El cobre grueso modifica tus reglas de diseño en dos aspectos. En el lado de fabricación, cada onza adicional aumenta el ancho mínimo de pista y espacio: una capa externa de 4 oz necesita al menos 9/9 mil (0,23/0,23 mm) en PCBCart, y una capa externa de 15 oz necesita 32/40 mil (0,81/1,02 mm). En el lado de ensamblaje, el cobre adicional actúa como un disipador de calor, de modo que las almohadillas conectadas a planos gruesos son las últimas en realizar el reflow y determinan todo el perfil de soldadura.
Esta guía explica ambos, utilizando los límites publicados en nuestropágina de capacidades de cobre pesadoTodos los pesos de cobre aquí son de cobre acabado, que es a lo que se refieren esos límites. Cuando un valor no está publicado, lo indicamos y lo remitimos a nuestro equipo de ingeniería en lugar de hacer conjeturas.
¿Cuándo vale la pena el cobre grueso?
El uso de cobre grueso vale la pena cuando la corriente o el calor establecen el límite y ensanchar las pistas en una placa de 1 oz o 2 oz ya no cabe en el espacio disponible. Si la verdadera restricción es la densidad del enrutamiento, usar cobre más grueso normalmente empeora las cosas.
La capacidad de corriente varía con la sección transversal del conductor, que es el ancho por el grosor, pero su relación con el aumento de temperatura no es lineal. Nuestro artículo sobrecapacidad de conducción de corrientecubre la fórmula IPC-2221 y explica por qué duplicar el área no duplica la corriente admisible. En la práctica, a menudo puedes alcanzar la sección transversal necesaria de dos maneras: usar gran ancho con cobre estándar, o usar gran espesor y mantener la huella pequeña.
Una primera pregunta útil: ¿la alta corriente está confinada a unas pocas redes o recorre toda una sección de alimentación?
Para unas pocas redes, pistas más anchas, la misma red duplicada en dos capas o una barra colectora mecánica suelen ser la opción más económica. Cuando toda una sección conduce corriente, cuando la placa debe disipar calor desde dispositivos de potencia hacia un plano, o cuando las zonas de conectores necesitan cobre más resistente, el uso de cobre grueso empieza a compensar por sí mismo.
Ten en cuenta también los efectos colaterales. Cualquier placa con 3 oz o más de cobre final se fabrica únicamente en FR4 High Tg 170, las características mínimas aumentan como se muestra a continuación y los componentes de paso fino se vuelven difíciles de colocar en capas externas pesadas. Muchos diseñadores colocan el cobre pesado en las capas internas de potencia (hasta 12 oz con nosotros) y mantienen las capas externas más ligeras para las almohadillas de componentes.
¿Cuánto aumentan el ancho de las pistas y el espaciado con el peso del cobre?
Ambos crecen con cada onza, y por encima de 6 oz el espacio mínimo crece más rápido que el ancho mínimo. La razón es el grabado. El cobre grueso permanece más tiempo en el grabador, el agente de grabado corta lateralmente mientras corta hacia abajo, y el conductor acaba siendo más ancho en la base que en la parte superior. La obra de arte se compensa por esto, y el espacio debe ser lo suficientemente ancho para que las bases de dos conductores vecinos nunca se toquen.
| Cobre acabado | Rastro / espacio mínimo de la capa exterior | Espesor mínimo / separación de la capa interna |
|---|---|---|
| 4 oz (aprox. 140 µm) | 9 / 9 mil (0,23 / 0,23 mm) | 8 / 12 mil (0,20 / 0,30 mm) |
| 5 oz (aprox. 175 µm) | 11 / 11 mil (0,28 / 0,28 mm) | 10 / 14 mil (0,25 / 0,36 mm) |
| 6 oz (aprox. 210 µm) | 13 / 13 mil (0,33 / 0,33 mm) | 12 / 16 mil (0,30 / 0,41 mm) |
| 12 oz (aprox. 420 µm) | 20 / 32 mil (0,51 / 0,81 mm) | 20 / 32 mil (0,51 / 0,81 mm) |
| 15 oz (aprox. 525 µm) | 32 / 40 mil (0,81 / 1,02 mm) | No se ofrece (capas internas máximo 12 oz) |
Mínimos de cobre pesado de PCBCart en mil, según lo publicado; los valores en mm y µm son conversiones redondeadas. Para pesos no listados, confirme con nuestro equipo de ingeniería.
Tres cosas en esta tabla despistan a la gente.
Las capas internas necesitan más separación que las capas externas con el mismo espesor: 12 mil frente a 9 mil a 4 oz. El cobre interno debe quedar encapsulado por el prepreg durante la laminación, por lo que la resina debe fluir hacia cada espacio entre estructuras gruesas. Los canales estrechos y profundos son donde aparece la falta de resina, y la norma para las capas internas deja espacio para que la resina pueda entrar.
Estos son mínimos, no objetivos. Las pistas que transportan corriente serán de todos modos mucho más anchas. El mínimo realmente importa alrededor de las almohadillas de los componentes, en el escape de los pines de dispositivos de potencia y entre recorridos largos y paralelos. Especialmente en las capas internas, un diseño con cierto margen por encima del mínimo es más fácil de fabricar que uno que se sitúa exactamente en él.
La regla de espaciamiento también limita el paso de las almohadillas. Una comprobación rápida es ancho mínimo más espacio mínimo: 18 mil (unos 0,46 mm) en una capa externa de 4 oz, 26 mil (unos 0,66 mm) en una capa externa de 6 oz. Si el componente con el paso más fino en una capa externa gruesa se acerca a ese valor, envía la huella a nuestro equipo de ingeniería antes de confirmar el diseño.
Tenga en cuenta que los mínimos de fabricación no son distancias de seguridad eléctrica. Si su placa funciona a alto voltaje, la distancia de aislamiento y la línea de fuga requeridas por IPC-2221 o por su norma de seguridad de producto pueden ser mucho mayores que cualquier valor de esta tabla, y ese requisito prevalece.
Anillo anular, tamaño de taladro y opciones de material
El anillo anular mínimo para cobre grueso es de 6 mil y el taladro mínimo es de 10 mil, pero en una placa gruesa de cobre pesado, el grosor de la placa suele determinar el tamaño más pequeño práctico de la vía antes que cualquiera de esos límites.
Las placas de cobre grueso tienden a ser de gran espesor; nuestro rango es de 0,6 a 6,5 mm. Un orificio de 10 mil (0,25 mm) cerca del extremo superior de ese rango supone un reto de metalizado, porque el cobre tiene que recubrir de manera uniforme el interior de un barril profundo y estrecho. Si planea usar vías pequeñas en una placa gruesa, confirme la combinación de tamaño de orificio y espesor de la placa con nuestro equipo de ingeniería antes de diseñarla.
En el anillo anular, recomendamos superar el mínimo de 6 mil (0,15 mm) en las almohadillas que conducen corriente o fijan conectores. El anillo forma parte del camino de corriente entre el barril y la pista, y en capas gruesas el mismo socavado del grabado que ensancha el espaciamiento también elimina material del borde del anillo.
En cuanto al material, la regla es simple: 3 oz o más de cobre terminado implican FR4 de alta Tg 170. Por debajo de 3 oz, tanto Tg 140 como Tg 170 están disponibles. El requisito de alta Tg no es una formalidad. Las placas de cobre grueso permanecen calientes por más tiempo en cada ciclo térmico, y la expansión en el eje Z de la resina tira de los barriles metalizados cada vez. Los orificios pasantes en placas gruesas con planos internos pesados son donde se concentra ese esfuerzo.
Los pedidos de cobre pesado se fabrican con nuestra estructura de capas predeterminada. Si tu diseño depende de una estructura de capas específica, del espesor del dieléctrico o de una combinación de cobre por capa, coméntalo con nuestro equipo de ingeniería antes de hacer el pedido. En cualquier caso, mantén una distribución equilibrada del cobre: cobre pesado en un lado y cobre ligero en el otro da como resultado una placa desequilibrada que tiende a combarse durante la laminación y el refusión.
¿Qué cambia en la línea de montaje?
La placa se calienta de manera desigual. Las almohadillas conectadas a planos de gran masa térmica son las últimas en alcanzar la temperatura de reflujo, por lo que el perfil se ajusta según esas almohadillas, y el riesgo se traslada a las piezas pequeñas que se encuentran junto a ellas.
Masa térmica y el perfil de reflujo
Una placa de 1 oz con algunos componentes de potencia se refunde de forma muy similar a cualquier otra placa. Una placa con 4 oz o más en varias capas se comporta de manera diferente: los planos extraen el calor de las almohadillas situadas sobre ellos, y toda la placa tarda más en alcanzar la temperatura. Si se utiliza un perfil estándar, los pequeños pasivos se refunden bien, mientras que la lengüeta de potencia en el plano grande puede no humedecerse completamente.
El perfil de refusión debe llevar la almohadilla más lenta, normalmente la que está sobre el cobre más pesado, a una refusión adecuada sin sobrecalentar el componente más sensible a la temperatura. Eso a menudo implica un remojo más largo para que la zona pesada pueda alcanzar al resto antes del pico, y ahí es donde las ocho zonas de calentamiento de nuestro horno de refusión NS800II nos dan margen para perfilar el proceso. El límite estricto son las especificaciones de los componentes: lo que necesite la almohadilla pesada debe mantenerse dentro de lo que permite el componente más sensible. Cuando eso no se puede conciliar, la solución debe aplicarse en el diseño de la placa, no en el horno.
Uniones de soldadura en grandes áreas de cobre
Las almohadillas grandes en aviones pesados, como las pestañas D2PAK y TO-263, las almohadillas expuestas de QFN de potencia y los bloques de terminales grandes, presentan dos defectos típicos: humectación incompleta, donde la unión nunca alcanzó suficiente temperatura, y vacíos debajo de la almohadilla térmica. Los depósitos de pasta se verifican en nuestro sistema InSPIre 510B SPI 3D, que mide volumen, área y altura, y las uniones soldadas pasan por la AOI ALD515 después del reflujo. Las uniones ocultas bajo componentes de potencia con terminación inferior no pueden verse ópticamente, para lo cual utilizamos nuestro sistema de rayos X VIEW X2000. Sin embargo, la inspección solo detecta problemas; no corrige una almohadilla que está térmicamente limitada por diseño. El volumen de pasta en almohadillas grandes y la conexión de cobre que las rodea vale la pena definirla en la etapa de DFM.
Los pequeños componentes de dos terminales son la otra víctima. Un 0402 o 0603 con una almohadilla en un plano grueso y la otra en una pista delgada hace que el lado de la pista se funda primero, y la tensión superficial puede dejar el componente de pie sobre un extremo. La solución de diseño es el equilibrio térmico: una conexión de alivio térmico en el lado del plano, o cobre coincidente en ambas almohadillas. El problema es que un alivio también restringe la corriente, así que en una resistencia de medición de corriente o bien dimensionas los radios para la corriente o enrutas ambas almohadillas hacia cobre equivalente.
Verificar los límites de montaje así como los límites de fabricación
Una placa de cobre gruesa puede estar dentro de los límites de fabricación y aun así quedar fuera de la línea de ensamblaje. Fabricamos placas de hasta 6,5 mm de grosor, mientras que nuestra impresora de pasta de soldadura G5 acepta placas de 0,2 a 6 mm de grosor con un área máxima de 400 × 310 mm. Si su placa es más gruesa que 6 mm o más grande que esa área y además requiere ensamblaje SMT, confirme con nuestro equipo de ingeniería antes de congelar el contorno.
Pesos de cobre mixtos y componentes de orificio pasante
Los pines de orificio pasante soldados en planos gruesos son las uniones más difíciles de rellenar en estas placas, porque el plano extrae el calor del barril. Los pines que no conducen corriente deben tener alivios térmicos. Los pines que sí lo hacen a menudo necesitan conexiones sólidas; márcalos cuando entregues el diseño para que puedan revisarse antes de la primera fabricación.
En nuestra línea, las piezas de orificio pasante se sueldan en una máquina de soldadura por ola GSD-WD300T o en un sistema de soldadura selectiva JADE MK II. Cuál de las dos se adapta mejor a una placa de cobre grueso depende de cómo estén distribuidas las piezas de orificio pasante y SMT, y eso se determina durante la revisión DFM, no en la primera fabricación.
Los pesos mixtos también se manifiestan como alabeo. Una placa con cobre pesado concentrado en un lado, o un plano pesado solo debajo de una parte de la placa, puede combarse durante el refusión, lo que somete a esfuerzo las uniones en componentes grandes y dificulta la colocación de paso fino. La solución está en el diseño: distribuya el cobre de la manera más uniforme que permita el circuito y utilice balanceo de cobre en las áreas con poca población de componentes.
¿Qué acabados de superficie están disponibles?
Para placas de cobre grueso ofrecemos HASL, HASL sin plomo y ENIG. Elige ENIG si la placa tiene componentes de paso fino o con terminación inferior; las opciones HASL son adecuadas para placas predominadas por componentes de potencia más grandes y conectores de orificio pasante.
| Terminar | Planitud de la superficie | Buena opción | Cuidado con |
|---|---|---|---|
| HASL (estaño-plomo) | Desigual, varía según el tamaño de la almohadilla | Productos no RoHS con pads grandes y orificios pasantes | No cumple con RoHS |
| HASL sin plomo | Desigual, varía según el tamaño de la almohadilla | Productos RoHS con mayormente componentes de gran potencia | Un ciclo más de alta temperatura en una placa con alta masa térmica |
| ENIG | Plano | QFN con pad expuesto, componentes de paso fino | Mayor costo, especialmente con grandes áreas de cobre expuestas |
Acabados de superficie disponibles para placas de cobre grueso de PCBCart.
Los acabados OSP e inmersión no figuran en la lista de opciones para cobre grueso. Si su diseño actual requiere uno, verifique si el motivo sigue siendo válido una vez que la placa pase a cobre grueso, o consúltelo con nuestro equipo de ingeniería.
Lista de verificación para diseño de cobre pesado
Repasa esto antes de enviar los Gerbers. Cada punto es algo que de otro modo señalaríamos en la revisión DFM.
| Comprobar | Qué confirmar |
|---|---|
| Peso de cobre | Cobre terminado especificado por capa en el plano de fabricación; capas externas hasta 15 oz, capas internas hasta 12 oz |
| Traza y espacio | Cada capa cumple el mínimo correspondiente a su propio peso de cobre; las capas internas utilizan los valores internos |
| Paso de almohadilla | El paso más fino en cada capa exterior gruesa es al menos el ancho mínimo de pista más el espacio mínimo para ese grosor |
| Distancia de seguridad eléctrica | El espaciamiento de alto voltaje lo establece IPC-2221 o tu norma de seguridad, no el mínimo de la fábrica |
| Anillo anular | 6 mil mínimo; más sobre pads de conducción de corriente y conectores |
| Agujeros | Taladro mínimo de 10 mil; orificios pequeños en placas gruesas confirmados con nuestro equipo de ingeniería |
| Material | 3 oz o más de cobre terminado significa FR4 alta Tg 170 |
| Apilamiento | De 2 a 24 capas; grosor de 0,6 a 6,5 mm; fabricado sobre nuestro apilado predeterminado salvo confirmación en contrario |
| Balance térmico | Los pequeños pasivos con una sola almohadilla en un avión pesado utilizan alivios o cobre coincidente |
| Agujero pasante | Pines con corriente con conexiones de plano sólido marcados cuando envías el diseño |
| Ajuste de ensamblaje | Para el montaje SMT: placa o panel de 0,2 a 6 mm de grosor y dentro de 400 × 310 mm, o confirmado con nuestro equipo de ingeniería |
| Acabado de superficie | ENIG para componentes de paso fino o con pad expuesto; HASL o HASL sin plomo en los demás casos |
| Clase de calidad | Fabricado según la norma IPC Clase 2 como estándar; cualquier requisito adicional se indicará en la cotización |
Lista de verificación DFM previa a la presentación para placas de cobre pesado.
Preguntas frecuentes
¿Debo especificar el cobre inicial o el cobre final en el plano?
Especifique el cobre finalizado, por capa. Las capas externas ganan cobre durante el proceso de chapado, por lo que un peso de lámina indicado en el plano deja el espesor final sujeto a interpretación, y cada límite en este artículo se refiere al peso final. Si su cálculo actual asumió un espesor determinado, indique ese espesor en lugar de solo un nombre de lámina.
¿Se considera que una placa de 3 oz es de cobre pesado?
En parte. Nuestra tabla de pistas y espacios para cobre pesado comienza en 4 oz, pero la regla de material comienza en 3 oz: cualquier placa con 3 oz o más de cobre terminado se fabrica en FR4 High Tg 170. Para pistas y espacios a 3 oz, confirme con nuestro equipo de ingeniería en lugar de interpolar a partir de la tabla.
¿Puedo enrutar señales de impedancia controlada en una placa de cobre grueso?
Consulta con nuestro equipo de ingeniería antes de comprometerte con ello. Los pedidos de cobre grueso utilizan nuestra pila de capas predeterminada, y la impedancia en una capa de 4 oz o más es difícil de predecir porque el conductor grabado es trapezoidal. Si tu diseño requiere impedancia controlada, envía el requisito junto con tus archivos para que podamos decirte de antemano si la fabricación puede cumplirlo.
¿A qué clase de calidad se fabrican las placas de cobre pesado?
La Clase 2 de IPC es nuestro estándar para placas de cobre grueso. Si el plano de fabricación especifica cualquier otro requisito de aceptación, inclúyelo en tu solicitud de cotización para que nuestro equipo de ingeniería pueda revisarlo antes de que realices el pedido.
¿Hace el cobre grueso que el retrabajo sea más difícil?
Sí. La masa térmica que ralentiza el reflow también dificulta retirar o reemplazar una pieza en un plano grande solo con una herramienta de aire caliente o un soldador, porque el plano sigue extrayendo calor, por lo que normalmente se necesita un precalentamiento por la parte inferior. Si es probable que una pieza se sustituya durante la puesta en marcha, como un MOSFET de potencia que puedas cambiar después de las pruebas, dale algo de aislamiento térmico en el diseño siempre que la corriente lo permita.
Recursos útiles
•Equipo de ensamblaje SMT de PCBCart
•Materiales de PCB disponibles en PCBCart
•Descripción general de los servicios de ensamblaje de PCB
