Leiterplatten mit schwerem Kupfer: Hersteller, Anwendungen und Schlüsselindustrien

Leistungsstarke Kupfer-Leiterplatten – definiert durch Kupferstärken von 3oz (105μm) oder mehr – sind das Rückgrat der Hochleistungselektronik und ermöglichen die effiziente Verteilung großer Ströme in Anwendungen, die von Elektrofahrzeugen (EVs) bis hin zu Industriemaschinen reichen. Im Gegensatz zu Standard-Leiterplatten (1–2oz Kupfer) bieten Heavy-Copper-Designs eine überlegene Wärmeleitfähigkeit, Strombelastbarkeit und mechanische Festigkeit, was sie für Systeme unverzichtbar macht, die Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen erfordern.

Dieser Leitfaden untersucht die einzigartigen Eigenschaften von Heavy-Copper-Leiterplatten, ihre Fertigungsherausforderungen, die Top-Hersteller und reale Anwendungen in verschiedenen Branchen. Egal, ob Sie ein 500A-Batteriemanagementsystem für Elektrofahrzeuge oder einen Hochleistungs-Industriewechselrichter entwerfen, das Verständnis der Heavy-Copper-Technologie hilft Ihnen bei der Auswahl der richtigen Lösung für Ihre Hochstromanforderungen.

Wichtigste Erkenntnisse
 1. Heavy-Copper-Leiterplatten verwenden 3oz (105μm) bis 20oz (700μm) Kupfer und unterstützen Ströme bis zu 500A – 10x mehr als Standard-1oz-Leiterplatten.
 2. Sie leiten Wärme 3x schneller ab als Standard-Leiterplatten und reduzieren die Komponententemperaturen in Hochleistungsanwendungen um 20–30°C.
 3. Zu den kritischen Fertigungstechniken gehören kontrolliertes Ätzen, Press-Fit-Technologie und Wärmemanagement-Funktionen wie kupfergefüllte Vias.
 4. Führende Hersteller (z. B. LT CIRCUIT, Sanmina) sind auf Heavy-Copper-Leiterplatten spezialisiert und bieten Toleranzen von bis zu ±5 % für Leiterbahnbreiten.
 5. Zu den wichtigsten Branchen gehören Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien, industrielle Automatisierung und Luft- und Raumfahrt – wo hoher Strom und Haltbarkeit unverzichtbar sind.

Was sind Heavy-Copper-Leiterplatten?
Heavy-Copper-Leiterplatten sind Leiterplatten mit dicken Kupferschichten (3oz+), die auf Leistungsebenen und Leiterbahnen angeordnet sind und für die Aufnahme großer Ströme und die effiziente Wärmeableitung ausgelegt sind. Die Kupferdicke wird in Unzen pro Quadratfuß (oz/ft²) gemessen, wobei 1oz 35μm entspricht. Heavy-Copper-Designs reichen typischerweise von 3oz (105μm) bis 20oz (700μm), obwohl kundenspezifische Anwendungen sogar dickere Schichten verwenden können.

Wie Heavy-Copper-Leiterplatten funktionieren
Die dicken Kupferschichten dienen zwei Hauptfunktionen:

 1. Hohe Strombelastbarkeit: Breitere, dickere Leiterbahnen reduzieren den Widerstand (Ohmsches Gesetz), wodurch mehr Strom fließen kann, ohne zu überhitzen. Eine 10 mm breite, 4oz Kupferleiterbahn kann 50A tragen – 5x mehr als eine 1oz Leiterbahn gleicher Breite.
 2. Wärmeableitung: Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (401 W/m·K) verteilt die Wärme von Komponenten wie MOSFETs und Transformatoren und verhindert Hotspots, die die Leistung beeinträchtigen.

Heavy Copper vs. Standard Copper Leiterplatten

Wichtige Eigenschaften von Heavy-Copper-Leiterplatten
Heavy-Copper-Leiterplatten bieten eine einzigartige Reihe von Eigenschaften, die sie ideal für Hochleistungsanwendungen machen:

1. Hohe Strombelastbarkeit
Der wichtigste Vorteil von Heavy Copper ist seine Fähigkeit, große Ströme zu verarbeiten. Dies wird durch die Strombelastbarkeit der Kupferleiterbahnen bestimmt, die mit Dicke und Breite zunimmt:

Hinweis: Höhere Umgebungstemperaturen reduzieren die Strombelastbarkeit, da die Wärmeableitung weniger effizient wird.

2. Überlegenes Wärmemanagement
Dicke Kupferschichten wirken als eingebaute Kühlkörper und leiten die Wärme von den Komponenten ab:

 a. Eine 4oz Kupferfläche reduziert die Komponententemperatur um 25°C im Vergleich zu einer 1oz Fläche in einem 100W Netzteil.
 b. Kupfergefüllte thermische Vias (0,3–0,5 mm Durchmesser) übertragen Wärme von oberflächenmontierten Komponenten auf die Innenschichten und verbessern so die Wärmeableitung weiter.

Testdaten: Ein EV-Wechselrichter mit 4oz Heavy-Copper-Leiterplatten arbeitete bei 85°C unter Volllast, im Vergleich zu 110°C für ein 2oz-Design – wodurch die Lebensdauer der Halbleiter um das 2-fache verlängert wurde.

3. Mechanische Haltbarkeit
Heavy-Copper-Leiterbahnen und -Flächen sind widerstandsfähiger gegen mechanische Belastungen:

 a. Widerstehen Vibrationen (20–2.000 Hz) in Automobil- und Industrieumgebungen (MIL-STD-883H-konform).
 b. Beständig gegen Ermüdung durch thermische Zyklen (-40°C bis 125°C), wodurch Lötstellenfehler im Vergleich zu Standard-Leiterplatten um 50 % reduziert werden.

Herstellung von Heavy-Copper-Leiterplatten: Herausforderungen und Lösungen
Die Herstellung von Heavy-Copper-Leiterplatten erfordert spezielle Verfahren, um dickes Kupfer zu verarbeiten und gleichzeitig die Präzision zu erhalten:

1. Kontrolliertes Ätzen
Das Ätzen von dickem Kupfer (3oz+) ohne Unterschneidung (übermäßiges Entfernen der Leiterbahnseiten) ist eine Herausforderung. Hersteller verwenden:

 a. Ätzen mit Kupfersulfat: Langsamere Ätzraten (1–2μm/min) mit präziser Temperaturregelung (45–50°C), um die Leiterbahn-Genauigkeit zu erhalten.
 b. Stufenätzung: Mehrere Durchgänge mit reduzierter Ätzmittelkonzentration, um die Unterschneidung zu minimieren und Leiterbahntoleranzen von ±5 % zu erreichen.

Ergebnis: Eine 4oz Kupferleiterbahn mit einer Zielbreite von 10 mm behält Abmessungen von 9,5–10,5 mm bei und gewährleistet so einen gleichmäßigen Stromfluss.

2. Laminierung und Verklebung
Dicke Kupferschichten erfordern eine stärkere Haftung auf dem Substrat (z. B. FR4, Keramik), um eine Delaminierung zu verhindern:

 a. Hochdrucklaminierung: 400–500 psi Druck bei 180°C gewährleistet eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen Kupfer und Substrat.
 b. Klebstofffreie Verfahren: Direkte Verbindung (z. B. DBC für Keramiksubstrate) eliminiert Epoxidschichten und verbessert die Wärmeleitfähigkeit.

3. Thermische Vias und Wärmemanagement-Funktionen
Heavy-Copper-Leiterplatten enthalten oft zusätzliche thermische Merkmale:

 a. Kupfergefüllte Vias: Mit 20–30μm Kupfer beschichtet, um die Wärmeübertragung zwischen den Schichten zu verbessern.
 b. Integrierte Kühlkörper: Dicke Kupferflächen (10–20oz), die mit Aluminiumkernen verbunden sind, für extreme thermische Belastungen (z. B. 500A EV-Systeme).

Top-Hersteller von Heavy-Copper-Leiterplatten
Die Auswahl des richtigen Herstellers ist entscheidend, um Qualität und Leistung sicherzustellen. Führende Anbieter sind:
1. LT CIRCUIT
Fähigkeiten: 3–20oz Kupfer, 4–20-Lagen-Leiterplatten, enge Toleranzen (±5 % Leiterbahnbreite).
Spezialitäten: Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge, Industriewechselrichter und Leiterplatten für erneuerbare Energien.
Zertifizierungen: IATF 16949 (Automobil), ISO 9001, UL 94 V-0.

2. Sanmina
Fähigkeiten: 3–12oz Kupfer, großformatige Leiterplatten (bis zu 600 mm × 1200 mm).
Spezialitäten: Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, medizinische Bildgebungsgeräte.
Zertifizierungen: AS9100, ISO 13485.

3. TTM Technologies
Fähigkeiten: 3–20oz Kupfer, Hybrid-Leiterplatten (Heavy Copper + HDI).
Spezialitäten: Stromversorgungen für Rechenzentren, Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge.
Zertifizierungen: ISO 9001, IATF 16949.

4. Multek
Fähigkeiten: 3–10oz Kupfer, Großserienproduktion (10.000+ Einheiten/Woche).
Spezialitäten: Unterhaltungselektronik (Hochleistungs-Ladegeräte), Industriemotoren.
Zertifizierungen: ISO 9001, UL-zertifiziert.

Anwendungen von Heavy-Copper-Leiterplatten
Heavy-Copper-Leiterplatten werden in Branchen eingesetzt, in denen hoher Strom und Haltbarkeit entscheidend sind:

1. Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeuge
 a. Batteriemanagementsysteme (BMS): 4–10oz Kupferleiterbahnen überwachen und gleichen 800V-Batteriepacks aus und verarbeiten 200–500A beim Laden/Entladen.
 b. Traktionswechselrichter: Wandeln Gleichstrom von der Batterie in Wechselstrom für den Motor um und verwenden 6–12oz Kupfer, um Ströme von 300–600A zu verwalten.
 c. On-Board-Ladegeräte (OBC): 3–6oz Kupfer-Leiterplatten verarbeiten 10–40A AC-DC-Wandlung mit thermischen Vias zur Wärmeableitung.

2. Erneuerbare Energien
 a. Solarwechselrichter: 4–8oz Kupfer-Leiterplatten wandeln Gleichstrom von Solarmodulen in Wechselstrom um und halten Strömen von 50–100A in Außenumgebungen stand.
 b. Windturbinen-Controller: 6–10oz Kupfer verwaltet die Leistung von Turbinen und widersteht Vibrationen und Temperaturschwankungen (-40°C bis 85°C).

3. Industrielle Automatisierung
 a. Motorantriebe: 3–6oz Kupfer-Leiterplatten steuern Industriemotoren (10–50 PS) und verarbeiten 50–200A in Frequenzumrichtern (FU).
 b. Schweißgeräte: 10–20oz Kupfer führt Ströme von 100–500A in Lichtbogenschweißgeräten und verfügt über dicke Flächen zur Wärmeableitung von Hochleistungslichtbögen.

4. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
 a. Stromverteilung in Flugzeugen: 6–12oz Kupfer-Leiterplatten verwalten 28V DC-Systeme in Flugzeugen und halten temperaturbezogenen Höhenänderungen stand.
 b. Militärfahrzeuge: 10–15oz Kupfer-Leiterplatten versorgen Radar- und Kommunikationssysteme mit Strom und widerstehen Stößen und Vibrationen in Kampfumgebungen.

5. Medizinische Geräte
 a. Bildgebungsgeräte (CT, MRT): 3–6oz Kupfer-Leiterplatten verarbeiten hohe Ströme in Netzteilen und gewährleisten einen stabilen Betrieb für präzise Bildgebung.
 b. Lasertherapiesysteme: 4–8oz Kupfer leitet Wärme von 50–100W-Lasern ab und sorgt so für eine gleichmäßige Leistung während der Behandlungen.

FAQs zu Heavy-Copper-Leiterplatten
F1: Was ist die minimale Leiterbahnbreite für Heavy-Copper-Leiterplatten?
A: Für 3oz Kupfer beträgt die minimale Leiterbahnbreite 0,5 mm (20 mil), um Ätzprobleme zu vermeiden. Dickeres Kupfer (10oz+) erfordert breitere Leiterbahnen (≥1 mm), um die Toleranzen einzuhalten.

F2: Können Heavy-Copper-Leiterplatten mit Hochfrequenzsignalen verwendet werden?
A: Ja, aber dickes Kupfer kann bei >1 GHz Signalverluste verursachen. Hersteller mildern dies durch den Einsatz von Hybrid-Designs: Heavy Copper für Leistungsebenen und Standard-Kupfer (1oz) für Hochfrequenz-Signalebene.

F3: Wie reduzieren Heavy-Copper-Leiterplatten die Systemkosten?
A: Durch den Wegfall von externen Kühlkörpern und Stromschienen reduzieren Heavy-Copper-Leiterplatten die Anzahl der Komponenten und die Montagezeit. Beispielsweise spart ein EV-Wechselrichter mit 4oz Kupfer 15–20 US-Dollar pro Einheit, indem er eine 1oz-Leiterplatte + Kühlkörper ersetzt.

F4: Welche Substrate werden mit Heavy Copper verwendet?
A: FR4 (High-Tg, Tg≥170°C) ist Standard für die meisten Anwendungen. Keramiksubstrate (Aluminiumoxid, AlN) werden für extreme thermische Belastungen (z. B. 500A-Systeme) verwendet.

F5: Sind Heavy-Copper-Leiterplatten RoHS-konform?
A: Ja – Hersteller verwenden bleifreies Kupfer und Substrate und gewährleisten so die Einhaltung der RoHS-, REACH- und IATF 16949 (Automobil)-Standards.

Fazit
Heavy-Copper-Leiterplatten sind für die Hochleistungselektronik unerlässlich und ermöglichen die effiziente Handhabung großer Ströme in Elektrofahrzeugen, Systemen für erneuerbare Energien und Industriemaschinen. Ihre Fähigkeit, hohe Strombelastbarkeit, Wärmeableitung und mechanische Haltbarkeit zu kombinieren, macht sie in Anwendungen unersetzlich, in denen Standard-Leiterplatten versagen.

Obwohl Heavy-Copper-Leiterplatten zunächst mehr kosten, führen ihre Fähigkeit, die Systemkomplexität zu reduzieren (z. B. den Wegfall von Kühlkörpern) und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern, zu geringeren Gesamtkosten im Laufe der Zeit. Durch die Zusammenarbeit mit erfahrenen Herstellern wie LT CIRCUIT oder TTM Technologies können Ingenieure die Heavy-Copper-Technologie nutzen, um zuverlässige, leistungsstarke Systeme zu bauen, die den Anforderungen der stromhungrigen Elektronik von morgen gerecht werden.

Da Branchen wie Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien weiter wachsen, werden Heavy-Copper-Leiterplatten eine immer wichtigere Rolle bei der Ermöglichung einer effizienten, nachhaltigen Stromverteilung spielen – was beweist, dass dickeres Kupfer immer besser ist, wenn es um hohen Strom geht.