Grubość miedzi PCB: kluczowe czynniki wyboru i najlepsze praktyki dla optymalnej wydajności

The thickness of copper in a printed circuit board (PCB) is far more than a technical detail—it’s a critical design choice that impacts everything from current carrying capacity to thermal management and manufacturing costsNiezależnie od tego, czy projektujesz silny kontroler przemysłowy, czy kompaktowe urządzenie do noszenia, wybór odpowiedniej grubości miedzi zapewnia niezawodną pracę PCB w warunkach rzeczywistych.

Ten przewodnik analizuje naukę związaną z grubością miedzi PCB, badając, w jaki sposób wpływa na wydajność elektryczną, cieplną i mechaniczną.opracowanie kryteriów wyboru dla poszczególnych wnioskówDo końca studium będziesz w stanie wybrać grubości miedzi, które równoważą wydajność, koszty,W przypadku urządzeń elektronicznych użytkownika, systemów motoryzacyjnych lub urządzeń przemysłowych.

Kluczowe wnioski
1.Zasady grubości miedzi: mierzone w uncjach na metr kwadratowy (oz/ft2), przy czym 1 oz = 35 μm (1,37 mil) jest standardem przemysłowym dla większości zastosowań.
2Wymiany w wydajności: grubsza miedź (2 oz +) poprawia przepustowość prądu i rozpraszanie cieplne, ale zwiększa koszty i zmniejsza elastyczność.5 oz) umożliwia drobne wzory, ale ogranicza obsługę mocy.
3Specyficzne potrzeby zastosowań: Urządzenia o dużej mocy (np. sterowniki silników) wymagają 2 ̊3 uncji miedzi, podczas gdy urządzenia noszone i smartfony używają 0,5 ̊1 uncji dla kompaktowości.
4Problemy związane z możliwością produkcji: grubsza miedź wymaga ściślejszych tolerancji i specjalistycznego grafowania, co zwiększa złożoność produkcji i koszty.
5Zgodność z IPC: Zgodność z normami IPC-2221 zapewnia, że szerokość śladów i grubość miedzi spełniają wymagania bezpieczeństwa i wydajności.

Zrozumienie grubości miedzi PCB
Miedź jest żywiołem PCB, tworząc przewodzące ślady, podkładki i płaszczyzny, które przenoszą sygnały elektryczne i energię.i obciążenia prądu.

Jednostki pomiarowe i przeliczenia
Grubość miedzi jest najczęściej określana w uncjach na metr kwadratowy (oz/ft2), dziedziczonej jednostce, która odnosi się do masy miedzi rozprzestrzenionej na jednym metru kwadratowym podłoża.

Uwaga: IPC-4562 określa tolerancję ± 10% dla grubości miedzi.

Standardowy kontra ciężki miedź
a.Standardowa miedź: 0,5 oz do 2 oz, stosowana w 90% urządzeń elektronicznych, urządzeń IoT i PCB o niskiej mocy.
b. Ciężka miedź: 3 uncji i więcej, zarezerwowana dla zastosowań o dużej mocy (np. napędów silników przemysłowych, ładowarek elektrycznych), w których prąd przekracza 20 A.Ciężka miedź wymaga specjalistycznych procesów produkcyjnych, takich jak naklejka kwasowa, aby osiągnąć jednolitą grubość.

Jak grubość miedzi wpływa na wydajność PCB
Każdy aspekt funkcjonalności PCB, od integralności sygnału po trwałość mechaniczną, zależy od grubości miedzi.
1Wydajność elektryczna: pojemność prądu i opór
Główną rolą miedzi jest przewodzenie prądu, a grubsza miedź wykonuje to skuteczniej:

a.Przepuszczalność prądu: 1 uncja miedziana o szerokości 5 mm może przenosić ~ 20A przy wzroście temperatury 10 °C. 2 uncje miedziane o tej samej szerokości mogą przenosić ~ 28A, dzięki niższemu oporowi.
b.Zmniejszenie oporu: grubsza miedź zmniejsza opór śladowy (ohm na cal), minimalizując spadek napięcia w sieciach dostaw energii.25Ω oporu, podczas gdy 2 oz śladu o tych samych wymiarach ma ~ 0.12Ω.
c. Rozpraszanie mocy: niższa odporność oznacza mniejszą ilość ciepła generowaną przez straty I2R, co jest kluczowe dla konstrukcji o dużej mocy, takich jak sterowniki LED lub systemy zarządzania bateriami (BMS).

Wytyczne IPC-2221: Norma zawiera wzory do obliczania wymaganej szerokości śladu na podstawie grubości miedzi, prądu i dopuszczalnego wzrostu temperatury.

10A prądu i wzrost o 10°C:

1 uncja miedzi wymaga śladu 2,5 mm.
2 oz miedzi wymaga 1,2 mm śladu, oszczędzając 50% miejsca na desce.

2Zarządzanie cieplne: rozprzestrzenianie i rozpraszanie ciepła
Gęsta miedź działa jako wbudowany radiator ciepła, rozprowadzając ciepło z gorących komponentów (np. mikroprocesory, moc MOSFET):

a.Rozkład ciepła: 2 uncji samolotu miedzianego rozkłada ciepło o 30% skuteczniej niż samolotu 1 uncji, zmniejszając temperaturę gorących punktów o 15-20 °C w konstrukcjach o dużej mocy.
b.Oporność na cykle termiczne: grubsza miedź jest odporna na zmęczenie powtarzającego się ogrzewania i chłodzenia, co jest częstym problemem w PCB samochodowych i kosmicznych.
c.Wykorzystanie LED: wysokiej mocy diody LED (10W+) zamontowane na 2 oz PCB miedziane utrzymują 10 ∼15% dłuższy okres życia niż te na 1 oz płyt, ponieważ ciepło rozprasza się przed dotarciem do połączenia LED.

3Wytrzymałość mechaniczna i trwałość
Grubość miedzi wpływa na zdolność PCB do wytrzymania obciążenia fizycznego:

a. Siła gięciowa: grubsza miedź zwiększa sztywność PCB, dzięki czemu są one bardziej odporne na gięcie w środowiskach przemysłowych.3 oz miedzi PCB jest 40% sztywniejsze niż 1 oz PCB tej samej grubości podłoża.
b. Odporność na drgania: w zastosowaniach motoryzacyjnych lub lotniczych grube ślady miedzi są mniej narażone na pęknięcia w wyniku drgania (według badania MIL-STD-883H).
c. Niezawodność łącznika: podkładki z 2 uncami miedzi są bardziej odporne na zużycie z powtarzających się wstawień łącznika, wydłużając żywotność PCB w urządzeniach konsumenckich.

4Integralność sygnału: kontrola impedancji
W przypadku konstrukcji o wysokiej częstotliwości (500MHz+) grubość miedzi wpływa na impedancję, która jest kluczowa dla integralności sygnału:

a.Dopasowanie impedancji: grubsza miedź zmniejsza opór śladu, ale zmienia również powierzchnię przekroju poprzecznego śladu, wpływając na charakterystyczną impedancję (Z0).Projektanci muszą dostosować szerokość śladu do utrzymania impedancji docelowej (e.np. 50Ω dla śladów RF).
b. Zmniejszenie wpływu na skórę: przy wysokich częstotliwościach prąd przepływa w pobliżu powierzchni śladu (efekt skóry).
c. Wyzwania związane z cienką gęstotą: Cienka miedź (0,5 oz) łatwiej jest wygrawerować w wąskie ślady (≤0,1 mm), co jest niezbędne dla BGA o odległości 0,4 mm w smartfonach.ścieżki sygnału degradacyjnego.

5Koszty i możliwości produkcji
Gęstość miedzi ma bezpośredni wpływ na koszty produkcji i złożoność:

a.Kosty materiałów: 2 uncji PCB miedziana kosztują 15~20% więcej niż deski 1 uncji ze względu na większe zużycie miedzi. Ciężka miedź (3 uncji+) może zwiększyć koszty o 50% lub więcej.
b.Trudność w wytwarzaniu: grubsza miedź wymaga dłuższych czasów wytwarzania, zwiększając ryzyko podcięcia (gdzie wytwarzacz atakuje ślady boków).Ślady 1 mm).
c. Wyzwania związane z laminowaniem: Nierównomierna grubość miedzi w warstwach może powodować zniekształcenie PCB podczas laminowania, zmniejszając wskaźniki wydajności.

Jak wybrać odpowiednią grubość miedzi
Wybór grubości miedzi wymaga zrównoważenia potrzeb aplikacji z ograniczeniami produkcyjnymi.

1. Określ wymagania prądu i mocy
Początkowo należy obliczyć maksymalny prąd w śladach krytycznych (np. w szynach napędowych, sterownikach silnika).

a. IPC-2221 Kalkulator szerokości śladu: Prąd wejściowy, wzrost temperatury i grubość miedzi w celu uzyskania wymaganej szerokości śladu.
b. Oprogramowanie symulacyjne: Narzędzia takie jak Altium lub Cadence symulują przepływ prądu i rozkład ciepła, pomagając w identyfikacji gorących punktów.

Przykład: 12V BMS samochodowy o napięciu 50A wymaga:

1 uncja miedzi: 10 mm szerokości śladu.
2 oz miedzi: 5 mm szerokości śladu.
około 3 uncji miedzi: 3,5 mm szerokości śladu.

2. Ocena potrzeb cieplnych
Jeśli PCB zawiera elementy o dużej mocy (≥ 5 W), należy przyznać pierwszeństwo grubej miedzi:

a.Sterowniki LED: 2 oz miedzi dla diod LED o mocy 10 ̊50 W; 3 oz dla diod LED o mocy 50 W+.
b. Kontrolery silnika: 2 ̊3 oz miedzi do obsługi prądów przełączania.
c. Zasoby zasilania: 3 oz+ miedzi do szyny wejściowo-wyjściowej w konstrukcjach o mocy > 100 W.

3- Rozważyć czynniki mechaniczne i środowiskowe
a.Sztyłe PCB przemysłowe: 2 ̊3 oz miedzi na odporność na drgania.
b.Płynne PCB (Wearables): 0,5 ̊1 oz miedzi w celu utrzymania elastyczności.
c. PCB zewnętrzne/samochodowe: 2 oz miedzi na odporność na cykle termiczne.

4. Wskaźnik złożoności projektowania
a.Komponenty o cienkiej szczelinie (0,4 mm BGA): 0,5 ̊1 oz miedzi, aby umożliwić wąskie ślady (≤ 0,1 mm).
b. Interkonektor o wysokiej gęstości (HDI): 0,5 oz miedzi do mikrovia i ciasnej przestrzeni.
c. Duże samoloty silnikowe: 2 ̊3 oz miedzi, aby zminimalizować spadek napięcia w całej płycie.

5Należy wcześnie skonsultować się z producentem.
Producenci mają specyficzne możliwości dotyczące grubości miedzi:

a. Większość może niezawodnie produkować 0,5 ̊2 uncji miedzi bez problemów.
b. Ciężka miedź (3 oz+) wymaga specjalistycznych linii pokrycia ◄potwierdź dostępność.
c. Zapytaj o minimalną szerokość śladu dla wybranej grubości (np. 0,1 mm dla 1 uncji w porównaniu z 0,2 mm dla 2 uncji).

Grubość miedzi według zastosowania
Różne branże wymagają dostosowanych grubości miedzi, aby sprostać ich wyjątkowym wyzwaniom:
1Elektronika użytkowa
a.Smartfony/Tablety: miedź 0,5 ̊1 oz. Równoważy kompaktowość (drobne ślady) z wystarczającą prądem dla baterii (3 ̊5A).
b. Laptopy: 1 oz miedzi do dostarczania energii; 2 oz w obwodach ładowania (10 ̊15A).
c. telewizory LED: 1 ′′ 2 oz miedzi w sterownikach podświetlenia, aby obsłużyć prądy 5 ′′ 10A.

2. Elektronika motoryzacyjna
a. czujniki ADAS: 1 ̊2 oz miedzi. równoważy integralność sygnału (radar/LiDAR) z umiarkowanymi potrzebami energetycznymi.
b.EV Battery Management: 3 ̊4 oz miedzi dla linii napędowych o wysokim prądzie (50 ̊100 A).
c. Systemy informacyjno-rozrywkowe: 1 uncja miedzi do obwodów audio/wideo o niskiej mocy (≤ 5A).

Standardy motoryzacyjne: IPC-2221/AM1 określają 2 oz minimum miedzi dla PCB pod maską, aby wytrzymać temperatury od -40 °C do 125 °C.

3. Sprzęt przemysłowy
a. Napędy silników: miedź o pojemności 3 ̊4 oz do obsługi prądów silnika o pojemności 20 ̊100 A.
b.PLC (Programmable Logic Controllers): 2 uncje miedzi dla solidnego rozkładu mocy.
c. Inwertery słoneczne: 4 oz+ miedzi do konwersji 200 500A DC-AC.

Badanie przypadku: napęd silnika przemysłowego o mocy 50 A z wykorzystaniem miedzi o pojemności 3 uncji wykazał o 25% niższe temperatury pracy niż ten sam projekt z miedzi o pojemności 1 uncji, wydłużając żywotność części o 3 lata.

4. Urządzenia medyczne
Monitory noszone: 0,5 uncji miedzi dla elastyczności i kompaktowości.
b.Urządzenia do implantacji: 1 oz miedzi (biokompatybilne pokrycie) dla niskiej mocy (≤1A) i niezawodności.
c. Urządzenia do obrazowania (MRI/CT): 2 oz miedzi do obsługi elementów wysokiego napięcia (1000 V+).

Najlepsze praktyki wyboru grubości miedzi
Postępuj zgodnie z poniższymi wskazówkami, aby uniknąć błędów i zoptymalizować swój projekt:
1W miarę możliwości używać standardowych grubości
W większości zastosowań stosuje się 0,5 oz, 1 oz lub 2 oz miedzi.

a.Tańsze w produkcji (bez specjalistycznych procesów).
b. Łatwiej pozyskiwać od producentów.
c. Mniej podatne na problemy z warpage'em lub grawerowaniem.

2. Wyważanie grubości miedzi w warstwach
Nierównomierne rozmieszczenie miedzi (np. 3 oz na warstwie górnej, 1 oz na warstwach wewnętrznych) może powodować wypaczenie PCB podczas laminowania.

a.W przypadku 4-warstwowych PCB: 1 uncja na wszystkich warstwach lub 2 uncje na warstwach zewnętrznych i 1 uncja na wewnętrznych.
b.W przypadku konstrukcji z ciężkiej miedzi: ograniczenie grubości miedzi do 1 ‰ 2 warstw (powietrznych płaszczyzn) w celu zmniejszenia kosztów i zniekształcenia.

3. Zweryfikować z prototypów
Zamów 5 ′′10 prototypowych płyt PCB o wybranej grubości miedzi do testowania:

a.Obciążenie prądem (wykorzystanie zasilania do symulacji maksymalnego prądu i pomiaru wzrostu temperatury).
b. Integralność sygnału (w celu sprawdzenia impedancji użyć analizatora sieci).
c. Wytrzymałość mechaniczna (przetestowanie gięcia elastycznych konstrukcji).

4Wymagania dotyczące dokumentów
Należy podać grubość miedzi w notatkach:

a. Należy określić grubość na warstwę (np. ¢ Górna: 2 oz, Wewnętrzna 1: 1 oz, Wewnętrzna 2: 1 oz, Dolna: 2 oz).
b.Normy IPC referencyjne (np. ′Spokoj IPC-4562 klasa B w zakresie tolerancji grubości miedzi′).
c. Należy zauważyć wszelkie ciężkie obszary miedziane (np. ¥3 oz miedzi w obszarze podkładki napędowej U1).

Powszechne błędy, których należy unikać
1. Nadmierna grubość
Użycie 3 uncji miedzi - tylko dla bezpieczeństwa - zwiększa koszty i złożoność produkcji.

a. Prąd przekracza 20 A w śladach krytycznych.
b.Symulacja termiczna pokazuje gorące punkty o standardowej grubości.

2- Nie docenianie szerokości śladu.
Użyj obliczeń IPC-2221 aby upewnić się, że szerokość śladu pasuje do grubości:

a.Błęd: 1 uncja śladu miedzi przewożącej 10A o szerokości 1 mm wzrośnie o 40°C powyżej poziomu otoczenia, znacznie przekraczając bezpieczne limity.
b.Prawdzenie: Zwiększenie do szerokości 2 mm lub 2 uncji miedzi.

3Ignorowanie potrzeb elastyczności
Gęsta miedź (2 oz +) sprawia, że elastyczne płyty PCB są sztywne i podatne na pęknięcia podczas gięcia.

Użyj 0,5 uncji miedzi.
b. Projektowanie z większym promieńem zakrętu (grubość PCB ≥10x).

4Zaniedbanie kontroli impedancji
Gęstsza miedź zmienia impedancję śladu, powodując odbicie sygnału w konstrukcjach o wysokiej częstotliwości.

a. Dla śladów 50Ω RF na 1 uncji miedzi (substrat FR-4, dielektryczny 0,8 mm): szerokość 0,25 mm.
b.W przypadku 2 uncji miedzi (tego samego podłoża): szerokość 0,18 mm w celu utrzymania 50Ω.

Częste pytania
P: Czy różne warstwy mogą mieć różną grubość miedzi?
Większość producentów zaleca ograniczenie ciężkiej miedzi do warstw zewnętrznych i użycie 1 uncji na warstwach wewnętrznych.

P: Jaka jest maksymalna grubość miedzi w przypadku konstrukcji o cienkim tonie?
Odpowiedź: 1 uncja miedzi jest idealna dla BGA o wysokości 0,4 mm, ponieważ 2 uncje miedzi są trudniejsze do wytrawienia w wąskie ślady (≤ 0,1 mm).

P: Jak grubość miedzi wpływa na wagę PCB?
Odpowiedź: PCB o wymiarach 12×18 z 1 uncją miedzi waży ~100 g; ta sama płyta z 3 uncjami miedzi waży ~300 g. Ważne dla projektowania lotniczego lub noszonego.

P: Czy ciężka miedź (3 uncje +) jest warta kosztów?
Odpowiedź: Dla zastosowań o dużej mocy (≥ 50 A) tak. Zmniejsza szerokość śladu o 50% i poprawia wydajność termiczną, kompensując wyższe koszty produkcji.

P: Jaka jest minimalna grubość miedzi dla płyt PCB zewnętrznych?
Odpowiedź: 1 uncja miedzi jest wystarczająca do większości zastosowań zewnętrznych, ale 2 uncje zaleca się na obszarach przybrzeżnych (spray solny), aby oprzeć się korozji.

Wniosek
Gęstość miedzi PCB jest podstawowym wyborem projektowym, który wpływa na wydajność elektryczną, zarządzanie cieplne i koszty produkcji.W przypadku, gdy użytkownicy są w stanie wykorzystać urządzenia do wytwarzania płytek PCB, w przypadku gdy użytkownicy są w stanie wykorzystać urządzenia do wytwarzania płytek PCB, w przypadku gdy użytkownicy są w stanie wykorzystać urządzenia do wytwarzania płytek PCB, w przypadku gdy użytkownicy są w stanie wykorzystać urządzenia do wytwarzania płytek PCB, w przypadku gdy użytkownicy są w stanie wykorzystać urządzenia do wytwarzania płytek PCB., efektywne kosztowo i zoptymalizowane do przeznaczenia.

Niezależnie od tego, czy projektujesz 0,5 uncji miedzianego urządzenia do noszenia, czy 4 uncji miedzianego napędu silnika przemysłowego, kluczem jest zrównoważenie wymogów wydajności z praktycznymi limitami produkcji.grubość miedzi staje się narzędziem do zwiększenia możliwości PCB, nie ograniczenie.