Conception de PCB en cuivre lourd pour des applications à courant élevé: un guide complet

Des images anthroisées par les clients

Dans l'électronique de haute puissance, des onduleurs des véhicules électriques aux moteurs industriels, les PCB de cuivre standard de 1 oz sont insuffisants.Ces systèmes exigent des PCB capables de gérer des courants de 30 à 200 A sans surchauffe, résister au cycle thermique et maintenir l'intégrité du signal.Ils sont conçus pour résoudre les défis uniques de la conception de courant élevé.

La conception de PCB en cuivre lourd ne consiste pas seulement à utiliser du cuivre plus épais, elle nécessite une considération attentive de la géométrie des traces, de la compatibilité des matériaux, de la gestion thermique et de la fabrication.Ce guide décrit les principes essentiels de la conception de PCB en cuivre lourd pour les applications à courant élevé, de la sélection des matériaux aux meilleures pratiques de mise en page, et explique comment éviter les pièges courants.Cette ressource vous aidera à créer des, des planches de haute performance.

Les principaux enseignements
1Les traces de cuivre lourd (3 oz +) supportent 2 ̊5 fois plus de courant que le cuivre standard de 1 oz: une trace de 3 oz (105 μm) supporte 30 A, tandis qu'une trace de 10 oz (350 μm) supporte 80 A dans la même largeur.

2Les facteurs de conception essentiels comprennent la largeur/épaisseur des traces (conformément aux normes IPC-2221), les modèles de relief thermique (réduction des points chauds de 40%),et par remplissage (les voies en cuivre solide transportent 3 fois plus de courant que les voies plaquées).

3Les substrats à haute Tg (≥ 170 °C) et les stratifiés remplis de céramique ne sont pas négociables pour les conceptions à courant élevé, car ils résistent à des températures de fonctionnement supérieures à 150 °C.

4Comparativement aux PCB standard, les conceptions en cuivre lourd réduisent la résistance thermique de 60% et prolongent la durée de vie des composants de 2 à 3 fois dans les systèmes à haute puissance.

Qu'est-ce qui rend les PCB en cuivre lourd idéaux pour les applications à courant élevé?
Les circuits à courant élevé génèrent une chaleur significative (par loi de Joule: P = I2R), et les PCB standard ont du mal à dissiper cette énergie.

a.Résistance électrique réduite: un cuivre plus épais réduit la résistance (R = ρL/A, où A = surface de la section transversale), minimisant les pertes de puissance et la production de chaleur.Une trace de cuivre de 3 oz a 66% moins de résistance qu'une trace de 1 oz de la même largeur.
b. Conductivité thermique supérieure: la conductivité thermique du cuivre (401 W/m·K) est 1 300 fois supérieure à celle du FR4 (0,3 W/m·K).diffuser la chaleur loin des composants tels que les IGBT et les MOSFET.
c. Durée de vie mécanique améliorée: le cuivre épais (en particulier 5 oz +) résiste à la fatigue due au cycle thermique (-40 °C à 125 °C) et aux vibrations, réduisant les traces de fissuration, un point de défaillance courant dans les PCB standard.

Épaisseur de cuivre lourd par rapport à la capacité de transport de courant
La relation entre l'épaisseur du cuivre et le courant n'est pas linéaire.Vous trouverez ci-dessous une référence pratique pour les conceptions de courant élevé (basée sur IPC-2221 et les essais de l'industrie, en supposant une température ambiante de 25 °C et une longueur de trace de 10 cm):

Note: Pour les courants > 100 A, utiliser des traces parallèles (par exemple, deux traces de 10 oz, 1,5 mm pour 200 A) pour éviter une largeur de trace excessive et des problèmes de fabrication.

Principes de conception critiques pour les PCB en cuivre lourd
La conception de PCB en cuivre lourd pour un courant élevé nécessite un équilibre entre les performances électriques, la gestion thermique et la fabrication.

1. Calculer la largeur et l'épaisseur de la trace pour le courant cible
La base de la conception d'un courant élevé est la taille des traces pour gérer le courant attendu sans surchauffe.

a.Suivre les normes IPC-2221: la spécification IPC-2221 fournit des formules pour la largeur des traces en fonction du courant, de la hausse de température et de l'épaisseur du cuivre.Pour une augmentation de température de 10 °C (commun dans les conceptions à haute fiabilité):
3 oz de cuivre: 0,8 mm de large = 25A
5 oz de cuivre: 0,8 mm de large = 38A
b.Prise en compte de la température ambiante: dans les environnements chauds (par exemple, les compartiments des moteurs de véhicules électriques, 85°C), dérater le courant de 30 à 40% (voir tableau ci-dessus).
c.Évitez les surdimensionnements: alors qu'un cuivre plus épais est préférable pour le courant, le cuivre de 15 oz+ devient difficile à graver et à stratifier à 10 oz maximum pour la plupart des applications commerciales.

Recommandation d'outil: Utilisez des calculatrices en ligne telles que le calculateur de largeur de trace de PCB (de Sierra Circuits) ou l'outil de notation de courant intégré d'Altium pour valider la dimension.

2. Priorisation de la gestion thermique
Même avec du cuivre épais, les composants à courant élevé (par exemple, les IGBT, les résistances de puissance) créent des points chauds.

a. Pads de soulagement thermique: connecter les composants d'alimentation à des plans de cuivre lourds à l'aide de modèles de soulagement thermique/pads à fente qui équilibrent le transfert de chaleur et la soudabilité.Un tampon de soulagement thermique de 5 mm × 5 mm pour un composant TO-220 réduit la température du point chaud de 40% par rapport. un coussin solide.
b.Plaines de cuivre pour la propagation de la chaleur: Utilisez des plans de cuivre de 3 ̊5 oz (pas seulement des traces) sous les composants de puissance.
c. Vias thermiques: ajouter des voies thermiques remplies de cuivre (diamètre de 0,3 à 0,5 mm) autour des composants chauds pour transférer la chaleur vers les plans intérieur/extérieur.Les voies spatiales séparées de 1 à 2 mm pour une efficacité maximale réduisent la température des composants de 15 à 20 °C.
d.Évitez les contractions des traces: le rétrécissement d'une trace de 10 oz de 1,5 mm à 0,8 mm pour un connecteur crée un goulot d'étranglement, augmentant la température de 25 °C. Utilisez des rétrécissements progressifs (ratio 1:3) si des changements de largeur sont nécessaires.

Étude de cas: Une alimentation industrielle de 50 A utilisant des plans en cuivre de 5 oz et 12 voies thermiques a réduit la température de jonction IGBT de 120 °C à 85 °C, prolongeant la durée de vie des composants de 3 ans à 7 ans.

3Optimiser la conception pour un courant élevé
Les voies sont souvent négligées dans la conception de courants élevés, mais elles sont essentielles pour relier les couches et transporter le courant:

a.Utilisez des voies remplies de cuivre: les voies standard plaquées (25 μm de cuivre) portent 10 15 A; les voies remplies de cuivre (noyau solide en cuivre) portent 30 50 A, selon le diamètre.5 mm remplis via des supports 35A ̇ idéal pour les interconnexions EV BMS.
b.Augmenter le diamètre de la voie: pour les courants > 50 A, utiliser plusieurs voies (par exemple, quatre voies remplies de 0,5 mm pour 120 A) ou des voies plus grandes (diamètre de 0,8 mm = 50 A par voie remplie).
c.Évitez les tuyaux viables: les tuyaux viables non utilisés (généraux dans les voies traversantes) créent des déséquilibres d'impédance et de la chaleur.

4. Sélectionnez Matériel compatible
Les PCB en cuivre lourd nécessitent des matériaux qui résistent à des températures élevées et à des contraintes mécaniques:

a.Substrate (matériau de base):
FR4 à Tg élevé (Tg ≥ 170°C): Standard pour la plupart des conceptions à courant élevé (par exemple, EV BMS).
FR4 rempli de céramique (par exemple, Rogers RO4835): une conductivité thermique de 0,6 W/m·K (2 fois supérieure au FR4 standard) le rend idéal pour les systèmes 70A+ tels que les onduleurs solaires.
PCB à noyau métallique (MCPCB): combiner du cuivre lourd avec un noyau en aluminium/cuivre pour une conductivité thermique de 1 ‰ 5 W/m·K ‰ utilisé dans les capteurs LED à haute puissance et les modules de charge de véhicules électriques.
b.Type de feuille de cuivre:
Le cuivre électrolytique: rentable pour les épaisseurs de 3 ̊7 oz; adapté à la plupart des applications.
Copper laminé: plus de ductilité (résiste à la fissuration) pour les PCB en cuivre et en cuivre lourd flexibles de 10 oz + (par exemple, les câbles de charge EV pliables).
c. Masque de soudure: utilisez un masque de soudure à haute température (Tg ≥ 150°C) tel que DuPont PM-3300, qui résiste à un reflux à 260°C et empêche l'oxydation du cuivre.

Tableau de comparaison des matériaux:

5. Mise en page des meilleures pratiques pour la fabrication
Le cuivre lourd (en particulier 7 oz +) est plus difficile à graver et à stratifier que le cuivre standard.

a.Espace entre les traces: maintenir une largeur de trace ≥ 2x entre les traces de cuivre lourd pour éviter les problèmes de gravure.
b.Espace libre entre les bords: conserver des traces de cuivre lourd ≥ 1,5 mm des bords du PCB afin d'éviter la délamination lors de la stratification.
c.Compensation de l'effraction: le cuivre lourd affraie plus lentement·ajoutez 0,05 mm à la largeur des traces dans votre conception pour tenir compte de la perte d'effraction (par exemple, concevez une trace de 1,05 mm pour une largeur finale de 1,0 mm).
Placement des composants: éviter de placer les composants SMD (par exemple, les résistances 0402) à moins de 2 mm des traces de cuivre lourd. La chaleur de la trace peut endommager les petits composants pendant le soudage.

Erreur de mise en page contre Tableau de solution:

Stratégies de conception avancées pour les systèmes à courant ultra-haute (100A+)
Pour les systèmes tels que les onduleurs électriques (150A+) et les redresseurs industriels (200A+), la conception de base en cuivre lourd ne suffit pas.

1Routage parallèle.
Au lieu d'une seule trace de largeur (par exemple, 3 mm 10 oz), utilisez 2?? 4 traces parallèles (par exemple, deux traces de 1,5 mm 10 oz) pour:

a. Réduire la difficulté de gravure (les traces larges sont sujettes à la sous-coupe).
b. Améliorer la distribution du courant (les traces parallèles minimisent les variations de résistance).
c. Permettre un placement plus facile des composants (des traces plus étroites libèrent de l'espace à bord).

Règle de base: les traces parallèles d'espace ≥ 1 fois leur largeur pour éviter le chauffage mutuel ̇ deux traces de 1,5 mm de 10 oz espacées de 1,5 mm portent 160 A (contre 80 A pour une trace de 1,5 mm).

2. Intégration des bus bars
Pour les courants 200A+, intégrer des barres de bus en cuivre lourd (15 oz + de cuivre, 2 ′′ 3 mm d'épaisseur) dans le PCB:

a. Les barres de bus agissent comme des "autoroutes électriques", transportant le courant à travers le circuit sans aucune trace de limitation.
b. Fixer les barres de bus au PCB par des voies remplies de cuivre (diamètre 0,8 mm, espacé de 5 mm) pour assurer une stabilité mécanique et électrique.

Exemple: Un moteur industriel de 250 A utilise une barre de bus en cuivre de 20 oz avec 12 voies remplies, réduisant la perte de puissance de 25% par rapport à une conception à trace uniquement.

3. Matériaux d'interface thermique (TIM)
Accoupler des PCB en cuivre lourd avec des TIM pour transférer la chaleur vers des dissipateurs de chaleur externes:

a.Utiliser une graisse thermique (conductivité thermique 3 ‰ 6 W/m·K) entre le PCB et le dissipateur thermique pour les systèmes 50 ‰ 100 A.
b.Pour les systèmes 100A+, utilisez des coussinets thermiques (par exemple, le coussinet de Bergquist Gap Pad) avec une conductivité de 8 ‰ 12 W/m·K – ils remplissent les espaces vides et gèrent une pression plus élevée.

Impact: un onduleur électrique de 100 A avec un TIM réduit la température des PCB de 20 °C par rapport à l'absence de TIM, ce qui prolonge la durée de vie de l'onduleur de 3 fois.

Des pièges courants et comment les éviter
Même les concepteurs expérimentés font des erreurs avec les PCB en cuivre lourd.
1. Sous-estimer la hausse des températures
Trap: l'utilisation d'une trace de 3 oz et 1,0 mm pour 35 A (excédant son indice de 30 A) entraîne une augmentation de la température de 30 °C et une trace d'oxydation.
Correction: Utilisez une trace de 5 oz, 1,0 mm (45A) ou une trace de 3 oz, 1,2 mm (35A) pour maintenir la hausse de température <10 °C.

2Ignorer le stress du cycle thermique
Enjeu: le cuivre épais (10 oz +) et le FR4 standard ont des coefficients de dilatation thermique (CTE) incompatibles, ce qui provoque une fissuration après 500 cycles thermiques.
Correction: Utilisez du cuivre laminé (ductilité plus élevée) et du FR4 à TG élevé (CTE plus proche du cuivre) pour résister à plus de 1 000 cycles.

3Une mauvaise rétention thermique.
piège: le raccordement d'un plan de cuivre de 5 oz à un composant avec un tampon solide retient la chaleur, entraînant une défaillance de la soudure.
Correction: Utilisez un tampon de soulagement thermique avec 4 à 6 fentes (chacune de 0,2 mm de large) pour équilibrer le transfert de chaleur et la soudabilité.

4. Surplombant la soudabilité
Enjeu: les traces de cuivre de plus de 10 oz ont une grande masse thermique, ce qui provoque un refroidissement trop rapide de la soudure et la formation de joints froids.
Correction: préchauffer le PCB à 120 °C pendant le soudage et utiliser une soudure à haute température (par exemple, SAC305, point de fusion 217 °C) avec un profil de reflux plus long.

Applications réelles des PCB en cuivre lourd dans les systèmes à courant élevé
Les PCB en cuivre lourd sont transformateurs dans les industries où le courant élevé et la fiabilité sont essentiels:
1. Véhicules électriques (VE) et véhicules électriques hybrides
Un onduleur Tesla Model Y utilise des traces de cuivre de 5 oz et des voies remplies de cuivre, réduisant la perte de puissance de 18% par rapport à une conception de 3 oz.
b.Systèmes de gestion de la batterie (BMS): surveillez et équilibrez les cellules de la batterie (2050A). 3 onces de traces de cuivre dans un BMS Chevrolet Bolt assurent une distribution uniforme du courant, allongeant la durée de vie de la batterie de 2 ans.
c. Modules de charge: Les systèmes de charge rapide (100 ‰ 200 A) utilisent des barres de bus en cuivre de 7 oz et des MCPCB en aluminium pour gérer les courants élevés et dissiper la chaleur.

2. Les énergies renouvelables
a.Invertisseurs solaires: convertir l'énergie solaire en courant continu en courant alternatif (50 ‰ 100A). Les PCB FR4 remplis de céramique de 5 onces dans un onduleur solaire de 10 kW réduisent les températures des points chauds de 25 °C, améliorant l'efficacité de 3%.
b.Contrôleurs de turbines éoliennes: gérer la hauteur et la puissance de la turbine (80 ∼ 120 A). Les PCB en cuivre laminés de 10 oz résistent aux vibrations (20 G) et aux variations de température (-40 °C à 85 °C), ce qui réduit les coûts de maintenance de 20 $;000 par turbine par an.

3. Machines industrielles
Un moteur Siemens Sinamics V20 utilise des plans de cuivre de 5 oz et des voies thermiques, réduisant la taille du moteur de 30% par rapport à une conception de PCB standard.
b.Équipement de soudage: fournir des arcs de courant élevé (150 ‰ 200 A). Barres de bus de cuivre de 15 oz dans une poignée de machine de soudage Lincoln Electric 200 A sans surchauffe, assurant une qualité de soudage constante.

4. Produits médicaux
a. Défibrillateurs portables: délivrent des chocs 300A (à court terme). PCB en cuivre lourd avec traces de 10 oz et voies remplies de cuivre assurent une alimentation fiable, essentielle pour une utilisation d'urgence.
b.Machines de dialyse: pompes électriques et chauffe-eau (2040A). Les PCB FR4 à TG élevé de 3 oz résistent aux produits chimiques de stérilisation et maintiennent leur stabilité, répondant aux normes ISO 13485.

Questions fréquemment posées sur la conception de PCB en cuivre lourd pour le courant élevé
Q: Quelle est l'épaisseur maximale du cuivre que je peux utiliser pour un PCB en cuivre lourd?
R: Les fabricants commerciaux prennent en charge jusqu'à 20 oz (700 μm) de cuivre, bien que 10 oz soit la limite pratique pour la plupart des conceptions (15 oz + nécessite un équipement de gravure spécialisé).Des conceptions militaires/aérospatiales personnalisées peuvent atteindre 30 oz (1050 μm) pour des besoins de courant élevé extrêmes.

Q: Les PCB en cuivre lourd peuvent-ils prendre en charge les signaux à haute vitesse (par exemple, 5G)?
R: Oui, avec une conception soignée. Utilisez 3 ̊5 oz de cuivre pour les chemins de puissance et 1 ̊1oz de cuivre pour les traces à grande vitesse (pour maintenir une impédance contrôlée).1 mm pour les signaux 1 Gbps+.

Q: Comment tester un PCB en cuivre lourd pour des performances de courant élevé?
R: Effectuer les tests suivants:

Courant cyclique: appliquer 120% du courant nominal pendant 1 000 cycles (-40°C à 125°C) pour vérifier la présence de fissures.
Imagerie thermique: Utiliser une caméra infrarouge pour cartographier les points chauds.
Mesure de la résistance: Tracez la résistance au fil du temps; une augmentation de plus de 10% indique une oxydation ou des dommages.

Q: Quel logiciel de conception est le meilleur pour les PCB en cuivre lourd?
R: Altium Designer et Cadence Allegro ont des outils intégrés pour le cuivre lourd:

Altium: “Heavy Copper” vérificateur des règles de conception (DRC) et calculatrice de notation actuelle.
Cadence: modules d'analyse thermique pour simuler la distribution de la chaleur.

Q: Combien coûte un PCB en cuivre lourd par rapport à un PCB standard?
R: 3 onces de cuivre coûtent 2 fois plus cher que 1 once; 10 onces de cuivre coûtent 4 5 fois plus cher.

Conclusion
La conception de PCB en cuivre lourd pour des applications à courant élevé est un équilibre entre la capacité actuelle et la fabrication, la gestion thermique et le coût, la durabilité et l'intégrité du signal.En suivant les normes IPC, en sélectionnant les bons matériaux, et en donnant la priorité au soulagement thermique et par la conception, vous pouvez créer des cartes qui gèrent des courants de 30A à 200A de manière fiable.

Les PCB en cuivre lourd ne sont pas seulement une "mise à niveau" des PCB standard, ils sont une nécessité pour la prochaine génération d'électronique de haute puissance, des véhicules électriques aux systèmes d'énergie renouvelable.la demande pour les intelligents, la conception efficace du cuivre lourd ne fera qu'augmenter, ce qui en fera une compétence essentielle pour les ingénieurs et les fabricants.

La clé du succès est de ne pas sur-construire (par exemple, en utilisant 10 oz de cuivre pour une conception de 20 A) ou sous-construire (par exemple, 3 oz pour 40 A).,Avec ces étapes, vous construirez des PCB qui fonctionnent sous pression littéralement.