Entwurf von Leiterplatten mit schwerem Kupfer für Hochstromanwendungen: Ein umfassender Leitfaden

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In der Hochleistungselektronik, von Elektrofahrzeug-Invertern bis hin zu industriellen Antrieben, fehlen standardmäßige Kupfer-PCBs.Diese Systeme erfordern PCBs, die 30A bis 200A Strom ohne Überhitzung bewältigen könnenEintritt schwerer Kupfer-PCBs: definiert durch Kupferspuren und Ebenen von 3 oz (105 μm) oder größer,Sie sind so konzipiert, dass sie die einzigartigen Herausforderungen des Hochstrom-Designs lösen..

Bei der Konzeption schwerer Kupfer-PCBs geht es nicht nur darum, dickeres Kupfer zu verwenden, sondern auch um sorgfältige Berücksichtigung der Spurengeometrie, der Materialkompatibilität, des thermischen Managements und der Fertigbarkeit.Dieser Leitfaden erläutert die kritischen Prinzipien der Konstruktion von PCBs aus schwerem Kupfer für Hochstromanwendungen, von der Materialauswahl bis hin zur Best Practice für die Anordnung, und erklärt, wie man häufige Fallstricke vermeidet.Diese Ressource wird Ihnen helfen, zuverlässige, leistungsfähige Platten.

Wichtige Erkenntnisse
1.Schwere Kupferspuren (3oz+) verarbeiten 2×5x mehr Strom als Standard-Kupfer von 1oz: Eine 3oz Spuren (105μm) trägt 30A, während eine 10oz Spuren (350μm) 80A in der gleichen Breite trägt.

2Kritische Konstruktionsfaktoren sind die Spurenbreite/Dicke (nach den IPC-2221-Standards), thermische Reliefmuster (Reduktion von Hotspots um 40%),und durch Füllung (feste Kupferviasen tragen 3x mehr Strom als plattierte Viasen).

3.Hoch-Tg-Substrate (≥ 170 °C) und keramisch gefüllte Laminate sind für Hochstromkonstruktionen nicht verhandelbar, da sie 150 °C+ Betriebstemperaturen standhalten.

4Verglichen mit Standard-PCBs reduzieren schwere Kupferkonstruktionen den Wärmewiderstand um 60% und verlängern die Lebensdauer von Komponenten um das zweimal dreifache in Hochleistungssystemen.

Was macht schwere Kupfer-PCBs ideal für Hochstromanwendungen?
Hochstromkreise erzeugen erhebliche Wärme (nach Joules Gesetz: P = I2R), und Standard-PCBs kämpfen darum, diese Energie zu zerstreuen.

a.Geringerer elektrischer Widerstand: Ein dickeres Kupfer verringert den Widerstand (R = ρL/A, wobei A = Querschnittsfläche), wodurch Stromverluste und Wärmeerzeugung minimiert werden.Eine 3 Unzen Kupferspuren hat 66% weniger Widerstand als eine 1 Unzen Spuren der gleichen Breite.
b.Bessere Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (401 W/m·K) ist 1300 mal höher als die von FR4 (0,3 W/m·K).die Wärme von Komponenten wie IGBTs und MOSFETs wegstreut.
c.Verstärkte mechanische Haltbarkeit: Dickes Kupfer (insbesondere 5 oz +) widersteht Ermüdung durch thermisches Radfahren (-40 °C bis 125 °C) und Vibrationen und verringert Spuren von Rissbildung, einem häufigen Ausfallpunkt bei Standard-PCBs.

Schwere Kupferdicke vs. Stromtragende Kapazität
Die Beziehung zwischen Kupferdicke und Strom ist nicht linear. Auch Spurbreite, Umgebungstemperatur und Luftstrom spielen eine Rolle.Nachstehend finden Sie eine praktische Referenz für Hochstromkonstruktionen (basierend auf IPC-2221 und Industrieprüfungen), vorausgesetzt 25°C Umgebung und 10cm Spurlänge):

Anmerkung: Bei Strömen > 100 A sind parallele Spuren zu verwenden (z. B. zwei 10 oz, 1,5 mm Spuren für 200 A), um übermäßige Spurenbreite und Herstellungsprobleme zu vermeiden.

Kritische Konstruktionsprinzipien für PCB aus schwerem Kupfer
Bei der Konzeption schwerer Kupfer-PCBs für hohe Ströme müssen elektrische Leistung, thermisches Management und Fertigbarkeit in Einklang gebracht werden.

1. Berechnen Sie Spurenbreite und -dicke für Zielstrom
Die Grundlagen des Hochstromkonzeptes sind die Größen von Spuren, um den erwarteten Strom ohne Überhitzung zu bewältigen.

a. Folgen Sie den IPC-2221-Normen: Die IPC-2221-Spezifikation enthält Formeln für die Spurenbreite auf der Grundlage von Strom, Temperaturanstieg und Kupferdicke.Für einen Temperaturanstieg von 10 °C (in Hochsicherheitskonstruktionen üblich):
3 Unzen Kupfer: 0,8 mm Breite = 25A
5 Unzen Kupfer: 0,8 mm Breite = 38A
b. Berücksichtigung der Umgebungstemperatur: In heißen Umgebungen (z. B. Motorräume für Elektrofahrzeuge, 85°C) wird der Strom um 30~40% abgeschwächt (siehe Tabelle oben).
c. Vermeiden Sie Übergrößerung: Während dickeres Kupfer für Strom besser ist, wird 15oz+ Kupfer für die meisten kommerziellen Anwendungen schwierig zu gravieren und zu laminieren.

Werkzeugempfehlung: Verwenden Sie Online-Rechner wie den PCB Trace Width Calculator (von Sierra Circuits) oder das integrierte Strombewertungswerkzeug von Altium, um die Größe zu validieren.

2. Priorisierung des thermischen Management
Selbst bei dickem Kupfer erzeugen hochströmende Komponenten (z. B. IGBTs, Leistungswiderstände) Hotspots.

a.Wärmeentlastungspads: Anschließen von Leistungskomponenten an schwere Kupferflächen mit Hilfe von Wärmeentlastungspads, die Wärmeübertragung und Schweißfähigkeit ausgleichen.Ein 5 mm × 5 mm Thermal Relief Pad für eine TO-220 Komponente reduziert die Hotspot-Temperatur um 40% gegenüber. ein solides Pad.
b.Kupfer-Flugzeuge für die Wärmeverbreitung: Verwenden Sie 3 ̊5oz Kupfer-Flugzeuge (nicht nur Spuren) unter Stromkomponenten.
c. Thermische Durchgänge: Um heiße Bauteile herum werden Kupfer gefüllte thermische Durchgänge (0,3 ∼0,5 mm Durchmesser) hinzugefügt, um Wärme in die inneren/äußeren Ebenen zu übertragen.Raumläufe 1~2 mm voneinander entfernt für maximale Effizienz 10 thermische Läufe senken die Komponententemperatur um 15~20°C.
d. Vermeiden Sie Verengungen der Spuren: Verengung einer Spurenfläche von 10 oz, 1,5 mm auf 0,8 mm für einen Stecker verursacht einen Engpass und erhöht die Temperatur um 25 °C. Verwenden Sie allmähliche Verjüngungen (Verhältnis 1:3), wenn Breitenänderungen erforderlich sind..

Fallstudie: Eine 50A-Industrie-Stromversorgung mit 5oz Kupferflächen und 12 thermischen Durchgängen reduzierte die IGBT-Schnitttemperatur von 120 °C auf 85 °C und verlängerte die Lebensdauer der Komponenten von 3 Jahren auf 7 Jahre.

3. Optimieren über Design für hohe Strom
Bei der Konstruktion von Hochströmen werden Vias oft übersehen, sie sind jedoch entscheidend für die Verbindung von Schichten und die Stromübertragung:

a. Verwenden Sie Kupfer-gefüllte Durchschnitte: Standardplattierte Durchschnitte (25 μm Kupfer) tragen 10 ̊15 A; Kupfer-gefüllte Durchschnitte (feste Kupferkerne) tragen 30 ̊50 A, je nach Durchmesser. A 0.5 mm über Träger gefüllt 35A ̇ ideal für EV-BMS-Verbindungen.
b.Vergrößerung des Durchgangsdurchmesser: Bei Strömen von mehr als 50 A sind mehrere Durchgänge (z. B. vier 0,5 mm gefüllte Durchgänge für 120 A) oder größere Durchgänge (0,8 mm Durchmesser = 50 A pro gefüllter Durchgang) zu verwenden.
c.Vermeiden Sie Via Stubs: Nicht verwendete Via Stubs (häufig in Durchlöcherleitungen) verursachen Impedanzfehler und Wärme.

4. Wählen Sie kompatible Materialien aus
Schwere Kupfer-PCBs erfordern Materialien, die hoher Hitze und mechanischer Belastung standhalten:

a. Substrat (Kernmaterial):
High-Tg FR4 (Tg ≥170°C): Standard für die meisten Hochstromkonstruktionen (z. B. EV BMS).
Keramik gefülltes FR4 (z. B. Rogers RO4835): Die Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W/m·K (2 mal höher als bei Standard-FR4) macht es ideal für 70A+-Systeme wie Solarumrichter.
Metall-Kern-PCBs (MCPCBs): Kombination von schwerem Kupfer mit einem Aluminium-/Kupferkern für eine Wärmeleitfähigkeit von 1 ̊5 W/m·K ̊, die in Hochleistungs-LED-Treibern und EV-Lademodule verwendet wird.
b.Kupferfolie Typ:
Elektrolytisches Kupfer: Kosteneffizient für eine Dicke von 3-7 Unzen; für die meisten Anwendungen geeignet.
Gewalztes Kupfer: Höhere Duktilität (widerstandsfähig gegen Riss) für 10oz+ Kupfer und flexible schwere Kupfer-PCBs (z. B. faltbare EV-Ladekabel).
c. Lötmaske: Verwenden Sie eine hochtemperaturfähige Lötmaske (Tg ≥ 150°C) wie DuPont PM-3300, die einem Rückfluss von 260°C standhält und die Kupferoxidation verhindert.

Vergleichstabelle der Materialien:

5. Layout Best Practices für die Herstellbarkeit
Schweres Kupfer (insbesondere 7oz +) ist schwerer zu gravieren und zu laminieren als normales Kupfer.

a. Spurenabstand: Beibehalten ≥2x Spurenbreite zwischen schweren Kupferspuren, um Ätzprobleme zu vermeiden. Für eine 1,0 mm, 5 oz Spuren, verwenden Sie 2,0 mm Abstand.
b. Randfreiheit: Schwere Kupferspuren von ≥ 1,5 mm von den PCB-Kanten entfernt halten, um eine Delamination während der Lamination zu vermeiden.
c.Etschkompensation: Schweres Kupfer etzt langsamer ≈ 0,05 ∼ 0,1 mm zu den Spurenbreiten in Ihrem Entwurf hinzu, um den Ätschverlust zu berücksichtigen (z. B. entwerfen Sie eine 1,05 mm Spurenbreite für eine endgültige 1,0 mm Breite).
d. Komponentenplatzierung: Vermeiden Sie die Platzierung von SMD-Komponenten (z. B. 0402-Widerstände) innerhalb von 2 mm von schweren Kupferspuren.

Layout-Fehler gegen Lösungstabelle:

Erweiterte Konstruktionsstrategien für Hochstromsysteme (100A+)
Für Systeme wie EV-Wechselrichter (150A+) und Industrie-Gleichrichter (200A+) reicht ein einfaches, schweres Kupfer-Design nicht aus.

1- Parallelverfolgungs-Routing.
Anstelle einer einzigen breiten Spur (z. B. 3 mm 10 oz) verwenden Sie 2 ′′ 4 parallele Spuren (z. B. zwei 1,5 mm 10 oz Spuren):

a. Verringerung der Schwierigkeit bei der Ätzung (breite Spuren sind anfällig für Unterschnitte).
b. Verbesserung der Stromverteilung (parallele Spuren minimieren Widerstandsvariationen).
c. Erlaubt eine einfachere Anbringung der Bauteile (engere Spuren befreien Platz an Bord).

Faustregel: Raumparallele Spuren ≥1x ihre Breite, um gegenseitige Erwärmung zu vermeiden – zwei 1,5mm 10oz Spuren, die 1,5mm voneinander entfernt sind, tragen 160A (gegenüber 80A für eine 1,5mm Spuren).

2Integration von Bus-Bars
Für Ströme von 200 A+ integrieren Sie schwere Kupferbusstangen (15 oz+ Kupfer, 2 ̊3 mm dick) in die Leiterplatte:

a.Busbarren fungieren als “Stromstraßen“, die Strom ohne Spurenbeschränkungen überall hin tragen.
b.Verbindung von Busstangen an der Leiterplatte über Kupfergefäße (0,8 mm Durchmesser, 5 mm voneinander entfernt) zur mechanischen und elektrischen Stabilität.

Beispiel: Ein 250A-Industriemotorantrieb verwendet eine 20oz Kupferbusstange mit 12 gefüllten Durchgängen, wodurch der Stromverlust um 25% verringert wird, verglichen mit einem Trace-Only-Design.

3. Thermische Schnittstellenmaterialien (TIM)
Verknüpfen Sie PCB aus schwerem Kupfer mit TIMs zur Wärmeübertragung auf externe Kühlkörper:

a. Verwenden Sie bei 50 ̊100 A-Systemen thermisches Fett (Wärmeleitfähigkeit 3 ̊6 W/m·K) zwischen PCB und Kühlkörper.
b.Für 100A+-Systeme werden Wärmepolster (z. B. Bergquist Gap Pad) mit einer Leitfähigkeit von 812 W/m·K verwendet, die Luftlücken füllen und einen höheren Druck verarbeiten.

Wirkung: Ein 100A EV-Wechselrichter mit TIM reduziert die PCB-Temperatur um 20 °C im Vergleich zu keinem TIM und verlängert die Lebensdauer des Wechselrichters um das Dreifache.

Häufige Fallstricke im Design und wie man sie vermeidet
Selbst erfahrene Designer machen bei schweren Kupfer-PCBs Fehler.
1Unterschätzung des Temperaturanstiegs
Fallstrich: Die Verwendung eines 3oz, 1.0mm Spurenstoffs für 35A (überschreitet seine 30A-Einstufung) führt zu einem Temperaturanstieg von 30°C und Spurenoxidation.
Korrektur: Verwenden Sie eine 5oz, 1.0mm Spur (45A-Bewertung) oder eine 3oz, 1.2mm Spur (35A-Bewertung), um den Temperaturanstieg <10°C zu halten.

2. Ignorieren von Wärmekreislaufstress
Fallstrich: Dickes Kupfer (10oz+) und Standard-FR4 haben nicht übereinstimmende Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (CTE), was nach 500 thermischen Zyklen zu Spuren des Rissens führt.
Korrektur: Verwenden Sie gewalztes Kupfer (höhere Duktilität) und hoch-Tg FR4 (CTE näher an Kupfer), um 1.000+ Zyklen zu widerstehen.

3Schlechte Thermalentlastung.
Fallstrick: Das Anschließen einer 5oz Kupferfläche an eine Komponente mit einem festen Pad fängt Wärme ein, was zu einem Versagen des Lötgelenks führt.
Korrektur: Verwenden Sie ein Wärmeregelmäßchen mit 4 ′′ 6 Schlitzen (je 0,2 mm breit), um Wärmeübertragung und Schweißbarkeit auszugleichen.

4. Überblicken der Schweißbarkeit
Fallenfall: 10oz+ Kupferspuren haben eine große thermische Masse, was dazu führt, dass das Lötwerk zu schnell abkühlt und kalte Gelenke bildet.
Korrektur: Beim Löten wird das PCB auf 120 °C vorgeheizt und ein Hochtemperaturlöter (z. B. SAC305, Schmelzpunkt 217 °C) mit einem längeren Rückflussprofil verwendet.

Wirkliche Anwendungen von PCBs aus schwerem Kupfer in Hochstromsystemen
Schwere Kupfer-PCBs sind in Branchen, in denen hoher Strom und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind, transformativ:
1. Elektrofahrzeuge (EV) und Hybrid-EV
a.EV-Inverter: Umwandeln Sie Gleichstrom-Batteriekraft in Wechselstrom für Motoren (150 ¢ 300 A). Ein Tesla Model Y-Inverter verwendet 5 Unzen Kupferspuren und Kupfer-gefüllte Durchläufe, wodurch der Stromverlust um 18% gegenüber einem 3 Unzen-Design reduziert wird.
b.Batterie-Management-Systeme (BMS): Überwachung und Ausgleich der Batteriezellen (2050A). 3 Unzen Kupferspuren in einem Chevrolet Bolt BMS sorgen für eine gleichmäßige Stromverteilung und verlängern die Lebensdauer der Batterie um 2 Jahre.
c.Lademodule: Schnellladesysteme (100~200A) verwenden 7oz Kupferbusstangen und Aluminium-MCPCBs, um hohe Ströme zu handhaben und Wärme abzugeben.

2. Erneuerbare Energien
a.Solar-Inverter: Umwandeln von Gleichstrom-Solarstrom in Wechselstrom (50 ‰ 100A). 5oz keramisch gefüllte FR4-PCBs in einem 10kW-Solar-Inverter reduzieren die Hotspot-Temperaturen um 25 °C und verbessern die Effizienz um 3%.
b.Windturbinen-Controller: Verwalten Sie Turbinenpitch und -leistung (80~120A). 10oz Walz-Kupfer-PCBs widerstehen Vibrationen (20G) und Temperaturschwankungen (-40°C bis 85°C), wodurch die Wartungskosten um 20 US-Dollar gesenkt werden.000 pro Turbine jährlich.

3. Industrieanlagen
a.Motorantriebe: Steuerung der Wechselstrommotorgeschwindigkeit (3080A). Ein Siemens Sinamics V20-Antrieb verwendet 5oz Kupferflächen und thermische Durchgänge, wodurch die Antriebsgröße gegenüber einem Standard-PCB-Design um 30% reduziert wird.
b.Schweißgeräte: Liefern Sie hohe Strombögen (150~200A). 15oz Kupferbusstangen in einem Lincoln Electric Schweißmaschinengriff 200A ohne Überhitzung, um eine gleichbleibende Schweißqualität zu gewährleisten.

4. Medizinische Geräte
a.Portable Defibrillatoren: Liefern 300A-Schocks (kurzfristig). Schwere Kupfer-PCBs mit 10oz Spuren und Kupfer-gefüllten Durchgängen sorgen für eine zuverlässige Stromversorgung, die für den Notfall kritisch ist.
b.Dialyse-Maschinen: Kraftpumpen und Heizungen (2040A). 3 Unzen hoch-Tg FR4 PCBs widerstehen Sterilisationschemikalien und erhalten Stabilität und erfüllen die ISO 13485-Standards.

FAQs über die Konstruktion von PCBs aus schwerem Kupfer für Hochstrom
F: Welche maximale Kupferdicke kann ich für eine schwere Kupfer-PCB verwenden?
A: Kommerzielle Hersteller unterstützen bis zu 20 oz (700 μm) Kupfer, obwohl 10 oz die praktische Grenze für die meisten Designs ist (15 oz + erfordert spezielle Ätzausrüstung).Militärische/Luftfahrtkonstruktionen können 30 oz (1050 μm) für extreme hohe Strombedürfnisse erreichen.

F: Können schwere Kupfer-PCBs Hochgeschwindigkeitssignale (z. B. 5G) unterstützen?
A: Ja, mit sorgfältiger Konstruktion. Verwenden Sie 3 ̊5 Unzen Kupfer für Strompfade und 1 Unzen Kupfer für Hochgeschwindigkeitsspuren (um eine kontrollierte Impedanz zu erhalten). Plasma-Ätzen gewährleistet eine Spurenbreite / Abstand von 0,1 mm/0.1 mm für 1 Gbps+-Signale.

F: Wie prüfe ich ein schweres Kupfer-PCB auf hohe Leistungsfähigkeit?
A: Führen Sie folgende Tests durch:

Stromzyklus: 120% des Nennstroms für 1.000 Zyklen (-40°C bis 125°C) anwenden, um auf Spuren von Rissungen zu achten.
Wärmebildgebung: Verwenden Sie eine Infrarotkamera, um Hotspots zu kartieren.
Widerstandsmessung: Spuren des Widerstands im Laufe der Zeit verfolgen; ein Anstieg von > 10% zeigt eine Oxidation oder Beschädigung an.

F: Welche Designsoftware eignet sich am besten für schwere Kupfer-PCBs?
A: Altium Designer und Cadence Allegro haben eingebaute Werkzeuge für schweres Kupfer:

Altium: “Heavy Copper” Konstruktionsregelprüfer (DRC) und aktueller Bewertungsrechner.
Cadence: thermische Analysemodule zur Simulation der Wärmeverteilung.

F: Wie viel kostet ein schweres Kupfer-PCB im Vergleich zu einem Standard-PCB?
A: 3 Unzen Kupfer kosten 2x mehr als 1 Unze; 10 Unzen Kupfer kosten 4x5x mehr. Die Prämie wird durch reduzierte Wärmespenderkosten (30x50% Einsparungen) und längere Lebensdauer der Komponenten ausgeglichen.

Schlussfolgerung
Die Konzeption schwerer Kupfer-PCBs für Hochstromanwendungen ist ein Ausgleich zwischen aktueller Kapazität und Fertigbarkeit, thermischem Management und Kosten, Haltbarkeit und Signalintegrität.Durch Einhaltung der IPC-Standards, wählen Sie die richtigen Materialien aus und priorisieren Sie thermische Entlastung und durch Design können Sie Bretter erstellen, die 30A bis 200A Strom zuverlässig verarbeiten.

Schwere Kupfer-PCBs sind nicht nur ein "Upgrade" von herkömmlichen PCBs, sie sind eine Notwendigkeit für die nächste Generation von Hochleistungselektronik, von Elektrofahrzeugen bis hin zu erneuerbaren Energiesystemen.Die Nachfrage nach intelligentenDie Entwicklung eines effizienten, schweren Kupferdesigns wird nur zunehmen, was es zu einer kritischen Fähigkeit für Ingenieure und Hersteller macht.

Der Schlüssel zum Erfolg ist, nicht zu viel (z. B. 10 Unzen Kupfer für ein 20A-Design) oder zu wenig (z. B. 3 Unzen für 40A) zu konstruieren.,Mit diesen Schritten werden Sie PCBs bauen, die unter Druck buchstäblich funktionieren.