Panduan Ahli 2024: Merancang PCB Tembaga Berat untuk Aplikasi Arus Tinggi Tips, Manajemen Termal & Praktik Terbaik

Di era kendaraan listrik, sistem energi terbarukan, dan otomatisasi industri,papan sirkuit permintaan elektronik bertenaga tinggi yang dapat menangani arus ekstrim tanpa overheating atau gagalPCB tembaga berat yang didefinisikan oleh lapisan tembaga 3oz (105μm) atau lebih tebal adalah solusi.Menghambat panas secara efisien (konduktivitas panas tembaga): 401 W/mK), dan menahan tekanan mekanik. Pasar PCB tembaga berat global diproyeksikan akan tumbuh pada CAGR 8,3% sampai 2030, didorong oleh permintaan dari powertrains EV, inverter surya,dan peralatan militer.

Panduan komprehensif ini memecah prinsip-prinsip desain penting, strategi manajemen termal, dan teknik canggih untuk PCB tembaga berat.dan praktik terbaik industri , ini membekali insinyur dan desainer untuk menciptakan papan yang dapat diandalkan dan berkinerja tinggi untuk aplikasi arus tinggi.

Hal-Hal Utama
1Ketebalan tembaga sangat penting: 3oz tembaga (105μm) membawa 2x lebih banyak arus daripada 1oz (35μm) dan mengurangi kenaikan panas sebesar 40% untuk lebar jejak yang sama.
2Luas jejak mengikuti standar IPC: Gunakan rumus IPC-2221 (atau kalkulator online) untuk ukuran jejak ¢ misalnya, jejak tembaga 2 oz membutuhkan lebar 20 mil untuk 5A (aturan 500 mil / ampere melingkar).
3.Manajemen termal tidak dapat dinegosiasikan: Gabungkan vias termal (diameter 0,2 × 0,4 mm), bahan konduktivitas termal tinggi (MCPCB), dan sumur panas untuk menjaga suhu < 125 °C.
4Masalah manufaktur: Hindari tembaga yang terlalu tebal (≥10 oz) tanpa input pemasok. ini dapat menyebabkan masalah laminasi. Bermitra dengan produsen yang disertifikasi IPC 610 Kelas 3 untuk presisi.
5.Teknik canggih meningkatkan kinerja: Busbar tembaga mengurangi induktansi sebesar 30%, sementara desain multi-lapisan mendistribusikan arus secara merata di 4 ∼12 lapisan.

Memahami PCB Tembaga Berat

Apa Itu PCB Tembaga Berat?
Sebuah PCB tembaga berat didefinisikan oleh lapisan tembaga tebalnya ¥3oz (105μm) atau lebih ¥dibandingkan dengan PCB standar (1oz/35μm atau 2oz/70μm).
a. Mengangkut arus tinggi (50A500A) tanpa panas yang berlebihan.
b.Menghancurkan panas 3×5x lebih cepat daripada PCB standar.
c.Mampu menahan tekanan mekanik (misalnya, getaran di EV) dan siklus termal.

Kriteria Definisi Inti

Keuntungan Utama PCB Tembaga Berat
PCB tembaga berat lebih baik daripada PCB standar dalam skenario daya tinggi, menawarkan empat manfaat penting:

Aplikasi Kritis untuk PCB Tembaga Berat
PCB tembaga berat sangat diperlukan dalam industri di mana keandalan di bawah arus tinggi tidak dapat dinegosiasikan:

Contoh: BMS Model 3 Tesla menggunakan PCB tembaga berat 6 oz untuk menangani arus 400V +, mengurangi kegagalan yang terkait dengan panas sebesar 70% dibandingkan dengan model sebelumnya dengan PCB standar.

Pertimbangan Desain Penting untuk PCB Tembaga Berat
Mendesain PCB tembaga berat membutuhkan keseimbangan kapasitas arus, manajemen termal, dan kemampuan manufaktur.
1Memilih Ketebalan Tembaga yang Tepat
Ketebalan tembaga secara langsung mempengaruhi kapasitas arus, disipasi panas, dan kompleksitas manufaktur.

Ketebalan Tembaga vs Kinerja

Faktor-Faktor Utama yang Perlu Dipertimbangkan Saat Mengukur Tembaga
a. Persyaratan saat ini: Gunakan 500 mil sirkular per ampere aturan (1 mil sirkular = 0,001mil2) untuk perkiraan cepat misalnya, 5A membutuhkan 2.500 mil sirkular (20mil lebar × 70μm / 2oz ketebalan).
b. Batas Peningkatan Panas: Standar industri mengizinkan kenaikan panas 30-40 °C; aplikasi kritis (misalnya, medis) membutuhkan <20 °C. Tembaga yang lebih tebal mengurangi kenaikan panas secara eksponensial.
c.Manufaktur: Tembaga ≥10oz membutuhkan plating khusus (misalnya, galvanis galvanis) dan laminasi
d.Biaya: Setiap ons tembaga menambah ~15~20% untuk biaya PCB menghindari over-spesifikasi (misalnya, 6oz untuk aplikasi 10A) untuk menghemat uang.

Tips alat: Gunakan ANSYS atau SolidWorks PCB untuk mensimulasikan aliran arus dan kenaikan panas. alat ini mengoptimalkan ketebalan tembaga untuk kebutuhan Anda yang tepat.

2. Menghitung lebar jejak untuk arus tinggi
Lebar jejak adalah parameter desain yang paling penting untuk PCB tembaga berat ≈ terlalu sempit, dan papan terlalu panas; terlalu lebar, dan itu membuang-buang ruang.

IPC-2221 Rumus lebar jejak
I=k×(ΔT 0.44)) ×W 1.0×t 0.725
Di mana:
I: Arus dalam ampere (A)
ΔT: Peningkatan suhu yang diizinkan (°C)
W: lebar jejak dalam mil (1mil = 0,0254mm)
t: Ketebalan tembaga dalam oz/ft2
k: Konstan (bervariasi menurut ketebalan tembaga: 0,048 untuk 1oz, 0,064 untuk 2oz, 0,078 untuk 3oz)

Contoh Perhitungan

Tips Desain Jejak Kritis
a.Jalan luar vs. Jalan dalam: Jalan luar mendingin 30% lebih cepat daripada jejak dalam (terpapar udara) √ ukuran jejak dalam 10~15% lebih luas untuk arus yang sama.
b. Bentuk jejak: Hindari sudut tajam (> 90 °) dan gunakan sudut bulat untuk mengurangi kerumunan arus (membuat titik panas).
c. jejak paralel: Untuk arus > 100A, gunakan 2 ′ 4 jejak paralel (berjarak ≥ 3x lebar jejak) untuk mendistribusikan arus secara merata.

3Mengelola Ekspansi Termal dan Tekanan
PCB tembaga berat rentan terhadap stres termal karena koefisien ekspansi termal (CTE) yang tidak cocok antara tembaga (17ppm/°C) dan FR4 (13ppm/°C).atau penyimpangan papan, terutama selama siklus termal (-40°C sampai +125°C).

Strategi Mengurangi Stres Panas

Data Point: PCB tembaga berat dengan vias termal dan FR4 TG tinggi memiliki tingkat kegagalan 60% lebih rendah selama siklus termal daripada desain standar.

4. Memastikan Manufacturability
PCB tembaga berat lebih rumit untuk diproduksi daripada papan standar. Ikuti pedoman ini untuk menghindari keterlambatan dan cacat:
a. Hindari Tembaga Terlalu Tepak: Tembaga ≥10oz membutuhkan laminasi khusus (pencetakan vakum + suhu tinggi) dan dapat memperpanjang waktu lead dengan 2 ∼ 3 minggu.
b.Minimal Trace Spacing: Gunakan spacing ≥10mil untuk 3oz tembaga (versus 6mil untuk 1oz) untuk mencegah sirkuit pendek selama etching.
c. Kontrol Laminasi: Bekerja dengan pemasok menggunakan galvanisasi gantry atau tenggelam tembaga horizontal untuk memastikan ketebalan tembaga yang seragam.
d.Desain untuk Pengujian: Tambahkan titik pengujian di sepanjang jalur arus tinggi untuk memverifikasi kontinuitas dan aliran arus tanpa merusak papan.

Praktik Terbaik untuk Pengelolaan Termal di PCB Tembaga Berat
Panas adalah musuh terbesar dari PCB arus tinggi. suhu yang tidak terkendali mengurangi umur komponen dan menyebabkan kegagalan mendadak.

1. Thermal Vias: Dasar Penyebaran Panas
Via termal adalah lubang kecil (0,2 ∼ 0,4 mm) dilapisi tembaga yang mentransfer panas dari lapisan atas ke lapisan bawah (atau bidang tanah)..

Pedoman Desain Termal Via

Perbandingan Kinerja Termal Via

2. Bahan Konduktivitas Termal Tinggi
Substrat PCB memainkan peran penting dalam disipasi panas dari FR4 standar ke bahan-bahan ini untuk aplikasi arus tinggi:

Contoh: MCPCB tembaga dengan tembaga 4 oz mengurangi kenaikan panas sebesar 45% dibandingkan dengan PCB FR4 standar untuk aplikasi 50A yang sama.

3. Penempatan Komponen Strategis
Tata letak komponen secara langsung memengaruhi kinerja termal. Hindari kesalahan umum seperti mengelompokkan komponen panas:
a.Spread High-Power Parts: Space MOSFETs, IGBTs, dan transformer ≥ 5mm terpisah untuk mencegah penumpukan panas.
b.Komponen Sensitif Terpisah: Simpan IC kontrol (misalnya, mikrokontroler) ≥ 10 mm dari jejak arus tinggi untuk menghindari kerusakan termal.
c. Selaraskan dengan Jalur Pendingin: Letakkan komponen panas di atas vias termal atau inti logam untuk memaksimalkan transfer panas.
d. Menghindari persimpangan jejak: Menyambangi jejak arus tinggi pada 90 ° (bukan sejajar) untuk mengurangi pemanasan bersama.

4. Pencuci panas dan bantalan termal
Untuk arus > 100A atau komponen dengan disipasi daya > 5W, tambahkan pendinginan eksternal:
a. Heat Sinks: Pasang sink panas aluminium atau tembaga ke komponen panas menggunakan pasta termal (konduktivitas termal: 1 ¢ 4 W/mK).
Tj=T a + ((R ja ×P)
Di mana Tj = suhu persimpangan, T a = suhu lingkungan, R ja = resistensi termal (°C/W), P = disipasi daya (W).
b.Thermal Pads: Gunakan silicone atau graphite pad termal (konduktivitas termal: 1 ‰ 10 W / mK) untuk mengisi celah antara komponen dan heat sinks ‰ ideal untuk permukaan yang tidak teratur.
c.Penyejukan Udara Dipaksa: Tambahkan kipas untuk peralatan industri yang beroperasi pada suhu lingkungan yang tinggi (> 40 °C).

Kiat: Sebuah sink panas aluminium 20mm × 20mm × 10mm mengurangi suhu simpang komponen 10W sebesar 40°C.

Teknik Lanjutan untuk Aplikasi Arus Tinggi
Untuk arus ekstrim (100A+) atau desain yang kompleks, gunakan metode canggih ini untuk meningkatkan kinerja dan keandalan.

1. Busbar tembaga untuk aliran arus induktansi rendah
Busbar tembaga adalah strip tembaga tebal dan datar (lebar 3 ′′ 10 mm, tebal 1 ′′ 3 mm) yang terintegrasi ke dalam PCB untuk membawa arus ultra-tinggi.
a.Induktansi rendah: Mengurangi lonjakan tegangan dan EMI sebesar 30% dibandingkan dengan jejak standar yang penting untuk inverter EV.
Kapasitas arus tinggi: Sebuah busbar tembaga 10 mm × 2 mm membawa 200A dengan kenaikan panas 40 °C.
c.Pengumpulan yang disederhanakan: Ganti beberapa jejak paralel dengan satu busbar, mengurangi titik pengelasan dan risiko kegagalan.

Tips Desain Busbar Tembaga
a. Ketebalan: Gunakan ketebalan ≥1mm untuk arus > 100A untuk meminimalkan resistensi.
b.Pemasangan: Amankan busbar dengan isolasi standoff untuk menghindari sirkuit pendek.
c. Plating: Plat dengan timah atau nikel untuk mencegah oksidasi dan meningkatkan soldering.

2. Blok terminal untuk koneksi aman
Blok terminal menyediakan koneksi yang aman dan dapat diandalkan untuk kabel arus tinggi (misalnya, 10AWG4AWG).
a.Rating arus: Pilih blok dengan nilai 1,5x arus maksimum (misalnya, blok 75A untuk aplikasi 50A).
b.Gauge kawat: Cocokkan ukuran blok dengan ketebalan kawat (misalnya, kawat 6AWG membutuhkan blok terminal dengan kapasitas 16mm2).
c.Pemasangan: Gunakan terminal sekrup atau spring-clamp untuk ketahanan getaran (kritis untuk EV dan peralatan industri).

3. Multi-layer Heavy Copper PCB
Desain multi-lapisan (4?? 12 lapisan) mendistribusikan arus melalui beberapa lapisan tembaga, mengurangi lebar jejak dan kenaikan panas.
a.Lapisan daya dan tanah: Gunakan 2 ∼4 lapisan sebagai bidang daya / tanah khusus untuk menyebarkan arus secara merata.
b.Layer Stacking: Letakkan lapisan tembaga secara simetris (misalnya, daya → sinyal → tanah → sinyal → daya) untuk mengurangi penyimpangan.
c. Via Stitching: Sambungkan pesawat daya / tanah dengan vias (0.3mm, 50mil pitch) untuk meningkatkan distribusi arus dan mengurangi induktansi.

Contoh: PCB tembaga berat 6 lapis dengan 4oz pesawat daya membawa 150A dengan kenaikan panas 30 ° C something sesuatu papan 2 lapis hanya bisa mencapai dengan jejak yang tidak praktis lebar (100mil +).

Mengapa Bermitra Dengan Produsen PCB Tembaga Berat yang Spesialisasi
Mendesain PCB tembaga berat hanya setengah dari pertempuran, presisi manufaktur sangat penting.
a.Sertifikasi IPC: IPC 610 Kelas 3 (kualitas tertinggi) dan kepatuhan IPC 2221 untuk ukuran jejak.
b. Peralatan khusus: Gantry galvanis, laminasi vakum, dan pengeboran laser untuk vias kecil.
c. Keterampilan materi: Pengalaman dengan MCPCB, substrat tembaga, dan tembaga tebal (hingga 20 oz).
Kemampuan pengujian: Pencitraan termal, pengujian aliran arus, dan siklus termal untuk memvalidasi kinerja.
e.Kustomisasi: Kemampuan untuk menyesuaikan ketebalan tembaga, topeng solder, dan finishing (ENIG, HASL) sesuai dengan aplikasi Anda.

Studi Kasus: Sebuah perusahaan energi terbarukan bermitra dengan produsen IPC 610 Kelas 3 untuk memproduksi PCB tembaga berat 6 oz untuk inverter surya.Papan-papan ini mengurangi kegagalan yang terkait dengan panas sebesar 80% dan meningkatkan efisiensi inverter sebesar 3%.

FAQ: Pertanyaan Umum Tentang PCB Tembaga Berat
1. Apa ketebalan tembaga maksimum untuk PCB tembaga berat?
Sebagian besar produsen menawarkan hingga 20oz (700μm) tembaga untuk aplikasi ekstrim (misalnya, radar militer, peralatan las).Tembaga yang lebih tebal (> 20oz) dimungkinkan tetapi membutuhkan alat khusus dan waktu pengiriman yang lebih lama.

2Dapatkah PCB tembaga berat digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi?
Ya, tembaga tebal mengurangi impedansi (kritis untuk sinyal frekuensi tinggi) tetapi membutuhkan desain jejak yang cermat untuk menghindari hilangnya sinyal.Polar Instruments) untuk mengoptimalkan lebar jejak dan jarak untuk impedansi 50Ω/75Ω.

3Bagaimana saya menyeimbangkan biaya dan kinerja untuk PCB tembaga berat?
a. Gunakan ketebalan tembaga minimum yang dibutuhkan untuk kebutuhan Anda saat ini (misalnya, 3oz alih-alih 6oz untuk 30A).
b. Batasi desain multi-lapisan menjadi 4 ∼ 6 lapisan kecuali > 100A diperlukan.
c. Pilih FR4 atau aluminium MCPCB alih-alih MCPCB tembaga untuk proyek yang sensitif terhadap biaya.

4. Apakah kegagalan umum di PCB tembaga berat?
a.Delaminasi: disebabkan oleh laminasi yang buruk (tekanan/suhu yang tidak cukup) atau ketebalan tembaga yang berlebihan.
b. Pad Lifting: Karena tekanan termal dari ketidakcocokan CTE yang diselesaikan dengan bantalan air mata dan saluran termal.
c. Kesalahan Etching: Undercut atau over-etching dari tembaga tebal menggunakan produsen dengan proses etching terkontrol.

Kesimpulan: Heavy Copper PCB

Karena elektronik menuntut arus yang lebih tinggi dan keandalan yang lebih besar – dari EV ke sistem energi terbarukan – PCB tembaga berat telah menjadi sangat penting.menghilangkan panas secara efisien, dan tahan kondisi yang keras membuat mereka pilihan utama untuk aplikasi daya tinggi.
Kunci desain PCB tembaga berat yang sukses terletak pada:
a. Ketebalan tembaga yang tepat untuk menyeimbangkan kapasitas dan biaya saat ini.
Perhitungan lebar jejak yang tepat menggunakan standar IPC untuk menghindari overheating.
c.Manajemen termal yang komprehensif (via termal, bahan termal tinggi, sumur panas).
d.Manufakturasi bermitra dengan pemasok yang disertifikasi IPC untuk menghindari cacat.

Di masa depan, PCB tembaga berat akan memainkan peran yang lebih besar dalam transisi ke energi bersih dan mobilitas listrik.paduan tembaga konduktivitas tinggi dan sistem pendinginan terintegrasi akan lebih meningkatkan kinerja sambil mengurangi ukuran dan biaya.

Bagi insinyur dan desainer, menguasai desain PCB tembaga berat bukan lagi pilihan, melainkan suatu kebutuhan untuk tetap kompetitif di pasar elektronik bertenaga tinggi.Dengan mengikuti prinsip-prinsip yang diuraikan dalam buku panduan ini, Anda dapat membuat papan yang dapat diandalkan, efisien, dan dibangun untuk menangani tuntutan teknologi masa depan.