Le cuivre épais modifie vos règles de conception à deux niveaux. Du côté de la fabrication, chaque once supplémentaire augmente la largeur minimale de piste et d’espacement : une couche externe de 4 oz nécessite au minimum 9/9 mil (0,23/0,23 mm) chez PCBCart, et une couche externe de 15 oz nécessite 32/40 mil (0,81/1,02 mm). Du côté de l’assemblage, le cuivre supplémentaire agit comme un dissipateur thermique, de sorte que les pastilles reliées à de grands plans épais sont les dernières à refondre et déterminent tout le profil de soudure.
Ce guide explique les deux, en utilisant les limites publiées sur notrepage des capacités en cuivre épais. Tous les poids de cuivre indiqués ici concernent du cuivre fini, ce à quoi ces limites se réfèrent. Lorsqu’une valeur n’est pas publiée, nous le précisons et vous orientons vers notre équipe d’ingénierie plutôt que de faire une supposition.
Quand le cuivre épais en vaut-il la peine ?
Le cuivre épais en vaut la peine lorsque le courant ou la chaleur fixe la limite et qu’élargir les pistes sur un circuit de 1 oz ou 2 oz ne tient plus dans l’espace disponible. Si la densité de routage est la véritable contrainte, un cuivre plus épais aggrave généralement les choses.
La capacité de courant augmente avec la section transversale du conducteur, c’est-à-dire la largeur multipliée par l’épaisseur, mais sa relation avec l’élévation de température n’est pas linéaire. Notre article surcapacité de transport de courantcouvre la formule IPC-2221 et explique pourquoi doubler la surface ne double pas le courant admissible. En pratique, vous pouvez souvent atteindre la section nécessaire de deux manières : utiliser une grande largeur avec du cuivre standard, ou augmenter l’épaisseur et garder une faible empreinte.
Une première question utile : le courant élevé est-il limité à quelques nets ou traverse-t-il toute une section d'alimentation ?
Pour quelques réseaux, des pistes plus larges, le même réseau dupliqué sur deux couches, ou un jeu de barres mécanique sont souvent la solution la moins chère. Lorsque toute une section transporte du courant, lorsque la carte doit dissiper la chaleur des dispositifs de puissance dans un plan, ou lorsque les emplacements de connecteurs ont besoin d’un cuivre plus robuste, le cuivre épais commence à devenir rentable.
Tenez également compte des effets indirects. Toute carte avec 3 oz ou plus de cuivre final est fabriquée uniquement sur FR4 High Tg 170, les dimensions minimales augmentent comme indiqué ci-dessous, et les composants à pas fin deviennent difficiles à placer sur des couches externes lourdes. De nombreux concepteurs mettent le cuivre épais sur les couches internes d’alimentation (jusqu’à 12 oz chez nous) et gardent les couches externes plus légères pour les pastilles de composants.
Dans quelle mesure la largeur de piste et l’espacement augmentent-ils avec l’épaisseur de cuivre ?
Les deux augmentent à chaque once, et au-dessus de 6 oz, l’espacement minimal augmente plus vite que la largeur minimale. La raison est la gravure. Le cuivre épais reste plus longtemps dans la graveuse, le produit de gravure attaque latéralement en même temps qu’il attaque en profondeur, et le conducteur se retrouve plus large à la base qu’au sommet. L’illustration est compensée pour cela, et l’écart doit être suffisamment large pour que les bases de deux conducteurs voisins ne se rejoignent jamais.
| Cuivre fini | Piste / espace minimum couche externe | Piste / espacement min intérieurs |
|---|---|---|
| 4 oz (environ 140 µm) | 9 / 9 mil (0,23 / 0,23 mm) | 8 / 12 mil (0,20 / 0,30 mm) |
| 5 oz (env. 175 µm) | 11 / 11 mil (0,28 / 0,28 mm) | 10 / 14 mil (0,25 / 0,36 mm) |
| 6 oz (env. 210 µm) | 13 / 13 mil (0,33 / 0,33 mm) | 12 / 16 mil (0,30 / 0,41 mm) |
| 12 oz (env. 420 µm) | 20 / 32 mil (0,51 / 0,81 mm) | 20 / 32 mil (0,51 / 0,81 mm) |
| 15 oz (env. 525 µm) | 32 / 40 mil (0,81 / 1,02 mm) | Non proposé (couches internes maximum 12 oz) |
Épaisseurs minimales de cuivre lourd PCBCart en mil, telles que publiées ; les valeurs en mm et µm sont des conversions arrondies. Pour les poids non indiqués, veuillez confirmer avec notre équipe d’ingénierie.
Trois éléments dans ce tableau induisent les gens en erreur.
Les couches internes nécessitent plus d’espacement que les couches externes pour un même poids : 12 mil contre 9 mil à 4 oz. Le cuivre interne doit être encapsulé par le préimprégné lors du laminage, de sorte que la résine doit s’écouler dans chaque interstice entre les éléments épais. Les canaux étroits et profonds sont les endroits où la famine de résine se manifeste, et la règle pour les couches internes laisse suffisamment d’espace pour que la résine puisse y pénétrer.
Ce sont des minimums, pas des objectifs. Les pistes conductrices de courant seront de toute façon bien plus larges. Le minimum devient réellement contraignant autour des pastilles de composants, dans le fanning-out des broches des dispositifs de puissance et entre les longues pistes parallèles. En particulier sur les couches internes, un design avec une certaine marge au-dessus du minimum est plus facile à fabriquer qu’un design qui s’y conforme exactement.
La règle d’espacement limite également le pas des pastilles. Un contrôle de cohérence rapide consiste à additionner la largeur minimale et l’espacement minimal : 18 mil (environ 0,46 mm) sur une couche externe de 4 oz, 26 mil (environ 0,66 mm) sur une couche externe de 6 oz. Si le composant au pas le plus fin sur une couche externe épaisse s’approche de cette valeur, envoyez l’empreinte à notre équipe d’ingénierie avant de valider le routage.
Gardez à l’esprit que les minimums de fabrication ne correspondent pas aux distances d’isolement électriques. Si votre carte fonctionne à haute tension, les distances d’isolement dans l’air (clearance) et de fuite (creepage) exigées par l’IPC‑2221 ou par votre norme de sécurité produit peuvent être bien supérieures à tout ce qui figure dans ce tableau, et c’est cette exigence qui prévaut.
Anneau annulaire, diamètre de perçage et choix de matériaux
L’anneau annulaire minimal pour le cuivre épais est de 6 mil et le trou de perçage minimal est de 10 mil, mais sur une carte en cuivre épais et de forte épaisseur, c’est généralement l’épaisseur de la carte qui détermine la plus petite taille pratique de via avant l’un ou l’autre de ces deux seuils.
Les circuits imprimés en cuivre épais ont tendance à être de grande épaisseur ; notre gamme va de 0,6 à 6,5 mm. Un trou de 10 mil (0,25 mm) proche de la limite supérieure de cette gamme représente un défi en matière de placage, car le cuivre doit se déposer de façon uniforme dans un fût profond et étroit. Si vous prévoyez de petits vias sur une carte épaisse, validez la combinaison du diamètre de perçage et de l’épaisseur de carte avec notre équipe d’ingénierie avant de finaliser votre routage.
Sur la couronne annulaire, nous recommandons de dépasser le minimum de 6 mil (0,15 mm) sur les pastilles qui transportent du courant ou qui ancrent des connecteurs. La couronne fait partie du chemin de courant entre le trou métallisé et la piste, et sur les couches épaisses, le même sous-décapage de gravure qui élargit les espacements enlève également de la matière au bord de la couronne.
Pour le matériau, la règle est simple : 3 oz ou plus de cuivre final signifie FR4 High Tg 170. En dessous de 3 oz, Tg 140 et Tg 170 sont tous deux disponibles. L’exigence de High Tg n’est pas une formalité. Les circuits imprimés à cuivre épais restent chauds plus longtemps à chaque cycle thermique, et l’expansion selon l’axe Z de la résine tire sur les fûts métallisés à chaque fois. Les trous traversants dans les cartes épaisses avec de larges plans internes sont l’endroit où cette contrainte se concentre.
Les commandes de cuivre épais sont réalisées sur notre empilage de couches par défaut. Si votre conception dépend d’un empilage spécifique, d’une épaisseur diélectrique ou d’une combinaison de cuivre par couche particulière, signalez-le à notre équipe d’ingénierie avant de passer commande. Dans tous les cas, maintenez une répartition équilibrée du cuivre : un cuivre épais d’un côté et un cuivre fin de l’autre donnent un circuit déséquilibré qui a tendance à se voiler lors du laminage et de la refusion.
Qu’est-ce qui change sur la chaîne de montage ?
La carte chauffe de manière inégale. Les pastilles reliées à des plans massifs sont les dernières à atteindre la température de refusion, donc le profil est défini par ces pastilles, et le risque se déplace vers les petits composants placés à côté d’elles.
Masse thermique et profil de refusion
Une carte de 1 oz avec quelques composants de puissance se refond à peu près comme n’importe quelle autre carte. Une carte avec 4 oz ou plus sur plusieurs couches se comporte différemment : les plans extraient la chaleur des pastilles situées au-dessus d’eux, et l’ensemble de la carte met plus de temps à monter en température. En appliquant un profil standard, les petits passifs se refondent correctement tandis que la patte de puissance sur le grand plan peut ne pas être entièrement mouillée.
Le profil de refusion doit amener le plot le plus lent, généralement celui sur le cuivre le plus épais, à une refusion correcte sans surchauffer le composant le plus sensible à la température. Cela implique souvent une phase de trempage plus longue afin que la zone lourde puisse rattraper avant le pic, ce qui est précisément là où les huit zones de chauffe de notre four de refusion NS800II nous donnent la marge nécessaire pour façonner le profil. La limite stricte est celle des spécifications des composants : tout ce dont le plot lourd a besoin doit rester dans ce que le composant le plus sensible permet. Quand ces exigences sont irréconciliables, la solution relève du routage, pas du four.
Joints de soudure sur de grandes zones de cuivre
Les larges pastilles sur les gros boîtiers, tels que les languettes D2PAK et TO‑263, les pads exposés des QFN de puissance et les gros borniers, présentent deux défauts typiques : une mouillabilité incomplète lorsque la brasure n’a jamais atteint une température suffisante, et des vides sous le pad thermique. Les dépôts de pâte sont contrôlés sur notre SPI 3D InSPIre 510B, qui mesure le volume, la surface et la hauteur, et les joints de brasure passent par l’AOI ALD515 après refusion. Les joints cachés sous les boîtiers de puissance à terminaison inférieure ne sont pas visibles optiquement, ce pour quoi sert notre système à rayons X VIEW X2000. L’inspection permet de détecter les problèmes, mais elle ne corrige pas une pastille pénalisée thermiquement par la conception. Le volume de pâte sur les grandes pastilles et la connexion en cuivre autour de celles‑ci doivent être définis dès l’étape DFM.
Les petits composants bipolaires sont les autres victimes. Un 0402 ou un 0603 avec une pastille reliée à un plan massif et l’autre à une fine piste voit le côté piste fondre en premier, et la tension de surface peut faire se dresser le composant sur la tranche. La correction de conception est l’équilibrage thermique : une connexion par pastille thermique du côté plan, ou des surfaces de cuivre équivalentes sur les deux pastilles. Le problème est qu’une pastille thermique limite aussi le courant, donc pour une résistance de mesure de courant, soit vous dimensionnez les branches pour le courant, soit vous raccordez les deux pastilles à des surfaces de cuivre équivalentes.
Vérifier les limites d’assemblage ainsi que les limites de fabrication
Un circuit imprimé en cuivre épais peut respecter les limites de fabrication tout en sortant du cadre de la ligne d’assemblage. Nous fabriquons des circuits jusqu’à 6,5 mm d’épaisseur, tandis que notre imprimante de pâte à braser G5 accepte des circuits de 0,2 à 6 mm d’épaisseur avec une surface maximale de 400 × 310 mm. Si votre circuit dépasse 6 mm d’épaisseur ou est plus grand que cette surface et nécessite également un assemblage SMT, veuillez confirmer avec notre équipe d’ingénierie avant de figer le contour.
Poids de cuivre mixtes et composants traversants
Les broches traversantes soudées dans des plans massifs sont les joints les plus difficiles à remplir sur ces cartes, car le plan dissipe la chaleur du fût. Les broches qui ne transportent pas de courant doivent être dotées de décharges thermiques. Celles qui en transportent ont souvent besoin de connexions pleines ; signalez‑les lors de la soumission du design afin qu’elles puissent être examinées avant la première fabrication.
Sur notre ligne, les composants traversants sont soudés sur une machine à vague GSD-WD300T ou sur un système de soudure sélective JADE MK II. Le choix de la solution la mieux adaptée pour un circuit imprimé à cuivre épais dépend de la disposition des composants traversants et CMS, et cela est défini lors de la revue DFM, pas sur le premier assemblage.
Des poids mixtes se manifestent également sous forme de déformation. Une carte avec une forte épaisseur de cuivre concentrée sur un côté, ou un plan de masse épais sous une seule partie de la carte, peut se voiler pendant la refusion, ce qui sollicite les joints des composants de grande taille et rend le placement à pas fin plus difficile. La solution se trouve dans le routage : répartir le cuivre aussi uniformément que le circuit le permet et utiliser un équilibrage du cuivre dans les zones peu peuplées.
Quelles finitions de surface sont disponibles ?
Pour les circuits imprimés à cuivre épais, nous proposons un fini HASL, HASL sans plomb et ENIG. Choisissez ENIG si le circuit comporte des composants à pas fin ou à terminaison inférieure ; les options HASL conviennent aux circuits principalement constitués de composants de puissance plus volumineux et de connecteurs traversants.
| Terminer | Planéité de surface | Bonne adéquation | Surveillez |
|---|---|---|---|
| HASL (étain-plomb) | Inégal, varie selon la taille du coussin | Produits non conformes RoHS avec grands pastilles et trous traversants | Non conforme à la directive RoHS |
| HASL sans plomb | Inégal, varie selon la taille du tampon | Produits RoHS comportant principalement des composants de grande puissance | Un cycle supplémentaire à haute température sur une carte à forte masse thermique |
| énigme | Plat | Boîtiers QFN à pastille exposée, composants à pas fin | Coût plus élevé, surtout en présence de grandes zones de cuivre exposé |
Finitions de surface disponibles pour les circuits imprimés à cuivre épais de PCBCart.
Les finitions OSP et immersion ne figurent pas sur la liste des options pour cuivre épais. Si votre conception actuelle en prévoit une, vérifiez si la raison reste valable une fois que le circuit passe en cuivre épais, ou confirmez avec notre équipe d’ingénierie.
Liste de contrôle pour la conception en cuivre épais
Passez en revue ceci avant d’envoyer les Gerbers. Chaque ligne correspond à quelque chose que nous soulèverions autrement lors de la revue DFM.
| Vérifier | Ce qu'il faut confirmer |
|---|---|
| Poids du cuivre | Cuivre final indiqué par couche sur le dessin de fabrication ; couches externes jusqu’à 15 oz, couches internes jusqu’à 12 oz |
| Trace et espace | Chaque couche respecte le minimum correspondant à son propre poids de cuivre ; les couches internes utilisent les valeurs internes |
| Pas entre pastilles | Le pas le plus fin sur chaque couche externe épaisse est au moins la largeur minimale de piste plus l’espacement minimal pour cette épaisseur |
| Distance d’isolement électrique | Espacement haute tension défini par l’IPC-2221 ou par votre norme de sécurité, et non par le minimum de la fonderie |
| Bague annulaire | 6 mil minimum ; plus d’informations sur les pastilles de puissance et de connecteur |
| Trous | Perçage minimum de 10 mil ; petits trous dans des panneaux épais confirmés avec notre équipe d’ingénierie |
| Matériel | 3 oz ou plus de cuivre fini signifie FR4 Tg élevé 170 |
| Empilement | De 2 à 24 couches ; épaisseur de 0,6 à 6,5 mm ; construit sur notre empilage par défaut sauf confirmation contraire |
| Bilan thermique | Les petits passifs avec une seule pastille sur un circuit imprimé dense utilisent des décharges ou un cuivre apparié |
| Trou traversant | Broches porteuses de courant avec connexions à un plan plein signalées lors de la soumission de la conception |
| Ajustement d’assemblage | Pour l’assemblage SMT : carte ou panneau de 0,2 à 6 mm d’épaisseur et dans la limite de 400 × 310 mm, ou confirmé avec notre équipe d’ingénierie |
| Finition de surface | ENIG pour les composants à pas fin ou à pastille exposée ; HASL ou HASL sans plomb dans les autres cas |
| Classe de qualité | Conforme à la norme IPC Classe 2 ; toutes exigences supplémentaires sont indiquées sur le devis |
Liste de contrôle DFM préalable à la soumission pour les circuits imprimés à cuivre épais.
FAQ
Dois-je indiquer le cuivre de départ ou le cuivre final sur le dessin ?
Indiquez le cuivre final, couche par couche. Les couches externes gagnent du cuivre lors du placage, de sorte qu’un poids de feuille indiqué sur le plan laisse l’épaisseur finale sujette à interprétation, et chaque limite mentionnée dans cet article se réfère au poids final. Si votre calcul actuel suppose une épaisseur particulière, indiquez cette épaisseur plutôt que de vous contenter d’un nom de feuille.
Un circuit imprimé de 3 oz est-il considéré comme du cuivre épais ?
En partie. Notre tableau des pistes et espacements en cuivre épais commence à 4 oz, mais la règle de matériau commence à 3 oz : tout circuit imprimé avec 3 oz ou plus de cuivre fini est fabriqué sur FR4 High Tg 170. Pour les pistes et espacements à 3 oz, veuillez confirmer avec notre équipe d’ingénierie plutôt que d’interpoler à partir du tableau.
Puis‑je router des signaux à impédance contrôlée sur un circuit imprimé à cuivre épais ?
Vérifiez avec notre équipe d’ingénierie avant de vous engager. Les commandes avec cuivre épais utilisent notre empilage par défaut, et l’impédance sur une couche de 4 oz ou plus est difficile à prévoir, car le conducteur gravé est de forme trapézoïdale. Si votre conception nécessite une impédance contrôlée, envoyez-nous le cahier des charges avec vos fichiers afin que nous puissions vous dire dès le départ si la fabrication peut la respecter.
Les circuits imprimés à cuivre épais sont fabriqués selon quelle classe de qualité ?
La classe IPC 2 est notre norme pour les circuits imprimés à cuivre épais. Si le plan de fabrication spécifie une autre exigence d’acceptation, veuillez l’inclure dans votre demande de devis afin que notre équipe d’ingénierie puisse l’examiner avant votre commande.
Le cuivre épais rend-il la reprise plus difficile ?
Oui. La masse thermique qui ralentit le refusion rend également difficile le retrait ou le remplacement d’un composant sur un grand plan en utilisant uniquement un outil à air chaud ou un fer, car le plan ne cesse de dissiper la chaleur ; un préchauffage par le dessous est donc généralement nécessaire. Si un composant risque d’être remplacé lors de la mise en service, comme un MOSFET de puissance que vous pourriez changer après les tests, prévoyez-lui une certaine isolation thermique dans le routage lorsque le courant le permet.
Ressources utiles
•Équipements d’assemblage SMT de PCBCart
•Matériaux de PCB disponibles chez PCBCart
•Aperçu des services d’assemblage de PCB
