Verständnis der Leiterplattencupr-Dicke: Standards und Umrechnungen

Wenn es um die Kupferdicke geht, gibt es nur begrenzte Optionen bei den Fertigungshäusern. Wenn Designer die Stromtragfähigkeit einer Leiterbahn erhöhen müssen, ohne sie breiter zu machen, wird das Kupfergewicht oder die Dicke in der lateralen Dimension erhöht. Es gibt nur wenige Optionen, und die meisten Hersteller haben eine Standarddicke. Die Auswahl des Kupfers hängt von der Stromversorgung, der Signalübertragung und dem Wärmemanagement ab. Breite und Länge der Kupferbahnen sind für Designer immer ein Thema, denn wenn die Leiterbahnen zu dünn sind, können sie bei hohem Strom durchbrennen. Zu dick, und der Ätzprozess wird zu einem teuren Albtraum. Irgendwo dazwischen liegt der Sweet Spot. In diesem Artikel werden wir einige Standards, Messmethoden und Einheitenumrechnungen im Zusammenhang mit Kupferdicke betrachten.

Was ist die Kupferdicke auf PCBs?

Einfach ausgedrückt ist die Kupferdicke auf einer Leiterplatte die Höhe der Kupferschicht, die auf das Laminat einer Leiterplatte aufgebracht wird. Sie kann in drei verschiedenen Einheiten ausgedrückt werden:

1. Mikrometer (µm)

2. Mils (1 mil = 0,001 Zoll)

3. Unzen pro Quadratfuß (oz/ft²)

Unzen werden als Industriestandard verwendet, da PCB-Hersteller historisch gesehen Kupfer nach Gewicht über eine Fläche von einem Quadratfuß gemessen haben.

1 oz/ft² ≈ 35 μm ≈ 1,37 mils.

Das bedeutet, dass eine 1-Unzen-Kupfer-Leiterplatte eine Dicke von etwa 35 µm hat.

Wie man die Kupferdicke auf PCBs misst

Es gibt zwei Hauptkontexte für die Messung der Kupferdicke:

1. Vor der Fertigung: Wir geben die Dicke beim Hersteller an (z. B. 1 oz). Hersteller liefern Laminatplatten, die bereits mit Basiskupfer beschichtet sind.

2. Nach der Fertigung: Die tatsächliche Dicke der Leiterplatte wird bestimmt; die Dicke steigt, da während der Durchkontaktierungen Kupfer aufplattiert wird. Die Messung erfolgt mittels Querschnittsanalyse (Schneiden eines PCB-Schnitts und Messung unter einem Mikroskop). Wir können auch Oberflächenprofilometrie für genauere und präzisere Ergebnisse verwenden. Die fertige Kupferdicke ist immer etwas höher als das Basiskupfer aufgrund der Plattierung.

Standard-Kupferdickenwerte auf PCBs

Die Kupferdicken auf Leiterplatten sind in der Regel standardisiert, um die Fertigung zu vereinfachen. Einige der gängigen Werte sind:

• 0,5 oz (17 µm) – Wird häufig für feinpitchige Innenlagen in Multilayer-PCBs verwendet.

• 1 oz (35 µm) – Industriestandard für die meisten Leiterplatten.

• 2 oz (70 µm) – Leistungselektronik, Automobil- und Industrieplatinen.

• 3 oz (105 µm) und mehr – Schwerkupfer-Leiterplatten für Hochstromanwendungen.

Die folgende Tabelle orientiert sich an IPC-6012, die Annahmekriterien und Toleranzen für die fertige Kupferdicke definiert.

Wie die Anzahl der Lagen die Kupferdicke beeinflusst

Der Unterschied in der Kupferdicke zwischen den Außen- und Innenlagen zeigt sich beim Wechsel von einer 2-lagigen Leiterplatte zu einer mehrlagigen. Typischerweise wird 1 oz Kupfer für die Ober- und Unterseite verwendet, und bei kompakten Power-Boards kann 2 oz eingesetzt werden. Innenlagen verwenden 0,5 oz Kupfer, um Platz zu sparen und die Herstellbarkeit zu gewährleisten.

Je mehr Lagen, desto mehr Kupfer wird auf der Platine verwendet, und dickeres Kupfer erfordert ein dickeres und höheres Dielektrikum zur Isolation. Der größere Abstand zwischen den Lagen kann zu Impedanzabweichungen und höheren Gesamtkosten führen. Insgesamt erhalten wir jedoch eine bessere Wärmeableitung und thermische Leitfähigkeit.

Warum Kupferdicke wichtig ist (praktische Auswirkungen)

1. Stromtragfähigkeit: Je dicker das Kupfer, desto höher ist der Strom, den es ohne Überhitzung unterstützen kann. Die Dicke kann nach IPC-2152 gewählt werden.

2. Wärmemanagement: Zusätzliches Kupfer hilft, die Wärme von Leistungskomponenten zu verteilen, und macht die Leiterplatte für Automobilanwendungen steifer.

3. Signalqualität & Impedanz: Leiterbahnlänge, -breite, -abstand und -dicke bestimmen die Impedanz eines Stromkreises und einer Leiterbahn; für bessere Signalqualität muss das Kupfergewicht bei der Gestaltung berücksichtigt werden.

4. Mechanische Festigkeit: Mehr Kupfer bedeutet bessere Festigkeit der Leiterplatte und insgesamt stabilere Platinen.

5. Kosten und Herstellbarkeit: Dickeres Kupfer ist teurer aufgrund längerer Ätz- und Plattierungszeiten. Feine Pitch-Routing wird schwieriger, wenn das Kupfer dicker wird.

Was ist Kupferbalancierung:

Wenn die Kupferverteilung auf der Platine ungleichmäßig ist, kann dies während der Fertigung Probleme verursachen, insbesondere während der Plattierungs- und Ätzprozesse. Bereiche mit dichtem Kupfer können sich anders verhalten als dünn belegte Bereiche, was zu Verformungen oder Verdrehungen führen kann. Hier kommt die Kupferbalancierung ins Spiel. Der Prozess beinhaltet die Anpassung der Kupferverteilung auf der Leiterplatte, sodass beide Seiten und verschiedene Bereiche eine gleichmäßigere Kupferabdeckung aufweisen. Designer fügen oft „Dummy-Kupfer“ oder gemusterte Füllungen in Bereichen mit geringer Dichte ein, die elektrisch nicht verbunden sind. Ziel ist es, die Kupferdicke aus Fertigungssicht auszugleichen, ohne das Schaltungsverhalten zu verändern.

Was sind Kupferflächen (Copper Pours):

Eine Kupferfläche ist im Wesentlichen ein großer, durchgehender Kupferbereich, der ungenutzte Flächen auf einer PCB-Lage füllt. Anstatt die nicht belegten Bereiche als nacktes Substrat zu belassen, „gießen“ Designer Kupfer über diese Bereiche. Die Verbindung erfolgt zu einem bestimmten Netz und ist oft geerdet. Dieses gegossene Kupfer erfüllt mehrere Zwecke: Elektrisch senkt es die Gesamtimpedanz von Rückleitungspfaden und verbessert die Signalqualität durch die Schaffung einer breiten Referenzfläche. Außerdem unterstützt es das Wärmemanagement. Ein größerer Kupferbereich kann Wärme von Komponenten ableiten und effizienter dissipieren. Aus Fertigungssicht minimiert die Verwendung von Kupferflächen die Menge an Kupfer, die während der Herstellung geätzt werden muss.

Fazit:

Aus dem Artikel wird klar, dass die Kupferdicke auf den ersten Blick eine kleine Spezifikation beim Bestellen einer Leiterplatte zu sein scheint. In Wirklichkeit bestimmt sie jedoch die Stromtragfähigkeit Ihrer Platine, wie gut sie Wärme ableitet und wie zuverlässig sie im Einsatz ist. Für Studenten ist es wichtig, die Einheitenumrechnung und IPC-Standards zu verstehen. Das nächste Mal, wenn Sie eine Leiterplatte konfigurieren, klicken Sie nicht einfach standardmäßig auf „1 oz“. Fragen Sie sich: Benötigt mein Design mehr Kupfer, um Strom oder Wärme zu bewältigen? Wird dickeres Kupfer die Impedanz oder Herstellbarkeit beeinflussen? Sie können die Dicke jederzeit basierend auf Strom, Länge und Breite der Leiterbahn aus Sicht der Signalqualität berechnen.

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