Richtlinien für das Design von Leiterplatten mit dickem Kupfer: Leiterbahnen, Abstände, Reflow

Schweres Kupfer verändert Ihre Designregeln an zwei Stellen. Auf der Fertigungsseite vergrößert jede zusätzliche Unze die minimalen Leiterbahn- und Abstandsbreiten: Eine Außenlage mit 4 oz benötigt bei PCBCart mindestens 9/9 mil (0,23/0,23 mm), und eine Außenlage mit 15 oz benötigt 32/40 mil (0,81/1,02 mm). Auf der Bestückungsseite wirkt das zusätzliche Kupfer als Wärmeableiter, sodass Pads, die mit massiven Kupferflächen verbunden sind, zuletzt aufschmelzen und das gesamte Lötprofil bestimmen.

Diese Anleitung führt durch beides und verwendet dabei die auf unserer … veröffentlichten GrenzwerteSeite zur Hochkupfer-FähigkeitAlle hier angegebenen Kupfergewichte sind Endkupfer, auf das sich diese Grenzwerte beziehen. Wo kein Wert veröffentlicht ist, weisen wir ausdrücklich darauf hin und verweisen Sie an unser Engineering-Team, statt zu raten.

Wann lohnt sich schweres Kupfer?

Schwermetallisierung lohnt sich, wenn Strom oder Wärme die Grenze setzen und das Verbreitern von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte mit 1 oz oder 2 oz Kupfer nicht mehr in den verfügbaren Platz passt. Wenn die tatsächliche Einschränkung die Routendichte ist, verschlechtert stärkeres Kupfer die Situation in der Regel.

Die Strombelastbarkeit skaliert mit dem Leiterquerschnitt, also Breite mal Dicke, aber ihre Beziehung zum Temperaturanstieg ist nicht linear. Unser Artikel überStromtragfähigkeitbehandelt die IPC-2221-Formel und erklärt, warum eine Verdoppelung der Fläche nicht den zulässigen Strom verdoppelt. In der Praxis können Sie den benötigten Querschnitt oft auf zwei Arten erreichen: breit werden mit Standardkupfer oder dick werden und die Grundfläche klein halten.

Eine nützliche erste Frage: Beschränkt sich der hohe Strom auf einige wenige Netze oder verläuft er durch einen gesamten Versorgungsabschnitt?

Für einige Netze sind breitere Leiterbahnen, dasselbe Netz doppelt auf zwei Lagen oder eine mechanische Stromschiene oft die kostengünstigere Lösung. Wenn ein ganzer Abschnitt Strom führt, wenn die Leiterplatte Wärme von Leistungsbauteilen in eine Fläche ableiten muss oder wenn Anschlussstellen stärkeres Kupfer benötigen, beginnt sich Dickkupfer zu lohnen.

Berücksichtigen Sie auch die indirekten Auswirkungen. Jede Leiterplatte mit 3 oz oder mehr fertig verarbeitetem Kupfer wird ausschließlich auf FR4 High Tg 170 aufgebaut, die minimalen Strukturen vergrößern sich wie unten gezeigt, und Fine-Pitch-Bauteile lassen sich auf schweren Außenlagen nur schwer platzieren. Viele Entwickler legen das schwere Kupfer auf innere Versorgungslagen (bei uns bis zu 12 oz) und halten die Außenlagen für Bauteilpads leichter.

Wie stark nehmen Leiterbahnbreite und -abstand mit der Kupferdicke zu?

Beide nehmen mit jeder Unze zu, und oberhalb von 6 oz wächst der Mindestabstand schneller als die Mindestbreite. Der Grund dafür ist das Ätzen. Dickes Kupfer bleibt länger im Ätzbad, das Ätzmittel frisst sich seitlich ein, während es nach unten ätzt, und der Leiter wird an der Basis breiter als an der Oberseite. Die Vorlage wird dafür kompensiert, und der Abstand muss groß genug sein, damit sich die Basen zweier benachbarter Leiter niemals berühren.

PCBCart-Mindestmaße für dicke Kupferlagen in Mil, wie veröffentlicht; mm- und µm-Werte sind gerundete Umrechnungen. Für nicht aufgeführte Kupfergewichte wenden Sie sich bitte zur Bestätigung an unser Engineering-Team.

Drei Dinge in dieser Tabelle bringen die Leute durcheinander.

Innere Lagen benötigen bei gleichem Kupfergewicht mehr Abstand als äußere Lagen: 12 mil gegenüber 9 mil bei 4 oz. Das innere Kupfer muss während der Laminierung durch Prepreg eingekapselt werden, sodass das Harz in jeden Spalt zwischen dicken Strukturen fließen muss. Schmale, tiefe Kanäle sind die Bereiche, in denen sich Harzverarmung zeigt, und die innere Richtlinie lässt genug Raum, damit das Harz eindringen kann.

Dies sind Mindestwerte, keine Zielgrößen. Stromführende Leiterbahnen werden ohnehin deutlich breiter sein. Der Mindestabstand wirkt sich in der Praxis vor allem rund um Bauteilpads aus, im Fanout von Leistungshalbleiter-Pins und zwischen langen parallelen Leiterbahnen. Besonders auf Innenlagen ist ein Design mit etwas Sicherheitsabstand über dem Minimum leichter zu fertigen als eines, das exakt am Grenzwert liegt.

Die Abstandsregel begrenzt auch den Padabstand. Eine schnelle Plausibilitätsprüfung ist die Mindestbreite plus der Mindestabstand: 18 mil (etwa 0,46 mm) auf einer 4-oz-Außenlage, 26 mil (etwa 0,66 mm) auf einer 6-oz-Außenlage. Wenn das Bauteil mit der kleinsten Pitch auf einer schweren Außenlage nahe an diesen Wert herankommt, senden Sie das Footprint vor der endgültigen Festlegung des Layouts an unser Engineering-Team.

Behalte im Hinterkopf, dass die Mindestanforderungen der Leiterplattenfertigung keine elektrische Isolationsstrecke darstellen. Wenn deine Leiterplatte mit hoher Spannung betrieben wird, können die nach IPC-2221 oder deinem Produktsicherheitsstandard geforderte Luft- und Kriechstrecke deutlich größer sein als alles in dieser Tabelle – und diese Anforderung hat Vorrang.

Ringförmige Leiterbahn, Bohrungsgröße und Materialauswahl

Der minimale Ring für dicke Kupferschichten beträgt 6 mil und das minimale Bohrloch 10 mil, aber bei einer dicken Leiterplatte mit starkem Kupfer bestimmt in der Regel die Plattendicke Ihre kleinste praktisch nutzbare Durchkontaktierung, bevor eine der beiden Grenzen greift.

Leiterplatten mit starkem Kupferauftrag sind in der Regel dick; unser Bereich liegt zwischen 0,6 und 6,5 mm. Ein 10-mil-Loch (0,25 mm) am oberen Ende dieses Bereichs ist eine Herausforderung für die Metallisierung, da das Kupfer gleichmäßig in einem tiefen, schmalen Lochzylinder abgeschieden werden muss. Wenn Sie kleine Vias auf einer dicken Leiterplatte planen, stimmen Sie die Kombination aus Lochgröße und Plattendicke mit unserem Technikteam ab, bevor Sie das Layout erstellen.

Für den ringförmigen Leiter empfehlen wir, bei Pads, die Strom führen oder Steckverbinder verankern, über das Minimum von 6 mil (0,15 mm) hinauszugehen. Der Ring ist Teil des Strompfads zwischen Hülse und Leiterbahn, und bei dicken Kupferschichten entfernt derselbe Ätzuntergriff, der den Abstand vergrößert, auch Material vom Rand des Rings.

Für das Material ist die Regel einfach: 3 oz oder mehr fertiges Kupfer bedeuten FR4 High Tg 170. Unter 3 oz sind sowohl Tg 140 als auch Tg 170 verfügbar. Die High-Tg-Anforderung ist keine Formsache. Leiterplatten mit schwerem Kupfer bleiben in jedem thermischen Zyklus länger heiß, und die Ausdehnung des Harzes in Z-Richtung zieht jedes Mal an den plattierten Durchkontaktierungen. Durchkontaktierungen in dicken Leiterplatten mit massiven Innenlagen sind die Stellen, an denen sich diese Belastung konzentriert.

Bestellungen für Heavy-Copper-Leiterplatten basieren auf unserem Standard-Lagenaufbau. Wenn Ihr Design von einem spezifischen Lagenaufbau, einer bestimmten Dielektrikumdicke oder einer speziellen Kupferkombination pro Lage abhängt, wenden Sie sich vor der Bestellung an unser Engineering-Team. In jedem Fall sollte die Kupferverteilung ausgewogen sein: Starke Kupferlagen auf der einen Seite und dünne Kupferlagen auf der anderen führen zu einer unausgewogenen Leiterplatte, die während Laminierung und Reflow zum Verzug neigt.

Was ändert sich am Fließband?

Die Leiterplatte erhitzt sich ungleichmäßig. Lötpads, die an große Kupferflächen angebunden sind, erreichen als letzte die Reflow-Temperatur, sodass das Profil durch diese Pads bestimmt wird und das Risiko auf die kleinen Bauteile neben ihnen übergeht.

Wärmekapazität und das Reflow-Profil

Eine Leiterplatte mit 1 oz und einigen Leistungskomponenten lässt sich ähnlich wie jede andere Leiterplatte löten. Eine Leiterplatte mit 4 oz oder mehr auf mehreren Lagen verhält sich anders: Die Flächen ziehen Wärme aus den darüberliegenden Pads ab, und die gesamte Leiterplatte braucht länger, um auf Temperatur zu kommen. Fährt man ein Standardprofil, verlaufen die kleinen passiven Bauteile problemlos, während der Leistungsanschluss an der großen Fläche möglicherweise nicht vollständig benetzt wird.

Das Reflow-Profil muss das langsamste Pad, üblicherweise das auf der massivsten Kupferfläche, bis zum ordnungsgemäßen Reflow bringen, ohne das temperatur­empfindlichste Bauteil zu überhitzen. Das bedeutet oft eine längere Einweichphase, damit die schwere Zone vor dem Peak aufholen kann – genau hier verschaffen uns die acht Heiz­zonen unseres NS800II-Reflow-Ofens den Spielraum, das Profil zu formen. Die harte Grenze sind die Bauteil­spezifikationen: Alles, was das schwere Pad benötigt, muss innerhalb dessen bleiben, was das empfindlichste Bauteil zulässt. Wenn sich das nicht in Einklang bringen lässt, gehört die Korrektur ins Layout, nicht in den Ofen.

Lötstellen auf großen Kupferflächen

Große Pads an schweren Bauteilen wie D2PAK- und TO-263-Laschen, Power-QFN-Exposed-Pads und großen Anschlussklemmen zeigen zwei typische Defekte: unvollständige Benetzung, bei der die Lötverbindung nie heiß genug wurde, und Lunker unter der Thermalpad-Fläche. Lotpastendepots werden auf unserem InSPIre 510B 3D-SPI überprüft, das Volumen, Fläche und Höhe misst, und die Lötstellen durchlaufen nach dem Reflow eine Inspektion mit dem ALD515 AOI. Lötstellen, die unter bottom-terminated Leistungsbauteilen verborgen sind, können optisch nicht gesehen werden – dafür ist unser VIEW X2000 Röntgensystem vorgesehen. Die Inspektion entdeckt zwar Probleme, behebt aber kein Pad, das konstruktionsbedingt thermisch unterversorgt ist. Das Pastenvolumen auf großen Pads und die Kupferanbindung darum herum sollten bereits in der DFM-Phase festgelegt werden.

Kleine zweipolige Bauteile sind das andere Opfer. Ein 0402- oder 0603-Bauteil mit einem Anschluss an einer massiven Fläche und dem anderen an einer dünnen Leiterbahn wird auf der Leiterbahnseite zuerst aufschmelzen, und die Oberflächenspannung kann das Bauteil hochkant stellen. Die konstruktive Abhilfe ist thermische Balance: eine thermische Anbindung auf der Flächenseite oder angeglichene Kupferflächen an beiden Pads. Der Haken ist, dass eine thermische Anbindung auch den Strom begrenzt; bei einem Strommesswiderstand dimensioniert man daher entweder die Stege für den Strom oder führt beide Pads zu gleichwertigen Kupferflächen.

Überprüfen Sie sowohl die Montagegrenzen als auch die Fertigungsgrenzen

Eine Leiterplatte mit dicker Kupferbeschichtung kann innerhalb der Fertigungsgrenzen liegen und dennoch außerhalb der Bestückungslinie fallen. Wir fertigen Leiterplatten mit einer Dicke von bis zu 6,5 mm, während unser G5-Lötpastendrucker Leiterplatten von 0,2 bis 6 mm Dicke mit einer maximalen Fläche von 400 × 310 mm verarbeiten kann. Wenn Ihre Leiterplatte dicker als 6 mm oder größer als diese Fläche ist und zudem eine SMT-Bestückung benötigt, stimmen Sie sich bitte mit unserem Engineering-Team ab, bevor Sie den Umriss final festlegen.

Gemischte Kupfergewichte und Through-Hole-Bauteile

Durchsteckpins, die in massive Flächen eingelötet sind, sind die am schwierigsten vollständig zu füllenden Lötstellen auf diesen Platinen, weil die Fläche Wärme aus dem Lötauge ableitet. Pins, die keinen Strom führen, sollten thermische Entlastungen erhalten. Pins, die Strom führen, benötigen häufig vollflächige Verbindungen; markieren Sie sie bei der Designabgabe, damit sie vor dem ersten Aufbau überprüft werden können.

In unserer Fertigungslinie werden Through-Hole-Bauteile auf einer GSD-WD300T-Wellenlötanlage oder einem selektiven Löt­system JADE MK II gelötet. Welche Maschine sich für eine Leiterplatte mit starkem Kupferauftrag eignet, hängt davon ab, wie die Through-Hole- und SMT-Bauteile angeordnet sind; das wird während der DFM-Prüfung festgelegt, nicht beim ersten Aufbau.

Gemischte Kupfergewichte machen sich auch als Verzug bemerkbar. Eine Leiterplatte mit stark konzentriertem Kupfer auf einer Seite oder einer massiven Fläche nur unter einem Teil der Platine kann sich während des Reflow-Lötens durchbiegen, was die Lötstellen großer Bauteile belastet und die Platzierung von Fine-Pitch-Bauteilen erschwert. Die Lösung liegt im Layout: Verteilen Sie das Kupfer so gleichmäßig, wie es die Schaltung zulässt, und verwenden Sie Kupferausgleich in dünn bestückten Bereichen.

Welche Oberflächenbearbeitungen sind verfügbar?

Für Leiterplatten mit dicken Kupferschichten bieten wir HAL, bleifreies HAL und ENIG an. Wähle ENIG, wenn die Leiterplatte Fine-Pitch- oder bottom-terminated Bauteile enthält; die HAL-Optionen eignen sich für Leiterplatten, die überwiegend aus größeren Leistungsbauteilen und Through-Hole-Steckverbindern bestehen.

Verfügbare Oberflächenbeschichtungen für schwere Kupferleiterplatten von PCBCart.

OSP- und Immersionsoberflächen stehen nicht auf der Optionsliste für Heavy-Copper-Ausführungen. Wenn Ihr aktuelles Design eine davon vorsieht, prüfen Sie, ob der Grund dafür weiterhin gilt, sobald die Leiterplatte auf Heavy Copper umgestellt wird, oder bestätigen Sie dies mit unserem Engineering-Team.

Checkliste für Design mit dickem Kupfer

Gehe dies durch, bevor du die Gerber-Dateien sendest. Jede Zeile ist etwas, das wir sonst in der DFM-Prüfung anmerken würden.

Checkliste zur DFM-Vorprüfung für Leiterplatten mit dickem Kupfer.

FAQ

Soll ich auf der Zeichnung das Anfangskupfer oder das Endkupfer angeben?

Geben Sie das fertige Kupfer je Lage an. Die Außenlagen gewinnen während der Beschichtung an Kupfer, sodass ein Foliengewicht in der Zeichnung die fertige Dicke Interpretationen überlässt, und jede Grenze in diesem Artikel bezieht sich auf das fertige Gewicht. Falls Ihre aktuelle Berechnung von einer bestimmten Dicke ausgeht, geben Sie diese Dicke an, anstatt nur einen Foliennamen zu verwenden.

Wird eine 3-oz-Leiterplatte als Schwermetallkupfer behandelt?

Teilweise. Unsere Tabelle für Leiterbahnen- und Abstandsmaße bei Heavy Copper beginnt bei 4 oz, aber die Materialregel beginnt bei 3 oz: Jede Leiterplatte mit 3 oz oder mehr Endkupfer wird auf FR4 High Tg 170 gefertigt. Für Leiterbahnen und Abstände bei 3 oz stimmen Sie dies bitte mit unserem Engineering-Team ab, anstatt aus der Tabelle zu interpolieren.

Kann ich Signale mit kontrollierter Impedanz auf einer Leiterplatte mit starkem Kupfer geführt routen?

Stimmen Sie sich mit unserem Engineering-Team ab, bevor Sie sich dafür entscheiden. Bestellungen mit starkem Kupfer verwenden unseren Standard-Stackup, und die Impedanz auf einer 4-oz- oder schwereren Lage ist schwer vorherzusagen, da der geätzte Leiter trapezförmig ist. Wenn Ihr Design eine kontrollierte Impedanz benötigt, senden Sie die Anforderung zusammen mit Ihren Dateien, damit wir Ihnen im Voraus sagen können, ob der Aufbau diese erfüllen kann.

In welche Qualitätsklasse werden Leiterplatten mit dicker Kupferschicht eingestuft?

Die IPC-Klasse 2 ist unser Standard für Leiterplatten mit hohem Kupferanteil. Wenn Ihre Fertigungszeichnung eine andere Abnahmeanforderung vorgibt, fügen Sie diese bitte Ihrer Angebotsanfrage bei, damit unser Engineering-Team sie vor Ihrer Bestellung prüfen kann.

Erschwert starker Kupferaufbau die Nacharbeit?

Ja. Die thermische Masse, die das Reflow-Löten verlangsamt, macht es auch schwierig, ein Bauteil auf einer großen Fläche nur mit Heißluftwerkzeug oder Lötkolben zu entfernen oder zu ersetzen, weil die Fläche ständig Wärme abführt. Daher ist normalerweise eine Vorheizung von der Unterseite erforderlich. Wenn ein Bauteil voraussichtlich während des Bring-ups ausgetauscht wird, etwa ein Leistungs-MOSFET, den Sie nach Tests ändern könnten, sollten Sie ihm im Layout, wo der Strom es zulässt, eine gewisse thermische Isolation geben.

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Hilfreiche Ressourcen
•PCBCart SMT-Bestückungsanlagen
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