Merancang PCB Tembaga Berat untuk Aplikasi Arus Tinggi: Panduan Komprehensif

Citra yang diotorisasi pelanggan

Dalam elektronik berdaya tinggi—dari inverter kendaraan listrik (EV) hingga penggerak motor industri—PCB tembaga standar 1oz tidak memadai. Sistem ini membutuhkan PCB yang dapat menangani arus 30A hingga 200A tanpa kepanasan berlebih, tahan terhadap siklus termal, dan menjaga integritas sinyal. Masuklah PCB tembaga berat: didefinisikan oleh jejak dan bidang tembaga 3oz (105μm) atau lebih tebal, mereka dirancang untuk memecahkan tantangan unik dari desain arus tinggi.

Mendesain PCB tembaga berat bukan hanya tentang “menggunakan tembaga yang lebih tebal”—itu membutuhkan pertimbangan yang cermat terhadap geometri jejak, kompatibilitas material, manajemen termal, dan kemampuan manufaktur. Panduan ini menguraikan prinsip-prinsip penting dari desain PCB tembaga berat untuk aplikasi arus tinggi, mulai dari pemilihan material hingga praktik terbaik tata letak, dan menjelaskan cara menghindari jebakan umum. Apakah Anda mendesain sistem manajemen baterai (BMS) EV 50A atau catu daya industri 150A, sumber daya ini akan membantu Anda membuat papan yang andal dan berkinerja tinggi.

Poin Penting
1.Jejak tembaga berat (3oz+) menangani arus 2–5x lebih banyak daripada tembaga standar 1oz: jejak 3oz (105μm) membawa 30A, sedangkan jejak 10oz (350μm) mendukung 80A dalam lebar yang sama.

2.Faktor desain penting meliputi lebar/ketebalan jejak (ikuti standar IPC-2221), pola pelepas termal (mengurangi hotspot hingga 40%), dan pengisian via (via tembaga padat membawa arus 3x lebih banyak daripada via berlapis).

3.Substrat High-Tg (≥170°C) dan laminasi berisi keramik tidak dapat dinegosiasikan untuk desain arus tinggi, karena tahan terhadap suhu operasi 150°C+.

4.Dibandingkan dengan PCB standar, desain tembaga berat mengurangi resistansi termal hingga 60% dan memperpanjang umur komponen hingga 2–3x dalam sistem berdaya tinggi.

Apa yang Membuat PCB Tembaga Berat Ideal untuk Aplikasi Arus Tinggi?
Sirkuit arus tinggi menghasilkan panas yang signifikan (sesuai Hukum Joule: P = I²R), dan PCB standar berjuang untuk menghilangkan energi ini. PCB tembaga berat mengatasi hal ini dengan tiga keunggulan utama:

  a.Resistansi Listrik Lebih Rendah: Tembaga yang lebih tebal mengurangi resistansi (R = ρL/A, di mana A = luas penampang), meminimalkan kehilangan daya dan pembangkitan panas. Jejak tembaga 3oz memiliki resistansi 66% lebih rendah daripada jejak 1oz dengan lebar yang sama.
  b.Konduktivitas Termal Unggul: Konduktivitas termal tembaga (401 W/m·K) 1.300x lebih tinggi daripada FR4 (0,3 W/m·K). Bidang tembaga tebal bertindak sebagai heat sink bawaan, menyebarkan panas dari komponen seperti IGBT dan MOSFET.
  c.Daya Tahan Mekanik yang Ditingkatkan: Tembaga tebal (terutama 5oz+) tahan terhadap kelelahan dari siklus termal (-40°C hingga 125°C) dan getaran, mengurangi retakan jejak—titik kegagalan umum pada PCB standar.

Ketebalan Tembaga Berat vs. Kapasitas Pembawa Arus
Hubungan antara ketebalan tembaga dan arus tidak linier—lebar jejak, suhu sekitar, dan aliran udara juga berperan. Di bawah ini adalah referensi praktis untuk desain arus tinggi (berdasarkan IPC-2221 dan pengujian industri, dengan asumsi suhu sekitar 25°C dan panjang jejak 10cm):

Catatan: Untuk arus >100A, gunakan jejak paralel (misalnya, dua jejak 10oz, 1.5mm untuk 200A) untuk menghindari lebar jejak yang berlebihan dan tantangan manufaktur.

Prinsip Desain Kritis untuk PCB Tembaga Berat
Mendesain PCB tembaga berat untuk arus tinggi membutuhkan penyeimbangan kinerja listrik, manajemen termal, dan kemampuan manufaktur. Ikuti prinsip-prinsip inti ini untuk mengoptimalkan desain Anda:

1. Hitung Lebar dan Ketebalan Jejak untuk Arus Target
Dasar dari desain arus tinggi adalah mengukur jejak untuk menangani arus yang diharapkan tanpa kepanasan berlebih. Gunakan panduan ini:

 a.Ikuti Standar IPC-2221: Spesifikasi IPC-2221 menyediakan rumus untuk lebar jejak berdasarkan arus, kenaikan suhu, dan ketebalan tembaga. Untuk kenaikan suhu 10°C (umum dalam desain keandalan tinggi):
    Tembaga 3oz: lebar 0,8mm = 25A
    Tembaga 5oz: lebar 0,8mm = 38A
 b.Perhitungkan Suhu Sekitar: Di lingkungan yang panas (misalnya, ruang mesin EV, 85°C), turunkan arus sebesar 30–40% (lihat tabel di atas).
 c.Hindari Ukuran Berlebihan: Meskipun tembaga yang lebih tebal lebih baik untuk arus, tembaga 15oz+ menjadi sulit untuk diukir dan dilaminasi—gunakan maksimal 10oz untuk sebagian besar aplikasi komersial.

Rekomendasi Alat: Gunakan kalkulator online seperti Kalkulator Lebar Jejak PCB (dari Sierra Circuits) atau alat peringkat arus bawaan Altium untuk memvalidasi ukuran.

2. Prioritaskan Manajemen Termal
Bahkan dengan tembaga tebal, komponen arus tinggi (misalnya, IGBT, resistor daya) menciptakan hotspot. Kurangi hal ini dengan strategi berikut:

  a.Bantalan Pelepas Termal: Hubungkan komponen daya ke bidang tembaga berat menggunakan pola pelepas termal—bantalan berlubang yang menyeimbangkan transfer panas dan kemampuan solder. Bantalan pelepas termal 5mm×5mm untuk komponen TO-220 mengurangi suhu hotspot hingga 40% vs. bantalan padat.
  b.Bidang Tembaga untuk Penyebaran Panas: Gunakan bidang tembaga 3–5oz (bukan hanya jejak) di bawah komponen daya. Bidang tembaga 5oz menyebarkan panas 2x lebih cepat daripada bidang 3oz.
  c.Via Termal: Tambahkan via termal berisi tembaga (diameter 0,3–0,5mm) di sekitar komponen panas untuk mentransfer panas ke bidang dalam/luar. Jarak via 1–2mm untuk efisiensi maksimum—10 via termal mengurangi suhu komponen hingga 15–20°C.
  d.Hindari Penyempitan Jejak: Mempersempit jejak 10oz, 1.5mm menjadi 0,8mm untuk konektor menciptakan kemacetan, meningkatkan suhu sebesar 25°C. Gunakan lancip bertahap (rasio 1:3) jika perubahan lebar diperlukan.

Studi Kasus: Catu daya industri 50A menggunakan bidang tembaga 5oz dan 12 via termal mengurangi suhu sambungan IGBT dari 120°C menjadi 85°C, memperpanjang umur komponen dari 3 tahun menjadi 7 tahun.

3. Optimalkan Desain Via untuk Arus Tinggi
Via sering diabaikan dalam desain arus tinggi, tetapi mereka sangat penting untuk menghubungkan lapisan dan membawa arus:

  a.Gunakan Via Berisi Tembaga: Via berlapis standar (tembaga 25μm) membawa 10–15A; via berisi tembaga (inti tembaga padat) menangani 30–50A, tergantung pada diameternya. Via berisi 0,5mm membawa 35A—ideal untuk interkoneksi EV BMS.
  b.Tingkatkan Diameter Via: Untuk arus >50A, gunakan beberapa via (misalnya, empat via berisi 0,5mm untuk 120A) atau via yang lebih besar (diameter 0,8mm = 50A per via berisi).
  c.Hindari Stub Via: Stub via yang tidak digunakan (umum pada via melalui lubang) menciptakan ketidakcocokan impedansi dan panas. Bor balik stub atau gunakan via buta/terkubur untuk jalur arus tinggi.

4. Pilih Material yang Kompatibel
PCB tembaga berat membutuhkan material yang tahan terhadap panas tinggi dan tekanan mekanis:

a.Substrat (Material Inti):
   High-Tg FR4 (Tg ≥170°C): Standar untuk sebagian besar desain arus tinggi (misalnya, EV BMS). Tahan operasi kontinu 150°C dan reflow bebas timah (260°C).
   FR4 Berisi Keramik (misalnya, Rogers RO4835): Konduktivitas termal 0,6 W/m·K (2x lebih tinggi dari FR4 standar) membuatnya ideal untuk sistem 70A+ seperti inverter surya.
   PCB Inti Logam (MCPCB): Gabungkan tembaga berat dengan inti aluminium/tembaga untuk konduktivitas termal 1–5 W/m·K—digunakan dalam driver LED berdaya tinggi dan modul pengisian daya EV.
b.Jenis Foil Tembaga:
   Tembaga Elektrolitik: Hemat biaya untuk ketebalan 3–7oz; cocok untuk sebagian besar aplikasi.
   Tembaga Gulung: Daktilitas lebih tinggi (tahan retak) untuk tembaga 10oz+ dan PCB tembaga berat fleksibel (misalnya, kabel pengisian daya EV yang dapat dilipat).
c.Masker Solder: Gunakan masker solder suhu tinggi (Tg ≥150°C) seperti DuPont PM-3300, yang tahan terhadap reflow 260°C dan mencegah oksidasi tembaga.

Tabel Perbandingan Material:

5. Praktik Terbaik Tata Letak untuk Kemampuan Manufaktur
Tembaga berat (terutama 7oz+) lebih sulit untuk diukir dan dilaminasi daripada tembaga standar. Hindari kesalahan tata letak umum ini:

 a.Jarak Jejak: Pertahankan ≥2x lebar jejak antara jejak tembaga berat untuk mencegah masalah etsa. Untuk jejak 1.0mm, 5oz, gunakan jarak 2.0mm.
 b.Jarak Tepi: Jaga jejak tembaga berat ≥1.5mm dari tepi PCB untuk menghindari delaminasi selama laminasi.
 c.Kompensasi Etsa: Tembaga berat mengukir lebih lambat—tambahkan 0.05–0.1mm ke lebar jejak dalam desain Anda untuk memperhitungkan kehilangan etsa (misalnya, desain jejak 1.05mm untuk lebar akhir 1.0mm).
 d.Penempatan Komponen: Hindari menempatkan komponen SMD (misalnya, resistor 0402) dalam jarak 2mm dari jejak tembaga berat—panas dari jejak dapat merusak komponen kecil selama penyolderan.

Tabel Kesalahan Tata Letak vs. Solusi:

Strategi Desain Lanjutan untuk Sistem Arus Sangat Tinggi (100A+)
Untuk sistem seperti inverter EV (150A+) dan penyearah industri (200A+), desain tembaga berat dasar tidak cukup. Gunakan teknik lanjutan ini:

1. Perutean Jejak Paralel
Alih-alih jejak lebar tunggal (misalnya, 3mm 10oz), gunakan 2–4 jejak paralel (misalnya, dua jejak 1.5mm 10oz) untuk:

  a.Mengurangi kesulitan etsa (jejak lebar rentan terhadap pemotongan bawah).
  b.Meningkatkan distribusi arus (jejak paralel meminimalkan variasi resistansi).
  c.Memungkinkan penempatan komponen yang lebih mudah (jejak yang lebih sempit membebaskan ruang papan).

Aturan Praktis: Jarak jejak paralel ≥1x lebarnya untuk menghindari pemanasan bersama—dua jejak 1.5mm 10oz yang berjarak 1.5mm membawa 160A (vs. 80A untuk satu jejak 1.5mm).

2. Integrasi Batang Bus
Untuk arus 200A+, integrasikan batang bus tembaga berat (tembaga 15oz+, tebal 2–3mm) ke dalam PCB:

  a.Batang bus bertindak sebagai “jalan raya daya,” membawa arus melintasi papan tanpa batasan jejak.
  b.Pasang batang bus ke PCB melalui via berisi tembaga (diameter 0,8mm, berjarak 5mm) untuk stabilitas mekanis dan listrik.

Contoh: Penggerak motor industri 250A menggunakan batang bus tembaga 20oz dengan 12 via berisi, mengurangi kehilangan daya sebesar 25% vs. desain hanya jejak.

3. Material Antarmuka Termal (TIM)
Pasangkan PCB tembaga berat dengan TIM untuk mentransfer panas ke heat sink eksternal:

  a.Gunakan gemuk termal (konduktivitas termal 3–6 W/m·K) antara PCB dan heat sink untuk sistem 50–100A.
  b.Untuk sistem 100A+, gunakan bantalan termal (misalnya, Bergquist Gap Pad) dengan konduktivitas 8–12 W/m·K—mereka mengisi celah udara dan menangani tekanan yang lebih tinggi.

Dampak: Inverter EV 100A dengan TIM mengurangi suhu PCB sebesar 20°C vs. tanpa TIM, memperpanjang umur inverter hingga 3x.

Jebakan Desain Umum dan Cara Menghindarinya
Bahkan desainer berpengalaman pun membuat kesalahan dengan PCB tembaga berat. Inilah cara untuk menangkap dan memperbaikinya:
1. Meremehkan Kenaikan Suhu
Jebakan: Menggunakan jejak 3oz, 1.0mm untuk 35A (melebihi peringkat 30A) menyebabkan kenaikan suhu 30°C dan oksidasi jejak.
Perbaiki: Gunakan jejak 5oz, 1.0mm (peringkat 45A) atau jejak 3oz, 1.2mm (peringkat 35A) untuk menjaga kenaikan suhu <10°C.

2. Mengabaikan Tegangan Siklus Termal
Jebakan: Tembaga tebal (10oz+) dan FR4 standar memiliki koefisien ekspansi termal (CTE) yang tidak cocok, menyebabkan retakan jejak setelah 500 siklus termal.
Perbaiki: Gunakan tembaga gulung (daktilitas lebih tinggi) dan high-Tg FR4 (CTE lebih dekat ke tembaga) untuk menahan 1.000+ siklus.

3. Pelepas Termal Via yang Buruk
Jebakan: Menghubungkan bidang tembaga 5oz ke komponen dengan bantalan padat menjebak panas, yang menyebabkan kegagalan sambungan solder.
Perbaiki: Gunakan bantalan pelepas termal dengan 4–6 slot (masing-masing lebar 0,2mm) untuk menyeimbangkan transfer panas dan kemampuan solder.

4. Mengabaikan Kemampuan Solder
Jebakan: Jejak tembaga 10oz+ memiliki massa termal yang besar, menyebabkan solder mendingin terlalu cepat dan membentuk sambungan dingin.
Perbaiki: Panaskan PCB hingga 120°C selama penyolderan dan gunakan solder suhu tinggi (misalnya, SAC305, titik leleh 217°C) dengan profil reflow yang lebih lama.

Aplikasi Dunia Nyata dari PCB Tembaga Berat dalam Sistem Arus Tinggi
PCB tembaga berat bersifat transformatif di seluruh industri di mana arus tinggi dan keandalan sangat penting:
1. Kendaraan Listrik (EV) dan EV Hibrida
  a.Inverter EV: Mengubah daya baterai DC menjadi AC untuk motor (150–300A). Inverter Tesla Model Y menggunakan jejak tembaga 5oz dan via berisi tembaga, mengurangi kehilangan daya sebesar 18% vs. desain 3oz.
  b.Sistem Manajemen Baterai (BMS): Memantau dan menyeimbangkan sel baterai (20–50A). Jejak tembaga 3oz dalam BMS Chevrolet Bolt memastikan distribusi arus yang seragam, memperpanjang umur baterai hingga 2 tahun.
  c.Modul Pengisian Daya: Sistem pengisian daya cepat (100–200A) menggunakan batang bus tembaga 7oz dan MCPCB aluminium untuk menangani arus tinggi dan menghilangkan panas.

2. Energi Terbarukan
 a.Inverter Surya: Mengubah daya surya DC menjadi AC (50–100A). PCB FR4 berisi keramik 5oz dalam inverter surya 10kW mengurangi suhu hotspot sebesar 25°C, meningkatkan efisiensi sebesar 3%.
 b.Pengontrol Turbin Angin: Mengelola pitch dan daya turbin (80–120A). PCB tembaga gulung 10oz tahan terhadap getaran (20G) dan perubahan suhu (-40°C hingga 85°C), mengurangi biaya perawatan sebesar $20.000 per turbin setiap tahun.

3. Mesin Industri
  a.Penggerak Motor: Mengontrol kecepatan motor AC (30–80A). Penggerak Siemens Sinamics V20 menggunakan bidang tembaga 5oz dan via termal, memotong ukuran penggerak sebesar 30% vs. desain PCB standar.
  b.Peralatan Pengelasan: Memberikan busur arus tinggi (150–200A). Batang bus tembaga 15oz dalam mesin las Lincoln Electric menangani 200A tanpa kepanasan berlebih, memastikan kualitas las yang konsisten.

4. Perangkat Medis
  a.Defibrilator Portabel: Memberikan kejutan 300A (jangka pendek). PCB tembaga berat dengan jejak 10oz dan via berisi tembaga memastikan pengiriman daya yang andal, penting untuk penggunaan darurat.
  b.Mesin Dialisis: Daya pompa dan pemanas (20–40A). PCB FR4 high-Tg 3oz tahan terhadap bahan kimia sterilisasi dan menjaga stabilitas, memenuhi standar ISO 13485.

FAQ Tentang Mendesain PCB Tembaga Berat untuk Arus Tinggi
T: Berapa ketebalan tembaga maksimum yang dapat saya gunakan untuk PCB tembaga berat?
J: Produsen komersial mendukung hingga tembaga 20oz (700μm), meskipun 10oz adalah batas praktis untuk sebagian besar desain (15oz+ membutuhkan peralatan etsa khusus). Desain militer/aerospace khusus dapat mencapai 30oz (1050μm) untuk kebutuhan arus sangat tinggi.

T: Bisakah PCB tembaga berat mendukung sinyal berkecepatan tinggi (misalnya, 5G)?
J: Ya—dengan desain yang cermat. Gunakan tembaga 3–5oz untuk jalur daya dan tembaga 1oz untuk jejak berkecepatan tinggi (untuk menjaga impedansi terkontrol). Etsa plasma memastikan lebar/jarak jejak 0,1mm/0,1mm untuk sinyal 1Gbps+.

T: Bagaimana cara menguji PCB tembaga berat untuk kinerja arus tinggi?
J: Lakukan pengujian ini:

Siklus Arus: Terapkan 120% dari arus terukur selama 1.000 siklus (-40°C hingga 125°C) untuk memeriksa retakan jejak.
Pencitraan Termal: Gunakan kamera inframerah untuk memetakan hotspot—suhu harus tetap <125°C untuk suhu sekitar 85°C.
Pengukuran Resistansi: Lacak resistansi jejak dari waktu ke waktu; peningkatan >10% menunjukkan oksidasi atau kerusakan.

T: Perangkat lunak desain apa yang terbaik untuk PCB tembaga berat?
J: Altium Designer dan Cadence Allegro memiliki alat bawaan untuk tembaga berat:

Altium: Pemeriksa aturan desain (DRC) “Tembaga Berat” dan kalkulator peringkat arus.
Cadence: Modul analisis termal untuk mensimulasikan distribusi panas.

T: Berapa biaya PCB tembaga berat dibandingkan dengan PCB standar?
J: Tembaga 3oz berharga 2x lebih mahal daripada 1oz; tembaga 10oz berharga 4–5x lebih mahal. Premium diimbangi oleh pengurangan biaya heat sink (penghematan 30–50%) dan umur komponen yang lebih lama.

Kesimpulan
Mendesain PCB tembaga berat untuk aplikasi arus tinggi adalah tindakan penyeimbangan—antara kapasitas arus dan kemampuan manufaktur, manajemen termal dan biaya, daya tahan dan integritas sinyal. Dengan mengikuti standar IPC, memilih material yang tepat, dan memprioritaskan pelepas termal dan desain via, Anda dapat membuat papan yang menangani arus 30A hingga 200A dengan andal.

PCB tembaga berat bukan hanya “peningkatan” dari PCB standar—mereka adalah kebutuhan untuk generasi berikutnya dari elektronik berdaya tinggi, dari EV hingga sistem energi terbarukan. Seiring pertumbuhan industri ini, permintaan akan desain tembaga berat yang cerdas dan efisien hanya akan meningkat—menjadikannya keterampilan penting bagi para insinyur dan produsen.

Kunci sukses? Jangan terlalu merekayasa (misalnya, menggunakan tembaga 10oz untuk desain 20A) atau kurang merekayasa (misalnya, 3oz untuk 40A). Cocokkan ketebalan tembaga dengan kebutuhan arus, gunakan manajemen termal secara strategis, dan bermitra dengan produsen yang berpengalaman dalam fabrikasi tembaga berat. Dengan langkah-langkah ini, Anda akan membangun PCB yang berkinerja di bawah tekanan—secara harfiah.