – gelöst.
Austausch der Sammelschiene des 150-A-Bordladegeräts für Elektrofahrzeuge
Eine 10oz-Differential-Kupferplatine, die drei diskrete Sammelschienen in einem 150-A-Bordladegerät ersetzt und die Verlegung der Strom- und Gate-Drive-Signale auf einem 8-lagigen Schichtaufbau integriert.
Durch den Wegfall von drei separaten Sammelschienen und den dazugehörigen Befestigungselementen konnte die Montagezeit um 40% verkürzt und der ohmsche Spannungsabfall im Vergleich zur verkabelten Ausführung um 15% reduziert werden.
String-Solarwechselrichter mit leistungsstarker Kupferstufe
6 oz schwere Kupferplatine mit einer unter den Schalt-MOSFETs eingebetteten Kupfermünze zur Bewältigung konzentrierter Schaltverluste in einem kompakten String-Wechselrichter.
Die Gehäusetemperatur des MOSFET wurde unter Volllast um 12 °C gesenkt, was den Einsatz eines kleineren Kühlkörpers und eine Verringerung der Gesamtgrundfläche des Gehäuses um 9% ermöglicht.
Wechselrichter-Schweißgerät, 20 oz Power Board
20-Unzen-Einlagen-Power-Board für einen Inverter zum Widerstandsschweißen, das eine Kupferstangenbaugruppe ersetzt und die Fertigungsvorlaufzeit im Vergleich zur Sonderanfertigung verkürzt.
Die Herstellungskosten für die Leistungsstufe wurden im Vergleich zur Fertigung maßgeschneiderter Kupferstangen um 35% gesenkt, wobei die gleichen Zielwerte für Stromstärke und Temperaturanstieg eingehalten wurden.
Häufig gestellte Fragen zu Leiterplatten mit dicker Kupferlage
Technische Fragen zur Bearbeitung von dickwandigem Kupfer, zur Strombelastbarkeit und zum Layout.
Unser Standardsortiment an schweren Kupferlagen reicht von 3 oz bis 20 oz pro Schicht. Sonderausführungen über 20 oz bis hin zu 30 oz oder mehr sind projektbezogen erhältlich – diese erfordern in der Regel längere Ätz- und Beschichtungszyklen sowie eine spezielle DFM-Prüfung, um die realisierbaren Leiterbahn- und Abstandsmaße bei der gewünschten Kupferdicke zu bestätigen. Wenden Sie sich mit Ihren Zielstromwerten und Layout-Einschränkungen an unser Ingenieurteam, um die Machbarkeit prüfen zu lassen.
Ja, unter Verwendung einer Differential-Kupfer-Konstruktion (Step-Stencil), bei der in zwei Ätzschritten dickes Kupfer in den Leistungsbereichen und Standard- oder Feinkupfer in den Signalbereichen derselben Schicht erzeugt wird. Dies ist üblich bei Leistungsmodulen für Elektrofahrzeuge und Motorantriebsplatinen, die sowohl eine Hochstrom-Stromversorgung als auch eine Gate-Ansteuerung mit feinem Raster oder die Verlegung von Steuersignalen erfordern. Dies erfordert eine sorgfältigere Prozesssteuerung als bei Leiterplatten mit einheitlicher Kupferdicke und wird im Rahmen der DFM-Prüfung eingehend untersucht.
Die Strombelastbarkeit wird gemäß IPC-2152 berechnet, wobei die Leiterbahnbreite, das Kupfergewicht bzw. die Kupferdicke, der zulässige Temperaturanstieg sowie die Lage der Leiterbahn auf einer inneren oder äußeren Schicht berücksichtigt werden (innere Schichten weisen bei gleicher Geometrie eine geringere konvektive Kühlung und eine niedrigere Nennbelastbarkeit auf). Im Rahmen der DFM-Prüfung vor der Fertigung erstellen wir für Ihre kritischen Stromleitungen eine Berechnung der Strombelastbarkeit.
Beim Ätzen von dickem Kupfer wird Material sowohl an den Seiten als auch an der Oberseite der Leiterbahn abgetragen – ein Effekt, der als Ätzfaktor bezeichnet wird. Je dicker das Kupfer ist, desto stärker ist die seitliche Ätzung im Verhältnis zur Leiterbahnhöhe, was die Leiterbahnbasis verengt und den praktischen Mindestabstand zwischen Leiterbahn und Zwischenraum im Vergleich zu Standard-1-oz-Kupfer vergrößert. Bei 6 oz liegt der minimale Leiterbahn-/Abstand in der Regel bei etwa 8/8 mil; dickere Kupferschichten erfordern zunehmend breitere Geometrien, was wir im Rahmen der DFM-Prüfung anhand Ihres spezifischen Schichtaufbaus bestätigen.
Eine Kupfermünze (oder ein Kupfereinsatz) ist ein massiver Kupferblock, der direkt unterhalb eines Hochleistungskomponenten in die Leiterplatte eingebettet wird und einen vertikalen Wärmepfad mit geringem Widerstand zu einem Kühlkörper oder Gehäuse bildet, den schwere Kupferflächen allein nicht erreichen können. Sie wird typischerweise unter Leistungs-MOSFETs, IGBTs oder anderen konzentrierten Wärmequellen in Leistungsstufen von Motorantrieben, Wechselrichtern und Schweißgeräten vorgesehen, wo ein lokaler Temperaturanstieg – und nicht die Gesamtstromkapazität der Leiterplatte – der begrenzende Faktor ist.
Wir fertigen mehrschichtige Leiterplatten mit dicker Kupferschicht und 2 bis 16 Schichten. Eine höhere Lagenanzahl bei dickem Kupfer erfordert eine sorgfältige Laminierungsplanung, da dicke Kupferschichten größere Harzflusslücken verursachen, die während des Pressvorgangs gleichmäßig gefüllt werden müssen, um Hohlräume zu vermeiden. Gemischte Schichtaufbauten – Leistungsschichten mit dickem Kupfer in Kombination mit Signalschichten mit Standarddicke – sind üblich und werden im Rahmen der technischen Überprüfung in den Presszyklus einplant.
Lassen Sie Ihr Heavy-Copper-Design noch heute prüfen.
Senden Sie uns Ihre Gerber-Dateien und die Anforderungen an den Zielstrom zu. Unsere Ingenieure prüfen innerhalb von 8 Stunden die Kupferdicke, die Leiterbahnbreiten und den Ätzfaktor.
- Bei jeder Anfrage sind eine DFM-Prüfung und eine Überprüfung der Strombelastbarkeit enthalten
- NDA auf Anfrage unterzeichnet - gängige Praxis
- Antwort innerhalb von 8 Arbeitsstunden
- 5-Tage-Express-Prototyp verfügbar
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