Einführung

Haben Sie sich jemals über die Bedeutung von Kupfer in Ihren PCB-Designs gewundert? Oder warum ist die standardmäßige Kupferdicke von 1 Unze eine weithin akzeptierte Norm? Dies sind entscheidende Fragen für jeden, der sich mit dem Design oder der Herstellung von Leiterplatten beschäftigt.

Die Kupferdicke ist ein Schlüsselfaktor beim PCB-Design und beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Wärmeableitung der Platine. Der Industriestandard ist 1 Unze, was 1,37 Mil oder 34,79 Mikrometern entspricht. Dieses Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten macht es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Spezifische Designanforderungen können jedoch Anpassungen dieser Dicke erforderlich machen.

In diesem Leitfaden untersuchen wir die Rolle von Kupfer in Leiterplatten, entschlüsseln die standardmäßige Kupferdicke von 1 Unze und geben praktische Tipps zum Anpassen der Kupferdicke an Ihre Designanforderungen. Lass uns eintauchen!

Die entscheidende Rolle von Kupfer in PCB

Kupfer spielt aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit eine unverzichtbare Rolle im PCB-Design. Es ist das Hauptmaterial, das zur Herstellung von Schaltkreisen verwendet wird und eine effiziente Übertragung elektrischer Signale auf der gesamten Platine ermöglicht. Aber warum Kupfer? Warum nicht irgendein anderes Metall?

Die Beliebtheit von Kupfer im PCB-Design ist auf seine einzigartigen Eigenschaften zurückzuführen. Erstens weist Kupfer nach Silber eine der höchsten elektrischen Leitfähigkeiten aller Metalle auf. Dies bedeutet, dass Kupfer elektrische Signale mit minimalem Energieverlust übertragen kann und so einen effizienten Betrieb des elektronischen Geräts gewährleistet.

Zusätzlich zu seiner elektrischen Leitfähigkeit Kupfer verfügt außerdem über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaft ermöglicht es Kupfer, die von den elektronischen Bauteilen erzeugte Wärme abzuleiten, wodurch eine Überhitzung verhindert und die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Geräts gewährleistet wird.

Kupfer ist außerdem sehr formbar und duktil. Das heißt, es lässt sich leicht zu dünnen Drähten oder Leiterbahnen formen, ohne zu brechen. Dies ist besonders wichtig beim PCB-Design, wo komplizierte Schaltungspfade auf kleinem Raum erstellt werden müssen.

Schließlich ist Kupfer im Vergleich zu anderen Metallen mit ähnlichen Eigenschaften, wie etwa Silber, relativ reichlich vorhanden und erschwinglich. Dies macht Kupfer zu einer kostengünstigen Wahl für die Leiterplattenherstellung.

Entschlüsselung der Standardkupferdicke im PCB-Design

Wenn es um die Kupferdicke im PCB-Design geht, wird häufig der Begriff „1 Unze Kupfer“ verwendet. Aber was bedeutet das? Und warum ist es in der Branche oft der Standard?

Der Begriff „1 Unze Kupfer“ bezieht sich auf die Kupferdicke, die erreicht wird, wenn 1 Unze Kupfer gleichmäßig über eine Fläche von einem Quadratfuß verteilt wird. Daraus ergibt sich eine Dicke von 1,37 Mil oder 34,79 Mikrometer. Dies ist die Standardkupferdicke, die in vielen PCB-Designs verwendet wird.

Damit Sie diese Messungen besser verstehen, finden Sie hier eine praktische Umrechnungstabelle:

Kupfergewicht	Dicke in Mil	Dicke in Mikrometern	Dicke in Millimetern
0,5 Unzen	0,7 Mil	17,5 µm	0,0175 mm
1 Unze	1,4 Mio	35 µm	0,035 mm
2 Unzen	2,8 Mio	70 µm	0,07 mm
3 Unzen	4,2 Mio	105 µm	0,105 mm

Aber warum gerade diese Dicke? Warum nicht dicker oder dünner?

Die Kupferdicke von 1 Unze ist ein Gleichgewicht zwischen elektrischer Leitfähigkeit und physikalischer Haltbarkeit. Dickere Kupferschichten können mehr Strom transportieren und haben bessere Wärmeableitungseigenschaften. Allerdings machen sie die Leiterplatte auch dicker, schwerer und teurer. Andererseits können dünnere Kupferschichten die Leiterplatte leichter und billiger machen, sie führen jedoch möglicherweise nicht ausreichend Strom für einige Anwendungen und sind möglicherweise anfälliger für physische Schäden.

Die Kupferdicke von 1 Unze bietet ausreichend elektrische Leistung für viele Anwendungen, während die Leiterplatte relativ dünn, leicht und kostengünstig bleibt. Es handelt sich um einen Kompromiss, der für eine Vielzahl von PCB-Designs gut funktioniert.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der 1-Unzen-Standard keine Einheitslösung ist. Dies ist der Standardstandard, den Hersteller verwenden, wenn ein Kunde keine andere Dicke angibt. Abhängig von den spezifischen Anforderungen Ihres Designs müssen Sie diese Dicke möglicherweise anpassen. Im nächsten Abschnitt besprechen wir, wie Sie die Kupferdicke an Ihre Designanforderungen anpassen können.

Anpassen der Kupferdicke an Designanforderungen

Das Entwerfen einer Leiterplatte ist ein differenzierter Prozess, und die Kupferdicke ist ein Aspekt, der je nach spezifischen Designanforderungen möglicherweise angepasst werden muss. Zu den Schlüsselfaktoren, die bei der Bestimmung der geeigneten Kupferdicke berücksichtigt werden müssen, gehören die Strommenge, die die Platine führen muss, die Komplexität der Schaltkreispfade und Kostenüberlegungen.

Um die optimale Kupferdicke für Ihre Leiterplatte zu berechnen, müssen Sie die Strombelastbarkeit der Kupferleiterbahnen berücksichtigen. Dies kann mithilfe des IPC-2221-Standards ermittelt werden, der eine Formel zur Berechnung der für einen bestimmten Strom erforderlichen Leiterquerschnittsfläche bereitstellt. Die Formel lautet:

A = (I / (k * dT^0,44))^(1/0,725)

Wo:

• I ist der Strom in Ampere,
• k ist eine Konstante (0,048 für eine Spur auf der Oberfläche einer Leiterplatte in freier Luft oder 0,024 für eine Spur in einer Innenschicht),
• dT ist der Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur in Grad Celsius und
• A ist die Querschnittsfläche der Spur in Quadratmils.

Betrachten wir ein praktisches Beispiel, um diese Berechnung zu veranschaulichen. Angenommen, Sie entwerfen eine Leiterplatte für ein Gerät, bei dem die Leiterplatte einen Strom von etwa 35 Ampere führen muss. Sie möchten, dass der Temperaturanstieg nicht mehr als 20 Grad Celsius beträgt, und Sie verwenden eine Leiterbahn auf der Oberfläche der Leiterplatte in freier Luft. Wenn wir diese Werte in die Formel einsetzen, erhalten wir:

A = (35 / (0,048 * 20^0,44))^(1/0,725) A = 265,2 Quadratmils

Dies ist die erforderliche Querschnittsfläche der Leiterbahn. Um dies in die Kupferdicke umzurechnen, dividieren Sie durch die Breite der Leiterbahn. Wenn die Leiterbahn beispielsweise 0,100 Zoll (100 mil) breit ist, wäre die erforderliche Kupferdicke 265,2 / 100 = 2,652 mil.

PCB-Hersteller geben die Kupferdicke jedoch normalerweise in Unzen pro Quadratfuß (oz/ft²) und nicht in Mil an. Um von mil in oz/ft² umzurechnen, können Sie die Tatsache nutzen, dass 1 oz/ft² ungefähr 1,37 mil entspricht. Also:

Kupferdicke = 2,652 mils / 1,37 (mils/oz) = 1,94 oz

Dieser Wert ist etwas niedriger als der Standardwert von 2 oz/ft², liegt aber im typischen Bereich für PCBs, der zwischen 0,5 oz/ft² und 2 oz/ft² liegt. In diesem Fall könnten Sie erwägen, für Ihre Leiterplatte eine Kupferdicke von 2 oz/ft² festzulegen, um sicherzustellen, dass sie den erforderlichen Strom verarbeiten kann.

Die Komplexität Ihres Schaltungsdesigns ist ein weiterer entscheidender Faktor. Wenn Ihr Entwurf detaillierte Schaltkreispfade oder kleine Merkmale umfasst, ist möglicherweise eine dünnere Kupferschicht erforderlich, um die erforderliche Präzision zu erreichen. Bedenken Sie jedoch, dass dünnere Schichten empfindlicher sind und möglicherweise eine sorgfältige Handhabung während des Herstellungsprozesses erfordern.

Schließlich spielen auch Kostenaspekte eine wesentliche Rolle. Dickere Kupferschichten benötigen mehr Material und sind daher teurer in der Herstellung. Um ein optimales Design zu erreichen, ist es entscheidend, die technischen Anforderungen Ihres Designs mit Kostenüberlegungen in Einklang zu bringen.

Wenn Sie diese Faktoren verstehen und wissen, wie Sie die geeignete Kupferdicke berechnen, können Sie Ihr PCB-Design an die spezifischen Anforderungen anpassen und so optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten.

Regeln für Kupferdicke und -abstände beim PCB-Design

Kupferdicke Und Abstand sind zwei kritische Parameter beim PCB-Design, die sich direkt auf die Leistung und Zuverlässigkeit der Platine auswirken. Sie sind miteinander verbunden, und das Verständnis ihrer Beziehung ist entscheidend für die Erzielung optimaler Designergebnisse.

Kupferdicke und ihre Auswirkungen

Der Kupferdicke auf einer Leiterplatte bestimmt die Strommenge, die die Leiterbahnen ohne Überhitzung führen können. Es beeinflusst auch die Impedanz der Platine, ein kritischer Faktor bei Hochgeschwindigkeits- und HF-Designs. Die in der Industrie verwendete Standardkupferdicke beträgt 1 oz/ft², was ungefähr 1,37 mil oder 34,79 Mikrometern entspricht. Je nach Anwendung kann die Kupferdicke jedoch auf 2 oz/ft² oder sogar mehr erhöht werden.

Abstandsregeln und ihre Bedeutung

Der Abstand Ebenso wichtig ist der Abstand zwischen den Kupferelementen auf einer Leiterplatte, wie z. B. Leiterbahnen und Pads. Sie muss ausreichend sein, um Kurzschlüsse zu verhindern und den Spannungspegeln im Stromkreis standzuhalten. Der erforderliche Abstand kann abhängig von Faktoren wie der Betriebsspannung und der Umgebung, in der die Leiterplatte verwendet wird, variieren.

Der IPC-2221-Standard bietet Richtlinien zur Bestimmung des Mindestabstands basierend auf der Spitzenarbeitsspannung. Beispielsweise wird für eine Spitzenspannung von bis zu 50 V ein Abstand von 0,005 Zoll (5 mil) empfohlen.

Ausgleich von Kupferdicke und -abstand

Beim PCB-Design ist das Ausbalancieren von Kupferdicke und -abständen eine heikle Angelegenheit. Durch die Erhöhung der Kupferdicke kann die Platine mehr Strom führen, erfordert aber auch größere Abstände zwischen den Kupferelementen, was bei Designs mit hoher Dichte eine Herausforderung darstellen kann.

Umgekehrt ermöglicht eine Reduzierung der Kupferdicke kleinere Abstände und eine höhere Dichte, verringert aber auch die Stromtragfähigkeit der Leiterbahnen. Daher muss der Designer beide Faktoren sorgfältig abwägen und bei Bedarf Kompromisse eingehen, um die Designanforderungen zu erfüllen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis und die korrekte Anwendung der Regeln für Kupferdicke und -abstände für die Entwicklung zuverlässiger und effizienter Leiterplatten von entscheidender Bedeutung sind. Es wird immer empfohlen, sich bei Ihrem Leiterplattenhersteller nach dessen spezifischen Fähigkeiten und Richtlinien zu erkundigen, da diese variieren können.

Kupfergewicht	Mindest. Empfohlener Platz und min. Spurbreite (mils)	Mindest. Empfohlener Platz und min. Spurbreite (mm)
1 Unze	3,5 Mio	0,089 mm
2 Unzen	8 Mil	0,203 mm
3 Unzen	10 Mil	0,254 mm
4 Unzen	14 Mio	0,355 mm

Tipps zum Auftragen der richtigen Kupferstärke

Die Wahl der richtigen Kupferdicke für Ihr PCB-Design ist entscheidend, aber nicht der einzige Gesichtspunkt. Hier sind einige zusätzliche Tipps, die Ihnen dabei helfen, die richtige Kupferstärke in Ihren Designs anzuwenden:

1. Verteilen Sie Ihr Kupfer so gleichmäßig wie möglich:

Versuchen Sie beim Entwurf einer Leiterplatte, das Kupfer so gleichmäßig wie möglich über jede Schicht zu verteilen. Dies ist besonders wichtig bei komplexen mehrschichtigen Designs, wie etwa einer 8-schichtigen Leiterplatte für ein Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgerät. Die bei der Leiterplattenherstellung verwendeten Galvanisierungs- und Ätzprozesse können verschiedene Bereiche der Leiterplatte mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit beeinflussen. Durch eine gleichmäßige Verteilung des Kupfers können Sie zu einem gleichmäßigeren Ergebnis beitragen.

2. Kupfergewicht über alle Schichten verteilen:

Im Allgemeinen ist es am besten, auf allen Schichten Ihrer Leiterplatte das gleiche Kupfergewicht zu verwenden. Wenn Sie beispielsweise eine 4-lagige Leiterplatte für ein kompaktes IoT-Gerät entwerfen, könnten Sie sich für die Verwendung von 1 oz/ft² Kupfer auf allen Lagen entscheiden. Dies trägt zur Aufrechterhaltung einer ausgewogenen Struktur bei und verringert das Risiko von Verformungen oder Verdrehungen bei hohen Betriebstemperaturen oder während des Montageprozesses.

3. Kupfergewicht auf den Außenschichten anpassen:

Die obere und untere Schicht Ihrer Leiterplatte sollten das gleiche Kupfergewicht haben. Dies liegt daran, dass diese Schichten beim Ätzen gemeinsam verarbeitet werden. Wenn Sie beispielsweise eine doppelseitige Leiterplatte für ein Netzteil entwerfen und auf der oberen Schicht 2 oz/ft² Kupfer verwenden, sollten Sie auch 2 oz/ft² auf der unteren Schicht verwenden, um ein Überätzen zu vermeiden .

4. Berücksichtigen Sie die Auswirkungen auf den Trace-Abstand:

Bedenken Sie, dass sich eine Erhöhung der Kupferdicke auch auf den Mindestabstand zwischen den Leiterbahnen auswirken kann. Wenn Sie beispielsweise eine Hochstrom-Leiterplatte für ein Ladegerät für Elektrofahrzeuge entwerfen und das Kupfergewicht von 1 oz/ft² auf 2 oz/ft² erhöhen, müssen Sie möglicherweise den Leiterbahnabstand von 3,5 mil auf 8 erhöhen mils, um mögliche Probleme zu vermeiden.

5. Geben Sie immer Ihre Anforderungen an:

Gehen Sie nicht davon aus, dass Ihr Leiterplattenhersteller weiß, welche Kupferstärke Sie benötigen. Geben Sie Ihre Anforderungen immer klar in Ihren Konstruktionsdateien oder Fertigungsnotizen an. Wenn Sie beispielsweise eine Leiterplatte für ein Hochfrequenzradarsystem entwerfen, die 3 oz/ft² Kupfer erfordert, müssen Sie dies in Ihrer Designdokumentation unbedingt explizit angeben.

Wenn Sie diese Tipps beachten, können Sie fundiertere Entscheidungen über die Kupferdicke in Ihren PCB-Designs treffen und bessere Ergebnisse erzielen.

Abschluss

Das Design einer Leiterplatte erfordert eine Vielzahl von Entscheidungen, und die Wahl der richtigen Kupferdicke ist von entscheidender Bedeutung. Diese Entscheidung hat Auswirkungen auf die Leistung, die Kosten und die Herstellbarkeit der Leiterplatte. Unabhängig davon, ob Sie ein einfaches Gerät oder ein komplexes medizinisches Gerät entwerfen, kann das Verständnis und die Anwendung der Prinzipien der Kupferdicke einen erheblichen Unterschied machen.

Denken Sie daran, dass die richtige Kupferdicke Ihnen dabei helfen kann, elektrische Anforderungen, Haltbarkeit und Kosteneffizienz in Einklang zu bringen. Es geht nicht nur darum, Industriestandards zu befolgen, sondern auch darum, Ihre spezifischen Bedürfnisse zu verstehen und fundierte Entscheidungen zu treffen.

Bei Rowsum verstehen wir diese Komplexität und sind bestrebt, Ihnen bei der Bewältigung dieser Komplexität zu helfen. Als führender Leiterplattenhersteller bieten wir maßgeschneiderte Lösungen für Ihre individuellen Anforderungen. Unser Expertenteam steht Ihnen jederzeit mit Rat und Tat zur Seite, um sicherzustellen, dass Sie das Beste aus Ihren PCB-Designs herausholen.

Wenn Sie Fragen haben oder weitere Unterstützung bei Ihren PCB-Designs benötigen, können Sie sich gerne an uns wenden [email protected]. Besuch uns in www.rowsum.com Erfahren Sie mehr über unsere Dienstleistungen und wie wir Ihnen zum Erfolg Ihrer PCB-Projekte verhelfen können.