Diseño de PCB de cobre pesado para aplicaciones de alta corriente: una guía completa

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En la electrónica de alta potencia, desde los inversores de vehículos eléctricos (EV) hasta los motores industriales, los PCB de cobre estándar de 1 onza fallan.Estos sistemas requieren PCB que puedan manejar corrientes de 30A a 200A sin sobrecalentamiento, resisten el ciclo térmico y mantienen la integridad de la señal.están diseñados para resolver los desafíos únicos del diseño de alta corriente.

El diseño de PCB de cobre pesado no se trata solo de “usar cobre más grueso”, sino que requiere una cuidadosa consideración de la geometría de trazas, la compatibilidad del material, la gestión térmica y la fabricabilidad.Esta guía analiza los principios críticos del diseño de PCB de cobre pesado para aplicaciones de alta corriente, desde la selección de materiales hasta las mejores prácticas de diseño, y explica cómo evitar trampas comunes.Este recurso le ayudará a crear un, tableros de alto rendimiento.

Las cosas que hay que aprender
1Las trazas de cobre pesado (3 oz +) soportan 2 5 veces más corriente que el cobre estándar de 1 oz: una traza de 3 oz (105 μm) soporta 30A, mientras que una traza de 10 oz (350 μm) soporta 80A en el mismo ancho.

2Los factores de diseño críticos incluyen anchura/espesor de las huellas (según las normas IPC-2221), patrones de relevo térmico (reducir los puntos calientes en un 40%),y a través del llenado (las vías sólidas de cobre transportan 3 veces más corriente que las vías revestidas).

3Los sustratos de alta Tg (≥ 170 °C) y los laminados llenos de cerámica no son negociables para diseños de alta corriente, ya que soportan temperaturas de funcionamiento de 150 °C +.

4En comparación con los PCB estándar, los diseños de cobre pesado reducen la resistencia térmica en un 60% y extienden la vida útil de los componentes en un 2×3x en sistemas de alta potencia.

¿Qué hace que los PCB de cobre pesado sean ideales para aplicaciones de alta corriente?
Los circuitos de alta corriente generan calor significativo (según la ley de Joule: P = I2R), y los PCB estándar luchan por disipar esta energía.

a.Resistencia eléctrica más baja: un cobre más grueso reduce la resistencia (R = ρL/A, donde A = área de la sección transversal), minimizando la pérdida de energía y la generación de calor.Un trazo de 3 onzas de cobre tiene 66% menos resistencia que un trazo de 1 onza del mismo ancho.
b.Conductividad térmica superior: la conductividad térmica del cobre (401 W/m·K) es 1.300 veces superior a la del FR4 (0,3 W/m·K).Difundir el calor lejos de los componentes como IGBT y MOSFET.
c. Mejora de la durabilidad mecánica: El cobre grueso (especialmente 5 oz +) resiste la fatiga por el ciclo térmico (-40 °C a 125 °C) y la vibración, reduciendo el rastro de grietas, un punto de falla común en los PCB estándar.

El espesor del cobre pesado frente a la capacidad de carga de corriente
La relación entre el grosor del cobre y la corriente no es lineal. La anchura de la traza, la temperatura ambiente y el flujo de aire también juegan un papel.A continuación se muestra una referencia práctica para los diseños de alta corriente (basados en IPC-2221 y pruebas de la industria), suponiendo 25°C ambiente y longitud de huella de 10 cm):

Nota: Para corrientes > 100 A, utilizar rastros paralelos (por ejemplo, dos rastros de 10 oz, 1,5 mm para 200 A) para evitar el ancho excesivo del rasto y los desafíos de fabricación.

Principios críticos de diseño para PCB de cobre pesado
El diseño de PCB de cobre pesado para alta corriente requiere equilibrar el rendimiento eléctrico, la gestión térmica y la fabricabilidad.

1. Cálcule el ancho de traza y el grosor para la corriente de destino
La base del diseño de alta corriente es el tamaño de las huellas para manejar la corriente esperada sin sobrecalentamiento.

a.Seguir las normas IPC-2221: La especificación IPC-2221 proporciona fórmulas para el ancho de las huellas basadas en la corriente, el aumento de la temperatura y el grosor del cobre.Para un aumento de temperatura de 10 °C (común en los diseños de alta fiabilidad):
3 oz de cobre: 0,8 mm de ancho = 25A
5 oz de cobre: 0,8 mm de ancho = 38A
b.Tener en cuenta la temperatura ambiente: en entornos calurosos (por ejemplo, compartimientos de motores de vehículos eléctricos, 85°C), disminuir la corriente en un 30~40% (véase el cuadro anterior).
c.Evitar el tamaño excesivo: mientras que el cobre más grueso es mejor para la corriente, el cobre de 15 oz + se vuelve difícil de grabar y laminar para la mayoría de las aplicaciones comerciales.

Recomendación de herramienta: Utilice calculadoras en línea como la Calculadora de ancho de traza de PCB (de Sierra Circuits) o la herramienta de clasificación de corriente incorporada de Altium para validar el tamaño.

2. Priorizar la gestión térmica
Incluso con cobre grueso, los componentes de alta corriente (por ejemplo, IGBT, resistencias de potencia) crean puntos calientes.

a.Pads de alivio térmico: Conectar los componentes de potencia a los planos de cobre pesado utilizando patrones de alivio térmico “pads con ranuras que equilibran la transferencia de calor y la solderabilidad.Una almohadilla de alivio térmico de 5 mm × 5 mm para un componente TO-220 reduce la temperatura del punto caliente en un 40% frente a. una almohadilla sólida.
b.Planos de cobre para la propagación del calor: Utilice 3 ̊5oz de planos de cobre (no sólo rastros) bajo los componentes de potencia.
c. Vías térmicas: añadir vías térmicas llenas de cobre (0,3 ∼0,5 mm de diámetro) alrededor de los componentes calientes para transferir calor a los planos interno/externo.Las vías espaciales están separadas por 1-2 mm para obtener la máxima eficiencia. Las vías térmicas reducen la temperatura del componente en 15-20 °C..
d.Evitar las restricciones de las huellas: el estrechamiento de una huella de 10 oz, 1,5 mm a 0,8 mm para un conector crea un cuello de botella, aumentando la temperatura en 25 °C. Utilice afilados graduales (proporción 1:3) si son necesarios cambios de anchura.

Estudio de caso: Una fuente de alimentación industrial de 50A que utiliza 5 oz de planos de cobre y 12 vías térmicas redujo la temperatura de unión IGBT de 120 ° C a 85 ° C, extendiendo la vida útil del componente de 3 años a 7 años.

3Optimiza el diseño para alta corriente.
Las vías a menudo se pasan por alto en el diseño de alta corriente, pero son críticas para conectar capas y transportar corriente:

a.Utilizar vías de cobre: las vías estandarizadas (25 μm de cobre) llevan 10 ̊15A; las vías de cobre (núcleo sólido de cobre) llevan 30 ̊50A, según el diámetro.5 mm llenado a través de soportes 35A ideal para las interconexiones EV BMS.
b.Incrementar el diámetro de vía: para corrientes > 50 A, utilizar vías múltiples (por ejemplo, cuatro vías llenas de 0,5 mm para 120 A) o vías más grandes (diámetro de 0,8 mm = 50 A por vía llena).
c.Evitar los tapones vía: los tapones vía no utilizados (común en las vías de orificio) crean desajustes de impedancia y calor.

4. Seleccione Materiales compatibles
Los PCB de cobre pesado requieren materiales que resistan altas temperaturas y tensiones mecánicas:

a. Substrato (material básico):
FR4 de alta Tg (Tg ≥170°C): estándar para la mayoría de los diseños de alta corriente (por ejemplo, EV BMS). Resiste el funcionamiento continuo a 150°C y el reflujo libre de plomo (260°C).
FR4 lleno de cerámica (por ejemplo, Rogers RO4835): La conductividad térmica de 0,6 W / m · K (2 veces mayor que el FR4 estándar) lo hace ideal para sistemas 70A + como inversores solares.
PCB de núcleo metálico (MCPCB): Combinan cobre pesado con un núcleo de aluminio/cobre para una conductividad térmica de 1 ‰ 5 W/m·K ‰ utilizado en controladores LED de alta potencia y módulos de carga de vehículos eléctricos.
b.Tipo de lámina de cobre:
Cobre electrolítico: rentable para espesores de 3 ̊7 oz; adecuado para la mayoría de las aplicaciones.
Cobre laminado: mayor ductilidad (resiste el agrietamiento) para los PCB de cobre de 10 oz + y de cobre pesado flexible (por ejemplo, cables de carga de EV plegables).
c. Máscara de soldadura: utilizar una máscara de soldadura a alta temperatura (Tg ≥ 150°C) como la PM-3300 de DuPont, que resiste el reflujo a 260°C y previene la oxidación del cobre.

Cuadro de comparación del material:

5. Diseño de las mejores prácticas para la fabricación
El cobre pesado (especialmente 7 oz +) es más difícil de grabar y laminar que el cobre estándar. Evite estos errores comunes de diseño:

a.Espacio entre rastros: Mantenga ≥ 2x la anchura de los rastros entre rastros de cobre pesado para evitar problemas de grabado. Para un rasto de 1,0 mm, 5 oz, use un espaciado de 2,0 mm.
b.Libreza de los bordes: mantener rastros de cobre pesado ≥ 1,5 mm de los bordes del PCB para evitar la delaminación durante la laminación.
c.Compensación de grabado: el cobre pesado graba más lentamente  añade 0,05 ∼0,1 mm a las anchuras de traza en su diseño para tener en cuenta la pérdida de grabado (por ejemplo, diseña una traza de 1,05 mm para una anchura final de 1,0 mm).
d. Colocación de los componentes: evitar colocar los componentes SMD (por ejemplo, las resistencias 0402) a 2 mm de las huellas de cobre pesado. El calor de las huellas puede dañar los componentes pequeños durante la soldadura.

Error de diseño frente a la tabla de soluciones:

Estrategias de diseño avanzadas para sistemas de corriente ultra alta (100A+)
Para sistemas como los inversores eléctricos (150A+) y los rectificadores industriales (200A+), el diseño básico de cobre pesado no es suficiente.

1Enrutamiento de rastreo paralelo.
En lugar de una sola huella ancha (por ejemplo, 3 mm 10 oz), use 2 ∼4 huellas paralelas (por ejemplo, dos huellas de 1.5 mm 10 oz) para:

a. Reducir la dificultad del grabado (las huellas anchas son propensas a la subcotización).
b. Mejorar la distribución de corriente (las trazas paralelas minimizan las variaciones de resistencia).
c. Permitir una colocación más sencilla de los componentes (las trazas más estrechas liberan espacio en el tablero).

Regla general: las huellas paralelas espaciales ≥ 1x su anchura para evitar el calentamiento mutuo ∼dos huellas de 1,5 mm de 10 oz espaciadas 1,5 mm llevan 160A (contra 80A para una huella de 1,5 mm).

2Integrar las barras de autobuses
Para corrientes de 200A +, integre barras de bus de cobre pesadas (15 oz + de cobre, de 2 ′′ 3 mm de espesor) en el PCB:

a.Las barras de los autobuses actúan como “autopistas eléctricas”, que transportan corriente a través del tablero sin restricciones de rastreo.
b. Se unen barras de bus al PCB a través de vías llenas de cobre (diámetro 0,8 mm, espaciadas 5 mm) para garantizar la estabilidad mecánica y eléctrica.

Ejemplo: Un motor industrial de 250A utiliza una barra de bus de cobre de 20 oz con 12 vías llenas, lo que reduce la pérdida de energía en un 25% en comparación con un diseño de solo rastros.

3. Materiales de interfaz térmica (TIM)
Para la transferencia de calor a disipadores de calor externos, emparejar PCB de cobre pesado con TIM:

a.Utilizar grasa térmica (conductividad térmica 3·6 W/m·K) entre el PCB y el disipador de calor para sistemas de 50·100 A.
b.Para los sistemas de 100A +, utilice almohadillas térmicas (por ejemplo, Bergquist Gap Pad) con conductividad de 812 W/m·K. Rellenan los huecos de aire y manejan una presión más alta.

Impacto: Un inversor EV de 100A con un TIM reduce la temperatura del PCB en 20 °C frente a ningún TIM, extendiendo la vida útil del inversor en 3x.

Trampas comunes en el diseño y cómo evitarlas
Incluso los diseñadores experimentados cometen errores con los PCB de cobre pesado.
1. Subestimando el aumento de la temperatura
Trampas: el uso de un rastro de 3 oz, 1.0 mm para 35A (que excede su calificación de 30A) conduce a un aumento de la temperatura de 30 °C y una traza de oxidación.
Corrección: Use un rastro de 5 oz, 1.0 mm (45A) o un rastro de 3 oz, 1.2 mm (35A) para mantener el aumento de temperatura <10 °C.

2Ignorando el estrés del ciclo térmico
Trampa: El cobre grueso (10 oz +) y el FR4 estándar tienen coeficientes de expansión térmica (CTE) no coincidentes, lo que causa trazas de grietas después de 500 ciclos térmicos.
Corrección: Utilice cobre laminado (más ductilidad) y FR4 de alta Tg (CTE más cercano al cobre) para soportar más de 1,000 ciclos.

3- Pobre por el alivio térmico.
Trampa: Conectar un plano de cobre de 5 onzas a un componente con una almohadilla sólida atrapa el calor, lo que lleva a la falla de la unión de soldadura.
Corrección: Utilice una almohadilla de relevo térmico con 4?? 6 ranuras (cada una de 0,2 mm de ancho) para equilibrar la transferencia de calor y la solderabilidad.

4- Con vistas a la solderabilidad
Trampa: 10 oz + rastros de cobre tienen una gran masa térmica, haciendo que la soldadura se enfríe demasiado rápido y forme juntas frías.
Corrección: precalentar el PCB a 120 °C durante la soldadura y utilizar soldadura de alta temperatura (por ejemplo, SAC305, punto de fusión 217 °C) con un perfil de reflujo más largo.

Aplicaciones reales de PCB de cobre pesado en sistemas de alta corriente
Los PCB de cobre pesado son transformadores en todas las industrias donde la alta corriente y la fiabilidad son críticas:
1Vehículos eléctricos (VE) y vehículos eléctricos híbridos
a.Inversores EV: Convierte la energía de la batería CC en CA para motores (150 ¢ 300A). Un inversor Tesla Model Y utiliza trazas de cobre de 5 oz y vías llenas de cobre, reduciendo la pérdida de energía en un 18% en comparación con un diseño de 3 oz.
b.Sistemas de gestión de baterías (BMS): monitorear y equilibrar las células de la batería (2050A). 3 oz de trazas de cobre en un Chevrolet Bolt BMS aseguran una distribución uniforme de corriente, extendiendo la vida de la batería en 2 años.
c.Módulos de carga: los sistemas de carga rápida (100 ‰ 200A) utilizan barras de bus de cobre de 7 oz y MCPCBs de aluminio para manejar altas corrientes y disipar el calor.

2Energía renovable
a.Inversores solares: Convierte la energía solar de CC en AC (50 ‰ 100A). 5 oz de PCB FR4 llenos de cerámica en un inversor solar de 10 kW reducen las temperaturas de los puntos calientes en 25 °C, mejorando la eficiencia en un 3%.
b. Controladores de turbinas eólicas: Gestionar el paso y la potencia de las turbinas (80-120A). Los PCB de cobre laminados de 10 oz soportan vibraciones (20G) y cambios de temperatura (-40°C a 85°C), reduciendo los costos de mantenimiento en $20,000 por turbina al año.

3. Maquinaria industrial
a.Motores: Control de la velocidad del motor de CA (3080A). Un motor Siemens Sinamics V20 utiliza 5 oz de planos de cobre y vías térmicas, reduciendo el tamaño del motor en un 30% en comparación con un diseño estándar de PCB.
b.Equipo de soldadura: Entrega de arcos de alta corriente (150 ¢ 200A). Barras de bus de cobre de 15 oz en un mango de máquina de soldadura Lincoln Electric 200A sin sobrecalentamiento, asegurando una calidad de soldadura constante.

4. Dispositivos médicos
a.Desfibriladores portátiles: Proporcionan descargas de 300A (a corto plazo). PCB de cobre pesado con rastros de 10 oz y vías llenas de cobre aseguran una entrega de energía confiable, crítica para el uso de emergencia.
b. Máquinas de diálisis: bombas de energía y calentadores (20 ̊40A). 3 oz de PCB FR4 de alta Tg resisten los productos químicos de esterilización y mantienen la estabilidad, cumpliendo con los estándares ISO 13485.

Preguntas frecuentes sobre el diseño de PCB de cobre pesado para alta corriente
P: ¿Cuál es el grosor máximo de cobre que puedo utilizar para un PCB de cobre pesado?
R: Los fabricantes comerciales admiten hasta 20 oz (700 μm) de cobre, aunque 10 oz es el límite práctico para la mayoría de los diseños (15 oz + requiere equipo de grabado especializado).Diseños militares / aeroespaciales personalizados pueden alcanzar 30 oz (1050 μm) para necesidades de alta corriente extrema.

P: ¿Pueden los PCB de cobre pesado soportar señales de alta velocidad (por ejemplo, 5G)?
R: Sí, con un diseño cuidadoso. Utilice 3 ̊5 oz de cobre para las vías de alimentación y 1 oz de cobre para las pistas de alta velocidad (para mantener la impedancia controlada).1 mm para señales de 1 Gbps+.

P: ¿Cómo puedo probar un PCB de cobre pesado para el rendimiento de alta corriente?
R: Realice las siguientes pruebas:

Ciclo de corriente: Aplicar el 120% de la corriente nominal durante 1.000 ciclos (-40°C a 125°C) para comprobar si hay trazas de grietas.
Imagen térmica: utilizar una cámara infrarroja para mapear los puntos calientes. Las temperaturas deben mantenerse < 125 °C para 85 °C ambiente.
Medición de la resistencia: rastrear la resistencia en el tiempo; un aumento de más del 10% indica oxidación o daño.

P: ¿Qué software de diseño es el mejor para PCB de cobre pesado?
R: Altium Designer y Cadence Allegro tienen herramientas incorporadas para cobre pesado:

Altium: “Heavy Copper” verificador de reglas de diseño (DRC) y calculadora de calificación actual.
Cadencia: módulos de análisis térmico para simular la distribución del calor.

P: ¿Cuánto cuesta un PCB de cobre pesado en comparación con un PCB estándar?
R: 3 oz de cobre cuesta 2 veces más que 1 oz; 10 oz de cobre cuesta 4 ′′ 5 ′′ más. La prima se compensa por la reducción de los costos del disipador de calor (30 ′′ 50% de ahorro) y una mayor vida útil de los componentes.

Conclusión
El diseño de PCB de cobre pesado para aplicaciones de alta corriente es un acto de equilibrio entre la capacidad actual y la fabricabilidad, la gestión térmica y el costo, la durabilidad y la integridad de la señal.Siguiendo las normas IPC, seleccionando los materiales adecuados, y priorizando el alivio térmico y mediante el diseño, se pueden crear placas que manejan corrientes de 30A a 200A de forma confiable.

Los PCB de cobre pesado no son sólo una "actualización" de los PCB estándar, son una necesidad para la próxima generación de electrónica de alta potencia, desde vehículos eléctricos hasta sistemas de energía renovable.la demanda de inteligenciaEn la actualidad, el diseño eficiente de cobre pesado sólo aumentará, convirtiéndolo en una habilidad crítica para los ingenieros y fabricantes.

La clave para el éxito: no se debe hacer una ingeniería excesiva (por ejemplo, usar 10 oz de cobre para un diseño de 20 A) o una ingeniería insuficiente (por ejemplo, 3 oz para un diseño de 40 A).,Con estos pasos, construirás PCBs que funcionan bajo presión literalmente.