2024 Guía de expertos: Diseño de PCB de cobre pesado para aplicaciones de alta corriente

En la era de los vehículos eléctricos, los sistemas de energía renovable y la automatización industrial,placas de circuitos electrónicos de demanda de alta potencia que pueden manejar corrientes extremas sin sobrecalentamiento o fallasLos PCB de cobre pesado, definidos por capas de cobre de 3 oz (105 μm) o más de espesor, son la solución.Disparan el calor de manera eficiente (conductividad térmica del cobreSe prevé que el mercado mundial de PCB de cobre pesado crezca a un CAGR del 8,3% hasta 2030, impulsado por la demanda de motores de vehículos eléctricos, inversores solares,y equipo militar.

Esta guía detalla los principios esenciales de diseño, las estrategias de gestión térmica y las técnicas avanzadas para los PCB de cobre pesado.y las mejores prácticas de la industria , capacita a ingenieros y diseñadores para crear placas confiables y de alto rendimiento para aplicaciones de alta corriente.

Las cosas que hay que aprender
1El espesor del cobre es crítico: 3 oz de cobre (105 μm) transporta 2 veces más corriente que 1 oz (35 μm) y reduce el aumento de calor en un 40% para el mismo ancho de traza.
2.El ancho de la huella sigue los estándares IPC: Utilice la fórmula IPC-2221 (o calculadoras en línea) para dimensionar las huellas. Por ejemplo, una huella de cobre de 2 onzas necesita 20 milímetros de ancho para 5A (regla circular de 500 mil/ampere).
3La gestión térmica no es negociable: Combine vías térmicas (diámetro 0,2 ∼ 0,4 mm), materiales de alta conductividad térmica (MCPCB) y disipadores de calor para mantener las temperaturas < 125 °C.
4.Cuestiones de fabricación: Evite el cobre demasiado grueso (≥ 10 oz) sin la entrada del proveedor. Puede causar problemas de laminación.
5Las técnicas avanzadas aumentan el rendimiento: las barras de bus de cobre reducen la inductancia en un 30%, mientras que los diseños de múltiples capas distribuyen la corriente de manera uniforme a través de 412 capas.

Comprender los PCB de cobre pesado

¿Qué es un PCB de cobre pesado?
Un PCB de cobre pesado se define por sus capas de cobre de 3 oz (105 μm) o más en comparación con los PCB estándar (1 oz/35 μm o 2 oz/70 μm).
a. Transporte de corrientes altas (50A 500A) sin calor excesivo.
b. Disparan el calor 3 × 5 veces más rápido que los PCB estándar.
c. Resisten las tensiones mecánicas (por ejemplo, vibraciones en vehículos eléctricos) y el ciclo térmico.

Criterios básicos de definición

Ventajas clave de los PCB de cobre pesado
Los PCB de cobre pesado superan a los PCB estándar en escenarios de alta potencia, ofreciendo cuatro beneficios críticos:

Aplicaciones críticas de los PCB de cobre pesado
Los PCB de cobre pesado son indispensables en industrias donde la fiabilidad bajo alta corriente no es negociable:

Ejemplo: el Tesla Model 3 BMS utiliza PCB de cobre pesados de 6 onzas para manejar corrientes de 400V +, reduciendo las fallas relacionadas con el calor en un 70% en comparación con los modelos anteriores con PCB estándar.

Consideraciones esenciales de diseño para los PCB de cobre pesado
El diseño de PCB de cobre pesado requiere equilibrar la capacidad de corriente, la gestión térmica y la fabricabilidad.
1Elegir el espesor de cobre adecuado
El espesor del cobre afecta directamente la capacidad de carga de la corriente, la disipación de calor y la complejidad de fabricación.

El espesor del cobre frente al rendimiento

Factores clave a tener en cuenta al medir el cobre
a.Requisitos actuales: Utilice la regla de 500 millas circulares por ampere (1 milla circular = 0,001 milla 2) para estimaciones rápidas, por ejemplo, 5A necesita 2.500 millas circulares (20 millas de ancho × 70 μm / 2 oz de espesor).
b. Límites de aumento de calor: los estándares industriales permiten un aumento de calor de 30 a 40 °C; las aplicaciones críticas (por ejemplo, médicas) requieren < 20 °C. Un cobre más grueso reduce exponencialmente el aumento de calor.
c. Fabricabilidad: el cobre ≥10 oz requiere un revestimiento especializado (por ejemplo, galvanoplastia de pórtico) y una laminación.
d.Costo: Cada onza de cobre agrega ~15~20% al costo del PCB. Evite especificar demasiado (por ejemplo, 6 oz para una aplicación 10A) para ahorrar dinero.

Consejo de herramientas: Utilice ANSYS o SolidWorks PCB para simular el flujo de corriente y el aumento de calor. Estas herramientas optimizan el grosor del cobre para sus requisitos exactos.

2. El cálculo de anchos de traza para la corriente alta
El ancho de traza es el parámetro de diseño más crítico para los PCB de cobre pesado: demasiado estrecho, y la placa se sobrecalienta; demasiado ancho, y pierde espacio.

IPC-2221 Fórmula de ancho de huella
I=k×(ΔT 0.44)) ×W 1.0 × t 0.725
Donde:
I: Corriente en amperios (A)
ΔT: Aumento de la temperatura permitido (°C)
W: ancho de las huellas en mils (1mil = 0,0254 mm)
t: espesor de cobre en onzas/ft2
k: constante (varía según el grosor del cobre: 0,048 para 1 oz, 0,064 para 2 oz, 0,078 para 3 oz)

Ejemplos de cálculos

Consejos críticos para el diseño de trazas
a.Retrato exterior frente a intrínseco: los trazos externos se enfrían un 30% más rápido que los trazos internos (expuestos al aire)
b.Forma de las huellas: evitar ángulos agudos (> 90°) y utilizar esquinas redondeadas para reducir la aglomeración de corriente (causa puntos calientes).
c. Trazas paralelas: para corrientes > 100 A, utilizar 2 ′ 4 trazas paralelas (espaciadas ≥ 3x de ancho de traza) para distribuir la corriente de manera uniforme.

3Gestión de la expansión térmica y el estrés
Los PCB de cobre pesado son propensos al estrés térmico debido a los coeficientes de expansión térmica (CTE) no coincidentes entre el cobre (17ppm/°C) y el FR4 (13ppm/°C).o deformación de tablas, especialmente durante el ciclo térmico (-40°C a +125°C).

Estrategias para reducir el estrés térmico

Punto de datos: un PCB de cobre pesado con vías térmicas y FR4 de alta Tg tiene una tasa de fallas un 60% menor durante el ciclo térmico que un diseño estándar.

4. Garantizar la fabricabilidad
Los PCB de cobre pesado son más complejos de fabricar que las placas estándar.
a.Evitar el cobre demasiado grueso: el cobre ≥ 10 oz requiere una laminación especializada (prensa de vacío + alta temperatura) y puede aumentar el tiempo de entrega en 2 ∼ 3 semanas.
b.Espacio mínimo de trazas: utilizar un espaciado ≥ 10 mil para 3 onzas de cobre (en comparación con 6 mil para 1 onza) para evitar cortocircuitos durante el grabado.
Control de la laminación: Trabajar con los proveedores utilizando galvanoplastia de pórtico o hundimiento horizontal de cobre para garantizar un espesor de cobre uniforme.
d. Diseño para ensayos: añadir puntos de ensayo a lo largo de las vías de alta corriente para verificar la continuidad y el flujo de corriente sin dañar la placa.

Mejores prácticas para la gestión térmica de los PCB de cobre pesado
El calor es el mayor enemigo de los PCB de alta corriente.Las temperaturas no controladas reducen la vida útil de los componentes y causan fallas repentinas.Combine estas cuatro estrategias para un rendimiento térmico óptimo.

1Las vías térmicas: el fundamento de la disipación de calor
Las vías térmicas son pequeños agujeros (0,2 ∼0,4 mm) revestidos de cobre que transfieren calor desde la capa superior a la capa inferior (o plano de tierra)..

Directrices de diseño de vías térmicas

Comparación del rendimiento térmico

2Materiales de alta conductividad térmica
El sustrato de PCB juega un papel crítico en la disipación de calor  actualización del FR4 estándar a estos materiales para aplicaciones de alta corriente:

Ejemplo: Un MCPCB de cobre con 4 onzas de cobre reduce el aumento de calor en un 45% en comparación con un PCB FR4 estándar para la misma aplicación de 50A.

3Colocación de componentes estratégicos
El diseño de los componentes afecta directamente el rendimiento térmico. Evite errores comunes como agrupar componentes calientes:
a. Distribuir las piezas de alta potencia: MOSFET espaciales, IGBT y transformadores separados ≥ 5 mm para evitar la acumulación de calor.
b.Componentes sensibles separados: Mantener los circuitos integrados de control (por ejemplo, microcontroladores) a una distancia ≥ 10 mm de los rastros de alta corriente para evitar daños térmicos.
c. Alinearse con las vías de enfriamiento: colocar los componentes calientes sobre vías térmicas o núcleos metálicos para maximizar la transferencia de calor.
d.Evitar los cruces de corrientes: cruzar las corrientes de alta corriente a 90° (no paralelas) para reducir el calentamiento mutuo.

4. Disolventes y almohadillas térmicas
Para corrientes > 100 A o componentes con disipación de potencia > 5 W, añadir refrigeración externa:
a. disipadores de calor: se unen disipadores de calor de aluminio o cobre a los componentes calientes mediante una pasta térmica (conductividad térmica: 1 ‰ 4 W/mK).
Tj=T a + ((R ja ×P)
donde Tj = temperatura de unión, T a = temperatura ambiente, R ja = resistencia térmica (°C/W), P = disipación de energía (W).
b.Mapas térmicas: utilizar almohadillas térmicas de silicona o grafito (conductividad térmica: 1 ‰ 10 W/mK) para llenar los huecos entre los componentes y los disipadores de calor ‰ ideales para superficies irregulares.
c. Refrigeración por aire forzado: añadir ventiladores para equipos industriales que operan a altas temperaturas ambientales (> 40 °C).

Consejo: Un disipador de calor de aluminio de 20 mm × 20 mm × 10 mm reduce la temperatura de unión de un componente de 10 W en 40 °C.

Técnicas avanzadas para aplicaciones de alta corriente
Para corrientes extremas (100A +) o diseños complejos, utilice estos métodos avanzados para aumentar el rendimiento y la fiabilidad.

1Barras de cobre para el flujo de corriente de baja inductancia
Las barras de barras de cobre son tiras de cobre gruesas y planas (de 10 mm de ancho y 3 mm de espesor) integradas en el PCB para transportar corrientes ultra altas.
a.Baja inductancia: Reduce los picos de voltaje y el EMI en un 30% en comparación con las trazas estándar.
b.Capacidad de corriente alta: una barra de cobre de 10 mm × 2 mm transporta 200 A con un aumento de calor de 40 °C.
c.Ansamblaje simplificado: sustituir múltiples trazas paralelas por una barra de bus, reduciendo los puntos de soldadura y los riesgos de fallas.

Consejos de diseño de barras de cobre
a. espesor: utilizar un espesor ≥ 1 mm para corrientes > 100 A para minimizar la resistencia.
b.Montaje: Asegurar las barras de bus con obstáculos aislados para evitar cortocircuitos.
c. Revestimiento: placa con estaño o níquel para evitar la oxidación y mejorar la soldadura.

2Bloques de terminales para conexiones seguras
Los bloques de terminales proporcionan conexiones seguras y confiables para cables de alta corriente (por ejemplo, 10AWG4AWG).
a.Corrente nominal: elige bloques con una corriente nominal de 1,5 veces la corriente máxima (por ejemplo, bloques de 75 A para aplicaciones de 50 A).
b.Dimensión del alambre: corresponde el tamaño del bloque con el grosor del alambre (por ejemplo, el alambre 6AWG necesita un bloque terminal con una capacidad de 16 mm2).
c.Montaje: utilizar terminales de tornillo o de sujeción de resorte para la resistencia a las vibraciones (crítico para los vehículos eléctricos y los equipos industriales).

3. PCB de cobre pesado de varias capas
Los diseños de múltiples capas (412 capas) distribuyen la corriente a través de múltiples capas de cobre, reduciendo el ancho del rastro y el aumento de calor.
a. Planos de potencia y tierra: utilizar 2 ∼4 capas como planos de potencia/tierra dedicados para propagar la corriente de manera uniforme.
b.Apilado de capas: Coloque capas de cobre simétricamente (por ejemplo, potencia → señal → tierra → señal → potencia) para reducir la deformación.
c. Vía de costura: conecte los planos de potencia / tierra con vías (0,3 mm, 50 millas de ancho) para mejorar la distribución de corriente y reducir la inductancia.

Ejemplo: Un PCB de cobre pesado de 6 capas con planos de potencia de 4 onzas transporta 150A con un aumento de calor de 30 °C, algo que una placa de 2 capas solo podría lograr con trazas poco prácticas (100 mil +).

Por qué asociarse con un fabricante especializado de PCB de cobre pesado
El diseño de PCB de cobre pesado es sólo la mitad de la batalla, la precisión de fabricación es crítica.
a.Certificaciones IPC: Clasificación 3 IPC 610 (la más alta calidad) y cumplimiento de IPC 2221 para el tamaño de los rastros.
b.Equipo especializado: galvanoplastia, laminación al vacío y perforación láser para vías pequeñas.
c. Experiencia en materiales: experiencia con MCPCB, sustratos de cobre y cobre grueso (hasta 20 oz).
d. Capacidades de ensayo: imágenes térmicas, ensayo de flujo de corriente y ciclo térmico para validar el rendimiento.
e. Personalización: capacidad para adaptar el grosor del cobre, la máscara de soldadura y los acabados (ENIG, HASL) a su aplicación.

Estudio de caso: Una empresa de energía renovable se asoció con un fabricante de IPC 610 Clase 3 para producir 6 onzas de PCB de cobre pesado para inversores solares.Las placas redujeron los fallos relacionados con el calor en un 80% y mejoraron la eficiencia del inversor en un 3%.

FAQ: Preguntas comunes sobre los PCB de cobre pesado
1¿Cuál es el grosor máximo de cobre para los PCB de cobre pesado?
La mayoría de los fabricantes ofrecen hasta 20 oz (700 μm) de cobre para aplicaciones extremas (por ejemplo, radar militar, equipo de soldadura).El cobre más grueso (> 20 oz) es posible, pero requiere herramientas personalizadas y tiempos de entrega más largos.

2¿Se pueden utilizar PCB de cobre pesado en aplicaciones de alta frecuencia?
Sí, el cobre grueso reduce la impedancia (crítico para las señales de alta frecuencia), pero requiere un diseño cuidadoso de las huellas para evitar la pérdida de señal.Polar Instruments) para optimizar el ancho de traza y el espaciamiento para la impedancia de 50Ω/75Ω.

3¿Cómo equilibrar el coste y el rendimiento de los PCB de cobre pesado?
a. Utilice el espesor mínimo de cobre necesario para sus necesidades actuales (por ejemplo, 3 oz en lugar de 6 oz para 30A).
b. Limitar los diseños de múltiples capas a 4 a 6 capas a menos que se requiera > 100 A.
c.Elegir MCPCB de FR4 o aluminio en lugar de MCPCB de cobre para proyectos sensibles a los costos.

4¿Cuáles son las fallas comunes en los PCB de cobre pesado?
a.Delaminación: causada por una mala laminación (presión/temperatura insuficientes) o un espesor excesivo de cobre.
b.Levantamiento de almohadillas: debido al estrés térmico de la incompatibilidad de CTE, se resuelve con almohadillas de lágrimas y vías térmicas.
c. Errores en el grabado: bajo o sobre grabado de cobre grueso. Utilice un fabricante con procesos de grabado controlados.

Conclusión: Los PCB de cobre pesado son la columna vertebral de la electrónica de alta potencia

A medida que la electrónica exige mayores corrientes y una mayor fiabilidad, los PCB de cobre pesado se han vuelto indispensables.disipar el calor de manera eficiente, y soportan condiciones duras, lo que los convierte en la mejor opción para aplicaciones de alta potencia.
La clave para el diseño exitoso de PCB de cobre pesado radica en:
a.Densidad de cobre adecuada para equilibrar la capacidad y el coste actuales.
b.Cálculos precisos de la anchura de la pista utilizando las normas IPC para evitar el sobrecalentamiento.
c.Gestión térmica integral (vías térmicas, materiales de alta temperatura, disipadores de calor).
d.Manufacturabilidad: asociarse con proveedores certificados IPC para evitar defectos.

En el futuro, los PCB pesados de cobre desempeñarán un papel aún mayor en la transición hacia la energía limpia y la movilidad eléctrica.Las aleaciones de cobre de mayor conductividad y los sistemas de refrigeración integrados mejorarán aún más el rendimiento al tiempo que reducen el tamaño y el costo.

Para los ingenieros y diseñadores, dominar el diseño de PCB de cobre pesado ya no es una opción, sino una necesidad para mantenerse competitivos en el mercado de la electrónica de alta potencia.Siguiendo los principios descritos en esta guía, puede crear tableros que sean confiables, eficientes y construidos para manejar las demandas de la tecnología del mañana.