Проектирование тяжелых медных ПХБ для применения высокого тока: всестороннее руководство

Изображения, создаваемые клиентами

В высокопроизводительной электронике ‒ от инверторов электромобилей до двигателей промышленного производства ‒ стандартных медных печатных пластин не хватает.Эти системы требуют ПХБ, которые могут обрабатывать токи от 30 до 200 А без перегреваВведите тяжелые медные ПХБ: определены следами меди и плоскостями толщиной 3 унций (105 мкм) или более,Они спроектированы для решения уникальных задач проектирования высокого тока..

Проектирование тяжелых медных печатных плат не просто “использование более толстой меди”, это требует тщательного рассмотрения геометрии следов, совместимости материалов, теплового управления и изготовления.В этом руководстве описаны важнейшие принципы проектирования тяжелых медных ПКБ для применения высокого тока, от выбора материала до лучших практик планировки, и объясняет, как избежать распространенных ловушек.Этот ресурс поможет вам создать надежный, высокопроизводительные доски.

Ключевые выводы
1.Тяжелая медь (3 унц +) следы обрабатывают 2 ¢ 5x больше тока, чем стандартная 1 унция медь: 3 унция следы (105 мкм) несет 30А, в то время как 10 унций следы (350 мкм) поддерживает 80А в той же ширине.

2Критические факторы проектирования включают ширину/толщину следов (согласно стандартам IPC-2221), тепловые рельефные модели (снижают температуру горячих точек на 40%),и через заполнение (твердые медные vias переносят 3x больше тока, чем покрытые vias).

3Высоко Tg субстраты (≥ 170 °C) и керамически наполненные ламинированные материалы не подлежат обсуждению для конструкций высокого тока, поскольку они выдерживают рабочие температуры 150 °C +.

4По сравнению со стандартными печатными пластинками, конструкции из тяжелой меди уменьшают тепловое сопротивление на 60% и продлевают срок службы компонента в 2×3 раза в системах высокой мощности.

Что делает тяжелые медные ПХБ идеальными для применения при высоком токе?
Высокопоточные схемы генерируют значительное тепло (по закону Джоуля: P = I2R), и стандартные печатные платы изо всех сил пытаются рассеять эту энергию.

a.Нижее электрическое сопротивление: более толстая медь уменьшает сопротивление (R = ρL / A, где A = площадь поперечного сечения), минимизируя потери мощности и теплопроизводство.3 унции медной следы имеет на 66% меньше сопротивления, чем 1 унция следы той же ширины.
b.Высокая теплопроводность: теплопроводность меди (401 W/m·K) в 1300 раз выше, чем у FR4 (0,3 W/m·K).Распространение тепла от компонентов, таких как IGBT и MOSFET.
c.Улучшенная механическая долговечность: толстая медь (особенно 5 унций +) устойчива к усталости от теплового цикла (-40 °C до 125 °C) и вибрации, уменьшая следы трещин - распространенная точка сбоя в стандартных печатных пластинках.

Толщина тяжелой меди и несущая мощность
Отношения между толщиной меди и током не являются линейными, также играют роль ширина следа, температура окружающей среды и воздушный поток.Ниже приведена практическая справка для конструкций высокого тока (на основе IPC-2221 и отраслевых испытаний), при условии 25°C окружающей среды и 10 см длины следа):

Примечание: для токов > 100 А используйте параллельные следы (например, два 10 унций, 1,5 мм следа для 200 А), чтобы избежать чрезмерной ширины следа и производственных проблем.

Критические принципы проектирования для тяжелых медных ПХБ
Проектирование тяжелых медных печатных плат для высокого тока требует сбалансированного использования электрических характеристик, теплового управления и производительности.

1. Вычислить ширину и толщину следа для целевого тока
Основой проектирования высокого тока является размеры следов для обработки ожидаемого тока без перегрева.

a. Следуйте стандартам IPC-2221: спецификация IPC-2221 содержит формулы для ширины следов на основе тока, повышения температуры и толщины меди.Для повышения температуры на 10 °C (обычно в конструкциях с высокой надежностью):
3 унции меди: 0,8 мм в ширину = 25А
5 унций меди: 0,8 мм в ширину = 38А
b.Учитывать температуру окружающей среды: в жарких условиях (например, в кабинах двигателей электромобилей при температуре 85°C) снизить ток на 30-40% (см. таблицу выше).
c. Избегайте чрезмерного размещения: в то время как более толстая медь лучше для текущего, медь 15 унций + становится трудно выгравировать и ламинировать ′′придерживаться до 10 унций максимум для большинства коммерческих приложений.

Рекомендация инструмента: Используйте онлайн-калькуляторы, такие как Калькулятор ширины следов PCB (от Sierra Circuits) или встроенный инструмент рейтинга тока Altium, чтобы подтвердить размер.

2. Приоритетное управление тепловой энергией
Даже при использовании толстой меди высокоточные компоненты (например, IGBT, силовые резисторы) создают горячие точки.

a.Терморельефные подкладки: подключают энергокомпоненты к тяжелым медным плоскостям с помощью теплорельефных шаблонов с застежками, которые уравновешивают теплопередачу и сварку.5 мм × 5 мм терморельефной подложки для TO-220 компонента снижает температуру горячей точки на 40% против. твердой подушки.
b.Медные самолеты для распространения тепла: используйте 3 ̊5 унций медных самолетов (не только следы) под энергетическими компонентами.
c. Тепловые провода: добавление заполненных медью теплых проводов (0,3 - 0,5 мм в диаметре) вокруг горячих компонентов для передачи тепла во внутренние/внешние плоскости.Космические провода 1 ≈ 2 мм друг от друга для максимальной эффективности ≈ 10 тепловых проводов уменьшают температуру компонента на 15 ≈ 20 ° C.
d. Избегайте сжатия следов: сужение 10 унций, 1,5 мм следа до 0,8 мм для разъединителя создает узкое место, повышая температуру на 25 ° C. Используйте постепенные зазубления (соотношение 1: 3), если необходимы изменения ширины.

Исследование случая: промышленное питание 50А с использованием 5 унций медных плоскостей и 12 тепловых каналов уменьшило температуру соединения IGBT с 120 ° C до 85 ° C, увеличив срок службы компонента с 3 до 7 лет.

3. Оптимизировать через дизайн для высокого тока
Проходы часто упускаются из виду при проектировании высоких токов, но они имеют решающее значение для соединения слоев и переноса тока:

a. Использовать медно-наполненные проемы: стандартные покрытые проемы (25 мкм меди) несут 10 ‰ 15 А; медно-наполненные проемы (твердое медное ядро) несут 30 ‰ 50 А, в зависимости от диаметра.5 мм заполнены через носители 35A ≈ идеально подходит для соединений EV BMS.
b.Увеличение диаметра провода: для токов > 50 А используйте несколько проводов (например, четыре заполненных провода 0,5 мм для 120 А) или более крупные проводы (0,8 мм диаметра = 50 А на заполненный проводник).
c. Избегайте прокладки через ступни: неиспользуемые через ступни (часто встречающиеся в проходных проводах) создают несоответствия в импиденции и тепло.

4. Выберите Совместимые материалы
Тяжелые медные ПХБ требуют материалов, которые выдерживают высокую температуру и механические нагрузки:

a.Субстрат (основной материал):
FR4 с высоким Tg (Tg ≥170°C): стандарт для большинства конструкций высокого тока (например, EV BMS). выдерживает непрерывную работу при 150°C и обратный поток без свинца (260°C).
Керамический FR4 (например, Rogers RO4835): теплопроводность 0,6 W/m·K (2 раза выше, чем стандартный FR4) делает его идеальным для систем 70A +, таких как солнечные инверторы.
Металлические ПКБ (MCPCB): объединяют тяжелую медь с алюминиевым/медным ядром для теплопроводности 1 ‰ 5 W/m·K ≈ используется в высокопроизводительных светодиодных драйверах и модулях зарядки электромобилей.
b.Тип медной фольги:
Электролитическая медь: экономически выгодна для толщины 3 ̊7 унций; подходит для большинства приложений.
Прокатная медь: более высокая пластичность (сопротивляется трещинам) для медной и гибкой тяжелой медной ПКБ (например, складываемые кабели для зарядки электромобилей).
c. Маска для сварки: используйте высокотемпературную маску для сварки (Tg ≥ 150°C), такую как DuPont PM-3300, которая устойчива к повторному потоку при 260°C и предотвращает окисление меди.

Сравнительная таблица материалов:

5. Разработка лучших практик для производства
Тяжелую медь (особенно 7 унций +) сложнее выгравировать и ламинировать, чем стандартную медь.

a.Расстояние между следами: поддерживайте ≥2x ширину следов между следами тяжелой меди, чтобы избежать проблем с офортом. Для следа 1,0 мм, 5 унций, используйте расстояние 2,0 мм.
b.Прозрачность краев: сохранять следы тяжелой меди ≥ 1,5 мм от краев ПКБ, чтобы избежать деламинирования во время ламинирования.
c. Компенсация за офорта: тяжелая медь офортает медленнее ≈ добавляет 0,05 ≈ 0,1 мм к ширине отпечатков в вашей конструкции для учета потерь от офорта (например, проектируйте 1,05 мм отпечаток для окончательной ширины 1,0 мм).
d.Размещение компонентов: Избегайте размещения компонентов SMD (например, резисторов 0402) в пределах 2 мм от тяжелых медных следов.

Ошибка планировки против таблицы решений:

Продвинутые стратегии проектирования для систем сверхвысокого тока (100A+)
Для таких систем, как инверторы электромобилей (150A+) и промышленных выпрямителей (200A+), не достаточно простой конструкции из тяжелой меди. Используйте следующие передовые технологии:

1Параллельное маршрутизация.
Вместо одного широкого следа (например, 3 мм 10 унций) используйте 2 ′′ 4 параллельных следов (например, два 1,5 мм 10 унций следа) для:

a. Уменьшить сложность гравирования (широкие следы склонны к снижению).
b.Улучшить распределение тока (параллельные следы минимизируют изменения сопротивления).
c. позволяет упростить размещение компонентов (уже тесные следы освобождают пространство на борту).

Правило: параллельные пространственные следы ≥ 1x их ширины, чтобы избежать взаимного нагрева ≈ два 1,5 мм 10 унц следа, расположенные на расстоянии 1,5 мм друг от друга, несут 160А (против 80А для одного 1,5 мм следа).

2. Интеграция автобусов
Для токов 200A + вставьте в ПКБ тяжелые медные шины (15 унций + меди, толщиной 2 ′′ 3 мм):

a.Стержни автобусов действуют как “электрические магистрали”, “передающие ток по всей линии без ограничений следов.
b. Присоединяйте шины к ПКБ через заполненные медими проемы (диаметр 0,8 мм, расстояние между ними 5 мм) для обеспечения механической и электрической стабильности.

Пример: промышленный двигатель мощностью 250 А использует 20 унций медную шинель с 12 заполненными виарами, что снижает потерю мощности на 25% по сравнению с конструкцией только следов.

3Тепловые интерфейсные материалы (TIM)
Сочетание тяжелых медных ПХБ с TIM для передачи тепла во внешние теплоотводы:

a. Использование тепловой смазки (теплопроводность 3 ‰ 6 W/m·K) между PCB и теплоотводом для систем 50 ‰ 100 А.
b.Для систем 100A+ используйте тепловые подушки (например, Bergquist Gap Pad) с проводимостью 812 W/m·K, они заполняют воздушные пробелы и справляются с более высоким давлением.

Влияние: Инвертор 100A EV с TIM снижает температуру PCB на 20 °C по сравнению с отсутствием TIM, увеличивая срок службы инвертора в 3 раза.

Как избежать распространенных ловушек дизайна
Даже опытные конструкторы делают ошибки с тяжелыми медными ПХБ. Вот как их поймать и исправить:
1Недооценка повышения температуры
Ловушка: Использование 3 унций, 1,0 мм следа для 35A (превышение его рейтинга 30A) приводит к повышению температуры до 30 ° C и следу окисления.
Исправление: Используйте 5 унций, 1,0 мм следа (45A рейтинг) или 3 унций, 1,2 мм следа (35A рейтинг) для поддержания повышения температуры <10 °C.

2Игнорирование теплового стресса
Ловушка: толстая медь (10 унций +) и стандартный FR4 имеют несоответствующие коэффициенты теплового расширения (CTE), вызывая трещины после 500 тепловых циклов.
Исправление: Используйте прокачанную медь (более высокая пластичность) и FR4 с высоким Tg (CTE ближе к меде), чтобы выдержать более 1000 циклов.

3- Плохая тепловая защита.
Ловушка: подключение 5 унций медной плоскости к компоненту с твердой подложкой ловит тепло, что приводит к отказу сварного соединения.
Исправление: Используйте терморельефную подложку с 4 6 слотами (каждый шириной 0,2 мм), чтобы сбалансировать теплопередачу и сварку.

4. Проглядывая на сварку
Ловушка: 10 унций + следы меди имеют большую тепловую массу, вызывая сварка охлаждается слишком быстро и образует холодные соединения.
Исправление: Передварительная нагрев ПХБ до 120 °C во время сварки и использование высокотемпературной сварки (например, SAC305, точка плавления 217 °C) с более длинным профилем обратного потока.

Реальные применения тяжелых медных ПХБ в системах высокого тока
Тяжелые медные ПХБ являются преобразующими в различных отраслях промышленности, где высокий ток и надежность имеют решающее значение:
1Электрические транспортные средства (ЭВ) и гибридные электромобили
a.EV инверторы: преобразуют питание от аккумуляторных батарей постоянного тока в переменное для двигателей (150 ≈ 300 А). Инвертор Tesla Model Y использует 5 унций медной трассы и заполненные медью прокладки, уменьшая потерю мощности на 18% по сравнению с 3 унциями конструкции.
b.Системы управления батареей (BMS): Мониторинг и балансирование батарейных элементов (20 ′′ 50A). 3 унции медной следы в Chevrolet Bolt BMS обеспечивают равномерное распределение тока, увеличивая срок службы батареи на 2 года.
в. Модули зарядки: Системы быстрой зарядки (100 ‰ 200 А) используют 7 унций медных решеток и алюминиевые MCPCB для обработки высоких токов и рассеивания тепла.

2. Возобновляемая энергия
a.Солнечные инверторы: преобразуют постоянную солнечную энергию в переменную (50 ‰ 100A). 5 унций керамически заполненных FR4 ПКБ в солнечном инверторе мощностью 10 кВт уменьшают температуру точки горячего на 25 °C, повышая эффективность на 3%.
b.Ветротурбинные контроллеры: Управляйте наклоном и мощностью турбины (80-120А). 10 унций проката медных ПКБ выдерживают вибрации (20G) и колебания температуры (-40°C - 85°C), снижая затраты на обслуживание на 20 долларов США.000 на турбину в год.

3Промышленные машины
a.Двигатели двигателя: Управление скоростью двигателя переменного тока (3080A). Двигатель Siemens Sinamics V20 использует 5 унций медных плоскостей и тепловых каналов, сокращая размер привода на 30% по сравнению со стандартным дизайном печатных плат.
b.Сварочное оборудование: обеспечивает высокопоточные дуги (150 ‰ 200 А). 15 унций медных решеток в рукоятке сварной машины Lincoln Electric 200 А без перегрева, обеспечивая постоянное качество сварки.

4. Медицинские изделия
a.Портативные дефибрилляторы: доставляют 300А шоки (краткосрочные). Тяжелые медные ПКБ с 10 унцинами следов и заполненными медью каналами обеспечивают надежную подачу энергии, критически важную для экстренного использования.
b.Машины для диализа: энергонасосные насосы и нагреватели (2040A). 3 унции высоко-Tg FR4 ПХБ устойчивы к стерилизационным химикатам и сохраняют стабильность, соответствуя стандартам ISO 13485.

Часто задаваемые вопросы о проектировании тяжелых медных ПХБ для высокого тока
Вопрос: Какова максимальная толщина меди, которую я могу использовать для тяжелого медного ПКБ?
A: Коммерческие производители поддерживают до 20 унций (700 мкм) меди, хотя 10 унций является практическим пределом для большинства конструкций (15 унций + требует специализированного оборудования для офорта).Специальные военные / аэрокосмические конструкции могут достигать 30 унций (1050 мкм) для экстремальных потребностей в высоком токе.

Q: Могут ли тяжелые медные ПКБ поддерживать высокоскоростные сигналы (например, 5G)?
Ответ: Да, с тщательной конструкцией. Используйте 3 ̊5 унций меди для путей питания и 1 унции меди для высокоскоростных следов (для поддержания контролируемого импеданса). Плазменное гравирование обеспечивает ширину следа / расстояние 0,1 мм / 0.1 мм для сигналов 1 Gbps+.

Вопрос: Как я проверяю тяжелый медный ПКБ на высокую мощность?
О: Проведите следующие испытания:

Текущий цикл: Применяется 120% номинального тока в течение 1000 циклов (от -40 °C до 125 °C) для проверки на наличие трещин.
Тепловое изображение: Используйте инфракрасную камеру для отображения горячих точек. Температура должна оставаться <125°C при температуре 85°C.
Измерение сопротивления: отслеживание сопротивления с течением времени; увеличение > 10% указывает на окисление или повреждение.

Вопрос: Какое программное обеспечение лучше всего подходит для тяжелых медных печатных плат?
Ответ: Altium Designer и Cadence Allegro имеют встроенные инструменты для тяжелой меди:

Altium: “Heavy Copper” проверяющий правила проектирования (DRC) и калькулятор текущего рейтинга.
Каденция: модули теплового анализа для моделирования распределения тепла.

Вопрос: Сколько стоит тяжелый медный ПКБ по сравнению со стандартным ПКБ?
Ответ: 3 унции меди стоят в 2 раза дороже, чем 1 унция; 10 унций меди стоят в 4-5 раз дороже. Премия компенсируется снижением затрат на теплоотводы (30-50% экономии) и более длительным сроком службы компонентов.

Заключение
Проектирование тяжелых медных печатных плат для применения высокого тока является балансирующим актом между текущей мощностью и производственностью, тепловым управлением и стоимостью, долговечностью и целостностью сигнала.Следуя стандартам IPC, выбирая правильные материалы, и отдавая приоритет тепловой рельеф и через дизайн, вы можете создать платы, которые справляются с 30A до 200A токов надежно.

Тяжелые медные печатные пластинки не просто "улучшение" от стандартных печатных пластинки, они необходимы для следующего поколения высокопроизводительной электроники, от электромобилей до систем возобновляемой энергии.спрос на умных, эффективное проектирование тяжелой меди будет только увеличиваться, что сделает его критическим навыком для инженеров и производителей.

Ключ к успеху: не переусердствуйте (например, используйте 10 унций меди для конструкции 20А) или недооценивайте (например, 3 унции для 40А).,С помощью этих шагов вы создадите ПХБ, которые будут работать под давлением буквально.