I. Zuerst verstehen: Warum eine dicke Kupfer-Leiterplatte wählen? (30-Sekunden-Einführung)

Dicke Kupfer-Leiterplatten sind, einfach ausgedrückt, Leiterplatten mit einer Kupferfoliendicke von ≥ 3oz (1oz ≈ 35μm). Sie werden häufig in "Hochleistungs-, Hochwärmeableitungs"-Szenarien wie industriellen Netzteilen, Neufahrzeugen und medizinischen Geräten eingesetzt—beispielsweise müssen Ladesäulen für Neufahrzeuge hohen Stromstößen standhalten. Gewöhnliche dünne Kupferplatten neigen zum Überhitzen und Ausbrennen. Dickes Kupfer wirkt wie eine "Autobahn im Stromkreis", die Strom und Wärme schnell ableitet und auch die mechanische Festigkeit der Leiterplatte (Biegefestigkeit, Vibrationsfestigkeit) verbessert. Dickes Kupfer ist jedoch nicht "je dicker, desto besser". Eine unsachgemäße Konstruktion kann zu Problemen wie "ungleichmäßiger Wärmeableitung, schlechter Lötbarkeit und explodierenden Kosten" führen. Dies ist das Kernproblem, auf das wir uns heute konzentrieren werden: Wie können wir die Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig die Herstellbarkeit (DFM) gewährleisten?

II. Wichtige Überlegungen für das Design von dicken Kupfer-Leiterplatten (Erster Schritt zur Vermeidung von Fallstricken)

1. Auswahl der Kupferfoliendicke: Verfolgen Sie nicht blind "je dicker, desto besser". Grundprinzip: Die Strombelastbarkeit bestimmt die Kupferdicke. Eine vereinfachte Formel lautet: Zulässiger Strom (A) ≈ Kupferfoliendicke (oz) × Leiterbahnbreite (mm) × 0,8 (Umgebungstemperatur ≤40℃). Beispiel: 3oz Kupferfolie + 3mm breite Leiterbahn können etwa 7,2A Strom standhalten, was für die meisten industriellen Netzteilszenarien ausreichend ist. Fallstrick: Kupfer über 10oz kann zu PCB-Biegen und Bohrschwierigkeiten führen. Sofern keine besonderen Anforderungen bestehen (z. B. für Luft- und Raumfahrtausrüstung), sollten Sie die gängige Spezifikation von 3-6oz priorisieren.

2. Leiterbahn-Design: Vermeiden Sie "Engstellen-Erwärmung" und gewährleisten Sie einen reibungslosen Stromfluss. Leiterbahnbreite: Dicke Kupferleiterbahnen sollten nicht zu schmal sein! Für 3oz Kupferfolie beträgt die empfohlene Mindestleiterbahnbreite ≥0,3 mm (0,1 mm ist für gewöhnliches dünnes Kupfer ausreichend). Die Breite sollte proportional zum Strom zunehmen (z. B. beträgt für 6oz Kupferfolie, die 10A Strom führt, die empfohlene Breite ≥5 mm).

Leiterbahnübergang: Vermeiden Sie plötzliches Verengen/Erweitern (z. B. abruptes Abfallen von 5 mm auf 1 mm). Verwenden Sie einen "allmählichen Übergang" (Länge ≥ 3-mal der Breitenunterschied), andernfalls bildet sich ein "Stromengpass", der zu lokaler Überhitzung und Ausbrennen führt. Wärmeableitungsoptimierung: Verwenden Sie unter Hochleistungsgeräten (z. B. MOSFETs) "Kupferplattierung + thermische Vias" (Via-Durchmesser 0,8-1,2 mm, Abstand 2-3 mm), damit die Wärme schnell zur Masse/Stromversorgungsebene geleitet werden kann.

3. Via-Design: Ein "fataler Fehler" von dicken Kupferplatten—achten Sie genau darauf! Via-Durchmesser: Die Kupferschicht an der Via-Wand einer dicken Kupferplatte muss mit der Dicke der Kupferfolie übereinstimmen. Ein Standard-Via-Durchmesser von 0,4 mm reicht für die Plattierung von 3oz Kupferfolie nicht aus. Ein minimaler Via-Durchmesser von ≥0,8 mm (mit einer Kupferwanddicke ≥20μm) wird empfohlen.

Anzahl der Vias: Verwenden Sie keine einzelne Via auf Hochstrompfaden! Wenn beispielsweise eine 3oz Kupferfolie 5A Strom führt, wird empfohlen, 2-3 Vias parallel zu verwenden (jede Via kann etwa 2-3A Strom standhalten), um zu verhindern, dass die Via überhitzt und schmilzt.

Lötstopplack-Öffnung: Um die Via sollte eine ausreichende Lötstopplack-Öffnung (0,2-0,3 mm größer als der Via-Durchmesser) vorgesehen werden, um zu verhindern, dass Lot die Via während des Lötens verstopft, was die Wärmeableitung und die Leitfähigkeit beeinträchtigen würde.

III. DFM-Design für dicke Kupfer-Leiterplatten: Ermöglichen Sie Fabriken, "mit weniger Nacharbeit zu produzieren"

Der Kern von DFM (Design for Manufacturability) ist "Design muss sich an die Herstellungsprozesse anpassen". DFM für dicke Kupfer-Leiterplatten konzentriert sich auf die Lösung der "Prozessherausforderungen, die durch dickes Kupfer entstehen":

1. Kupferfolienätzen: Vermeidung von ungleichmäßigem Ätzen. Mindestlinienbreite/Abstand: Für 3oz Kupferfolie gilt: Mindestlinienbreite ≥ 0,3 mm und Mindestlinienabstand ≥ 0,3 mm (0,1 mm ist für dünnes Kupfer ausreichend); für 6oz Kupferfolie wird eine Linienbreite/ein Abstand von ≥ 0,4 mm empfohlen, andernfalls kommt es während des Ätzens wahrscheinlich zu "ungenauer Linienbreite" und "Kurzschlüssen".
2. Kupferverlegung mit Öffnungen: Verwenden Sie für großflächige Kupferverlegung "Gitterkupferverlegung" (Gitterabstand 2-3 mm, Linienbreite 0,2-0,3 mm), um ein Schrumpfen der Kupferfolie während des Ätzens zu vermeiden, was zu PCB-Biegen führen kann; wenn eine massive Kupferverlegung erforderlich ist, sollten "Wärmeableitungsschlitze" (0,5 mm Breite, 10-15 mm Abstand) reserviert werden.

2. Laminierungsprozess: Um "Delamination und Blasenbildung" zu verhindern, sollte die Laminierungsreihenfolge wie folgt lauten: Dicke Kupferfolie sollte auf der "Außenschicht" oder "in der Nähe der Außenschicht" platziert werden, um zu vermeiden, dass sie in der Mitte eingeschlossen wird und die Wärmeableitung verhindert; die Kupferfoliendicke der Mehrlagenplatine sollte symmetrisch sein (z. B. 3oz für die obere Schicht und 3oz für die untere Schicht), andernfalls kommt es nach der Laminierung zu Verformungen. Substratauswahl: Priorisieren Sie Substrate mit hohem Tg (Tg≥170℃), wie z. B. FR-4 Tg170 oder PI-Substrate, um ein Erweichen und Ablösen des Substrats während des Hochtemperaturlötens zu vermeiden (die Löttemperatur von dicken Kupferplatten ist in der Regel 10-20℃ höher als die von dünnem Kupfer).

3. Lötprozess: Auswahl von "hochwärmeleitfähigen" Bauteilen, die für dickes Kupfer geeignet sind: Priorisieren Sie "Hochleistungsgehäuse" (z. B. TO-220, D2PAK), um das Löten von kleinen Gehäusebauteilen auf dickem Kupfer zu vermeiden, bei denen die Wärme nicht abgeleitet werden kann und das Lot schmilzt. Pad-Design: Pads auf dickem Kupfer sollten 0,2-0,3 mm größer sein als gewöhnliche Pads. Beispielsweise sind die Pads für einen 0805-Widerstand typischerweise 0,8×1,2 mm, aber für dickes Kupfer wird 1,0×1,5 mm empfohlen, um eine starke Lötstelle zu gewährleisten. Reflow-Lötparameter: Dickes Kupfer absorbiert mehr Wärme, daher sollte die Reflow-Löttemperatur angemessen erhöht werden (5-10℃ höher als bei dünnem Kupfer) und die Haltezeit um 10-15 Sekunden verlängert werden, um "kalte Lötstellen" zu vermeiden.

4. Kostenkontrolle: Der versteckte Wert von DFM (Design for Manufacturing) - Vermeidung von Over-Design: Verwenden Sie beispielsweise 1-2oz Kupferfolie in Bereichen, in denen kein hoher Strom benötigt wird, und verwenden Sie dickes Kupfer nur auf kritischen Pfaden, um die Materialkosten zu senken; Standardisierte Abmessungen: Verwenden Sie möglichst werkseitig standardisierte Platinendicken (z. B. 1,6 mm, 2,0 mm). Spezielle Platinendicken (z. B. 3,0 mm und höher) erhöhen die Bearbeitungsschwierigkeiten und -kosten; Frühzeitige Kommunikation: Bestätigen Sie die Prozessfähigkeiten mit dem Leiterplattenhersteller vor dem Design (z. B. maximale Kupferdicke, minimaler Lochdurchmesser, Ätzpräzision), um Designs zu vermeiden, die nach der Fertigstellung nicht hergestellt werden können.

IV. Zusammenfassung:

Design von dicken Kupfer-Leiterplatten: "3 Kernelemente"
Kupferdicke passend zum Strom: Vermeiden Sie blindes Erhöhen der Dicke; wählen Sie gängige Spezifikationen von 3-6oz entsprechend den Stromanforderungen; Risikominderung durch Details: Allmähliche Leiterbahnübergänge, parallele Vias und konforme Leiterbahnbreite/Abstand; DFM-Priorität: Berücksichtigen Sie beim Design Ätz-, Laminierungs- und Lötprozesse, um Nacharbeiten zu reduzieren. Das Design von dicken Kupfer-Leiterplatten mag komplex erscheinen, aber durch das Erfassen der beiden Kernelemente "Stromleitung" und "Prozesskompatibilität" können die meisten Fallstricke vermieden werden.