Guide d'experts 2024: Concevoir des PCB en cuivre lourd pour des applications à courant élevé Conseils, gestion thermique et bonnes pratiques

À l'ère des véhicules électriques, des systèmes d'énergie renouvelable et de l'automatisation industrielle,cartes de circuit électronique à haute puissance pouvant gérer des courants extrêmes sans surchauffe ni défaillanceLes PCB en cuivre lourd, définis par des couches de cuivre de 3 oz (105 μm) ou plus d'épaisseur, sont la solution.la conductivité thermique du cuivreLe marché mondial des PCB en cuivre lourd devrait croître à un TCAC de 8,3% d'ici 2030, entraîné par la demande de groupes motopropulseurs de véhicules électriques, d'onduleurs solaires, de moteurs de circuits imprimés et de moteurs de circuits imprimés.et équipements militaires.

Ce guide détaillé détaille les principes de conception essentiels, les stratégies de gestion thermique et les techniques avancées pour les PCB en cuivre lourd.et les meilleures pratiques de l'industrie, il équipe les ingénieurs et les concepteurs pour créer des cartes fiables et performantes pour des applications à courant élevé.

Les principaux enseignements
1L'épaisseur du cuivre est essentielle: 3 oz de cuivre (105 μm) transportent 2 fois plus de courant que 1 oz (35 μm) et réduisent la montée de chaleur de 40% pour la même largeur de trace.
2.La largeur des traces est conforme aux normes IPC: Utilisez la formule IPC-2221 (ou des calculatrices en ligne) pour mesurer les traces, par exemple, une trace de cuivre de 2 onces a besoin d'une largeur de 20 mil pour 5A (règle circulaire de 500 mil/ampère).
3.La gestion thermique est non négociable: combiner des voies thermiques (diamètre 0,2 à 0,4 mm), des matériaux à haute conductivité thermique (MCPCB) et des dissipateurs de chaleur pour maintenir les températures à < 125 °C.
4Évitez le cuivre trop épais (≥ 10 oz) sans l'apport du fournisseur, car cela peut causer des problèmes de stratification.
5Les techniques avancées améliorent les performances: les barres de bus en cuivre réduisent l'inductivité de 30%, tandis que les conceptions à plusieurs couches répartissent le courant uniformément sur 4 à 12 couches.

Compréhension des PCB de cuivre lourd

Qu'est- ce qu'un PCB au cuivre lourd?
Un PCB en cuivre lourd est défini par ses couches de cuivre épaisses de 3 oz (105 μm) ou plus par rapport aux PCB standard (1 oz/35 μm ou 2 oz/70 μm).
a. Transporter des courants élevés (50A 500A) sans chaleur excessive.
b. Dissipation de la chaleur 3 à 5 fois plus rapidement que les PCB standard.
c. résistent aux contraintes mécaniques (par exemple, aux vibrations dans les véhicules électriques) et aux cycles thermiques.

Critères de définition de base

Principaux avantages des PCB en cuivre lourd
Les PCB en cuivre lourd surpassent les PCB standard dans les scénarios à haute puissance, offrant quatre avantages essentiels:

Applications essentielles pour les PCB en cuivre lourd
Les PCB en cuivre lourd sont indispensables dans les industries où la fiabilité sous courant élevé n'est pas négociable:

Exemple: Le modèle 3 BMS de Tesla utilise des PCB en cuivre de 6 onces pour gérer des courants de plus de 400 V, réduisant les pannes liées à la chaleur de 70% par rapport aux modèles antérieurs avec des PCB standard.

Considérations de conception essentielles pour les PCB en cuivre lourd
La conception de PCB en cuivre lourd nécessite un équilibre entre la capacité de courant, la gestion thermique et la fabrication.
1Choisir la bonne épaisseur de cuivre
L'épaisseur du cuivre a un impact direct sur la capacité de charge du courant, la dissipation de chaleur et la complexité de fabrication.

Épaisseur de cuivre par rapport aux performances

Facteurs clés à prendre en considération pour mesurer le cuivre
a.Exigences actuelles: Utilisez la règle des 500 mils circulaires par ampère (1 mil circulaire = 0,001 mil2) pour des estimations rapides, par exemple, 5A a besoin de 2 500 mils circulaires (largeur 20 mil × épaisseur 70 μm/2 oz).
b.Limites d'élévation de chaleur: les normes industrielles permettent une élévation de chaleur de 30 à 40 °C; les applications critiques (par exemple médicales) nécessitent une élévation de chaleur de moins de 20 °C. Un cuivre plus épais réduit exponentiellement l'élévation de chaleur.
c. Fabricabilité: le cuivre ≥ 10 oz nécessite un revêtement spécialisé (par exemple, galvanoplastie du portique) et une stratification.
d.Cost: Chaque once de cuivre ajoute environ 15 à 20% au coût des PCB. Évitez de trop spécifier (par exemple, 6 oz pour une application 10A) pour économiser de l'argent.

Conseils d'outil: Utilisez les circuits imprimés ANSYS ou SolidWorks pour simuler le débit de courant et la hausse de chaleur. Ces outils optimisent l'épaisseur du cuivre pour vos besoins exacts.

2. Calcul des largeurs de trace pour le courant élevé
La largeur de trace est le paramètre de conception le plus critique pour les PCB en cuivre lourd: trop étroit, et la carte surchauffe; trop large, et cela gaspille de l'espace.

Formule de largeur de trace IPC-2221
Je = k × ((ΔT 0,44)) × W 1,0 × t 0.725
Où:
I: courant en ampères (A)
ΔT: Hausse de température admissible (°C)
W: largeur de trace en mils (1mil = 0,0254 mm)
t: épaisseur du cuivre en oz/ft2
k: constante (variant selon l'épaisseur du cuivre: 0,048 pour 1 oz, 0,064 pour 2 oz, 0,078 pour 3 oz)

Exemple de calcul

Conseils de conception de traces critiques
a. Traces extérieures par rapport aux traces intérieures: les traces extérieures se refroidissent 30% plus rapidement que les traces intérieures (exposées à l'air)
b.Forme des traces: éviter les angles acérés (> 90°) et utiliser des coins arrondis pour réduire le surpeuplement du courant (cause des points chauds).
c. Traces parallèles: pour les courants > 100 A, utiliser 2 ′4 traces parallèles (espacées ≥ 3 fois la largeur des traces) pour distribuer le courant uniformément.

3Gérer l' expansion thermique et le stress
Les PCB en cuivre lourd sont sujets à des contraintes thermiques dues à des coefficients de dilatation thermique (CTE) incohérents entre le cuivre (17 ppm/°C) et le FR4 (13 ppm/°C).ou de déformation de planche, en particulier pendant le cycle thermique (-40°C à +125°C).

Stratégies pour réduire le stress thermique

Point de données: un PCB en cuivre lourd avec des voies thermiques et un FR4 à TG élevé présente un taux de défaillance 60% inférieur lors du cycle thermique qu'une conception standard.

4. Assurer la fabrication
Les PCB en cuivre lourd sont plus complexes à fabriquer que les cartes standard. Suivez ces lignes directrices pour éviter les retards et les défauts:
a.Évitez le cuivre trop épais: le cuivre ≥ 10 oz nécessite une stratification spécialisée (presse sous vide + haute température) et peut augmenter le délai de 2 à 3 semaines.
b.Espace minimum entre les traces: utiliser un espacement ≥ 10 mil pour 3 oz de cuivre (contre 6 mil pour 1 oz) pour éviter les courts-circuits pendant la gravure.
c. Contrôle de la stratification: Travailler avec les fournisseurs en utilisant l'électroplatage du portique ou le coulé horizontal du cuivre pour assurer une épaisseur uniforme du cuivre.
d.Conception pour les essais: ajouter des points d'essai le long des chemins à courant élevé pour vérifier la continuité et le débit de courant sans endommager la planche.

Meilleures pratiques pour la gestion thermique des PCB en cuivre lourd
La chaleur est le plus grand ennemi des PCB à courant élevé – des températures incontrôlées réduisent la durée de vie des composants et provoquent des pannes soudaines.

1Les voies thermiques: le fondement de la dissipation thermique
Les voies thermiques sont de petits trous (0,2 ∼ 0,4 mm) recouverts de cuivre qui transférent la chaleur de la couche supérieure à la couche inférieure (ou plancher)..

Lignes directrices de conception de la voie thermique

Comparaison des performances par voie thermique

2. Matériaux à haute conductivité thermique
Le substrat de PCB joue un rôle essentiel dans la dissipation de chaleur ◄ et la mise à niveau du FR4 standard vers ces matériaux pour les applications à courant élevé:

Exemple: un MCPCB en cuivre avec 4 onces de cuivre réduit la hausse de chaleur de 45% par rapport à un PCB FR4 standard pour la même application 50A.

3. Placement stratégique des composantes
La disposition des composants a une incidence directe sur les performances thermiques.
a. Parties à haute puissance à dispersion: MOSFETs, IGBT et transformateurs spatiaux séparés par ≥ 5 mm pour éviter l'accumulation de chaleur.
b.Composants sensibles distincts: conserver les circuits intégrés de commande (par exemple, les microcontrôleurs) à une distance ≥ 10 mm des traces de courant élevé afin d'éviter les dommages thermiques.
c.Aligner avec les voies de refroidissement: placer les composants chauds sur les voies thermiques ou les noyaux métalliques pour maximiser le transfert de chaleur.
d.Éviter les croisements de traces: tracer des traces de courant élevé à 90° (pas parallèles) pour réduire le chauffage mutuel.

4- Égoutteurs et coussins thermiques
Pour les courants > 100 A ou les composants dont la dissipation de puissance est > 5 W, ajouter le refroidissement externe:
a.Réservoirs thermiques: fixer des dissipateurs de chaleur en aluminium ou en cuivre à des composants chauds à l'aide d'une pâte thermique (conductivité thermique: 1 ‰ 4 W/mK). Calculer la taille du dissipateur selon la formule:
Tj=T a + ((R ja ×P)
où Tj = température de jonction, T a = température ambiante, R ja = résistance thermique (°C/W), P = dissipation de puissance (W).
b.Coussins thermiques: utiliser des coussins thermiques en silicone ou en graphite (conductivité thermique: 1 ‰ 10 W/mK) pour combler les espaces vides entre les composants et les dissipateurs de chaleur ‰ idéal pour les surfaces irrégulières.
c. Refroidissement par air forcé: ajout de ventilateurs pour les équipements industriels fonctionnant à des températures ambiantes élevées (> 40°C).

Conseil: un dissipateur de chaleur en aluminium de 20 mm × 20 mm × 10 mm réduit de 40 °C la température de jonction d'un composant de 10 W.

Techniques avancées pour les applications à courant élevé
Pour les courants extrêmes (100A+) ou les conceptions complexes, utilisez ces méthodes avancées pour améliorer les performances et la fiabilité.

1. Barres de bus en cuivre pour le débit de courant à faible inductance
Les barres d'alimentation en cuivre sont des bandes de cuivre épaisses et plates (larges de 10 mm et épaisses de 3 mm) intégrées au PCB pour transporter des courants ultra-hauts.
a.Faible inductance: réduire de 30% les pics de tension et l'EMI par rapport aux traces standard, ce qui est essentiel pour les onduleurs électriques.
b.Capacité de courant élevée: une barre de cuivre de 10 mm × 2 mm transporte 200 A avec une augmentation de chaleur de 40 °C.
c.Assemblage simplifié: remplacer plusieurs traces parallèles par une barre de bus, ce qui réduit les points de soudure et les risques de défaillance.

Conseils de conception de barres de roulement en cuivre
a.Épaisseur: utiliser une épaisseur ≥ 1 mm pour les courants > 100 A afin de minimiser la résistance.
b.Montage: fixer les barres d'arrêt avec des points d'arrêt isolés pour éviter les courts-circuits.
c. plaquage: plaque d'étain ou de nickel pour prévenir l'oxydation et améliorer la soudabilité.

2. Blocs de bornes pour les connexions sécurisées
Les blocs de bornes fournissent des connexions sûres et fiables pour les fils à courant élevé (par exemple, 10AWG4AWG). Sélectionnez des blocs de bornes basés sur:
a.Current nominal: choisir des blocs avec un courant nominal 1,5 fois supérieur au courant maximum (par exemple, blocs de 75 A pour les applications de 50 A).
b.Gamme de fil: faire correspondre la taille du bloc à l'épaisseur du fil (par exemple, le fil 6AWG a besoin d'un bloc terminal d'une capacité de 16 mm2).
c.Montage: utilisez des terminaux à vis ou à ressort pour la résistance aux vibrations (critique pour les véhicules électriques et les équipements industriels).

3. PCB en cuivre lourd à couches multiples
Les conceptions multicouches (4 ′′ 12 couches) distribuent le courant à travers plusieurs couches de cuivre, réduisant la largeur des traces et l'augmentation de la chaleur.
a.Plaines d'alimentation et de mise à la terre: utiliser 2 à 4 couches comme plans d'alimentation/de mise à la terre dédiés pour répartir le courant uniformément.
b.Plage de couches: placer les couches de cuivre symétriquement (par exemple, puissance → signal → terre → signal → puissance) pour réduire la déformation.
c. Via Stitching: connectez les plans puissance/terre avec des voies (0,3 mm, 50 mil pitch) pour améliorer la distribution du courant et réduire l'inductivité.

Exemple: un PCB en cuivre lourd à 6 couches avec des plans de puissance de 4 oz transporte 150 A avec une augmentation de chaleur de 30 °C, ce qu'une carte à 2 couches ne pourrait réaliser qu'avec des traces peu larges (100 mil +).

Pourquoi s'associer à un fabricant spécialisé de PCB en cuivre lourd
La conception de PCB en cuivre lourd n'est que la moitié de la bataille, la précision de fabrication est essentielle.
a.Certifications IPC: IPC 610 classe 3 (qualité la plus élevée) et IPC 2221 pour la taille des traces.
b. Équipement spécialisé: galvanoplastie de grille, stratification sous vide et perçage laser pour les petites voies.
c.Expertise en matière de matériaux: expérience des MCPCB, des substrats de cuivre et du cuivre épais (jusqu'à 20 oz).
d. Capacités d'essai: imagerie thermique, test du débit de courant et cycle thermique pour valider les performances.
e. Personnalisation: Possibilité de personnaliser l'épaisseur du cuivre, le masque de soudure et les finitions (ENIG, HASL) en fonction de votre application.

Étude de cas: Une société d'énergie renouvelable s'est associée à un fabricant de classe 3 IPC 610 pour produire des PCB en cuivre lourd de 6 onces pour les onduleurs solaires.Les cartes ont réduit les pannes liées à la chaleur de 80% et amélioré l'efficacité de l'onduleur de 3%.

FAQ: Questions fréquemment posées sur les PCB en cuivre lourd
1. Quelle est l'épaisseur maximale du cuivre pour les PCB en cuivre lourd?
La plupart des fabricants proposent jusqu'à 20 oz (700 μm) de cuivre pour des applications extrêmes (par exemple, radar militaire, équipement de soudage).Un cuivre plus épais (> 20 oz) est possible, mais nécessite des outils personnalisés et des délais plus longs.

2Les PCB en cuivre lourd peuvent-ils être utilisés dans des applications à haute fréquence?
Le cuivre épais réduit l'impédance (critique pour les signaux à haute fréquence), mais nécessite une conception soignée des traces pour éviter les pertes de signal.Polar Instruments) pour optimiser la largeur de trace et l'espacement pour l'impédance 50Ω/75Ω.

3Comment équilibrer le coût et les performances des PCB en cuivre lourd?
a. Utilisez l'épaisseur minimale de cuivre nécessaire pour vos besoins actuels (par exemple, 3 oz au lieu de 6 oz pour 30A).
b. Limitez les conceptions multicouches à 4 à 6 couches, sauf si > 100 A est requis.
c. Choisissez un MCPCB en FR4 ou en aluminium au lieu d'un MCPCB en cuivre pour les projets à faible coût.

4Quelles sont les défaillances courantes des PCB en cuivre lourd?
a. Délamination: causée par une mauvaise stratification (pression/température insuffisante) ou une épaisseur de cuivre excessive.
b.Levé des tampons: en raison de la contrainte thermique due à l'inadéquation des CTE, le problème est résolu avec des tampons à larmes et des voies thermiques.
c. Erreurs de gravure: sous-coupe ou sur-grave du cuivre épais ◄ utiliser un fabricant disposant de procédés de gravure contrôlés.

Conclusion: Les PCB en cuivre lourd sont l'épine dorsale de l'électronique de haute puissance

Comme l'électronique exige des courants plus élevés et une plus grande fiabilité, les PCB en cuivre lourd sont devenus indispensables.dissipent efficacement la chaleur, et résistent à des conditions difficiles les rendent le meilleur choix pour les applications de haute puissance.
La clé de la conception réussie de PCB en cuivre lourd réside dans:
a.Épaisseur de cuivre adaptée pour équilibrer la capacité et le coût actuels.
b.Calculs précis de la largeur des traces à l'aide de normes IPC pour éviter la surchauffe.
c.Gestion thermique complète (via thermiques, matériaux à haute température, dissipateurs de chaleur).
d.Possibilité de fabrication: partenariat avec des fournisseurs certifiés IPC pour éviter les défauts.

À l'avenir, les PCB en cuivre lourd joueront un rôle encore plus important dans la transition vers l'énergie propre et la mobilité électrique.les alliages de cuivre à plus grande conductivité et les systèmes de refroidissement intégrés amélioreront davantage les performances tout en réduisant la taille et le coût.

Pour les ingénieurs et les concepteurs, maîtriser la conception de PCB en cuivre lourd n'est plus une option, mais une nécessité pour rester compétitifs sur le marché de l'électronique haute puissance.En suivant les principes énoncés dans ce guide, vous pouvez créer des cartes fiables, efficaces et conçues pour répondre aux exigences de la technologie de demain.