Übersicht über Leiterplatten mit hohem Kupferanteil

Dickkupfer-Leiterplatten sind eine wichtige Technologie in bestimmten Hochleistungs- und Hochstromanwendungen, insbesondere im Zusammenhang mit Stromversorgungen und Geräten, die eine hohe Strombelastbarkeit erfordern.

1. Was ist eine Leiterplatte mit hohem Kupferanteil?

Kurz gesagt, handelt es sich bei Leiterplatten mit dicker Kupferbeschichtung um eine Art von Leiterplatten, bei denen die Kupferfoliendicke deutlich größer ist als bei herkömmlichen Leiterplatten:

● Konventionelle Leiterplatten: Die Dicke der äußeren Kupferschicht beträgt typischerweise 1 OZ/ft² (ungefähr 35µm), während die inneren Schichten im Allgemeinen 0,5 OZ/ft² oder 1 OZ/ft² dick sind.

● Leiterplatten mit hoher Kupferdicke: Leiterplatten mit einer Kupferdicke von ≥ 3 OZ/ft² (ca. 105 µm) werden allgemein als Leiterplatten mit hoher Kupferdicke bezeichnet. Technisch gesehen kann die Kupferdicke 10 OZ/ft² (ca. 350 µm) oder sogar mehr erreichen.

Konvertierung:

1 OZ/ft² = 35 µm (Mikrometer)

Gängige Dicken: 1OZ (35µm), 2OZ (70µm), 3OZ (105µm), 4OZ (140µm), 6OZ (210µm), 10OZ (350µm) usw.

2. Kernmerkmale und Vorteile von Leiterplatten mit hohem Kupferanteil

1) Hohe Strombelastbarkeit: Dies ist der Hauptzweck. Gemäß der Formel I = k * ΔT^0,44 * A^0,725 (IPC-2221-Standard) korreliert die Strombelastbarkeit eines Leiters positiv mit der Querschnittsfläche (A) der Kupferfolie. Eine Verdopplung der Kupferdicke kann die Strombelastbarkeit deutlich erhöhen und das Risiko einer Überhitzung verringern.

2) Hervorragende Wärmeableitung: Kupfer ist ein guter Leiter. Eine dickere Kupferschicht kann die von Bauteilen (wie MOSFETs, IGBTs usw.) erzeugte Wärme schneller zum Kühlkörper oder Gehäuse ableiten, wodurch die Betriebstemperatur gesenkt und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessert werden. 

3) Erhöhte mechanische Festigkeit: Dickere Kupferschichten verleihen den Kontaktflächen und Durchkontaktierungen eine höhere mechanische Festigkeit. Dies ist besonders vorteilhaft für Steckverbinder, die häufig ein- und ausgesteckt werden müssen, da dickeres Kupfer schwere Bauteile besser stützt.

4) Sonderanfertigungen:

● Planare Transformatoren/Induktivitäten: Magnetische Bauteile können direkt in die Leiterplattenschicht eingebettet werden, wodurch durch dicke Kupferfolien eine hohe Leistungsdichte erreicht wird.

● Niederohmige Strompfade: Reduziert Spannungsabfall und Stromverbrauch auf Hochstrompfaden.

3. Hauptanwendungen

● Stromversorgungen: Hochleistungs-AC/DC- und DC/DC-Wandler (z. B. Server-Netzteile, Industrie-Netzteile), USV.

● Neue Energien: Solare Photovoltaik-Wechselrichter, Windkraftumrichter, Fahrzeuge mit neuer Energie (On-Board-Ladegeräte (OBC), Motorsteuerungen, Batteriemanagementsysteme (BMS)).

● Leistungssteuerung: Motorantriebe, industrielle Steuerung, Schweißgeräte.

● Luft- und Raumfahrt sowie Militär: Hochzuverlässige, leistungsstarke Ausrüstung für die Luftfahrt oder Satelliten.

● Automobilindustrie: Scheinwerfersteuergeräte, Stromverteilungseinheiten.

● Hochleistungs-LED-Beleuchtung: Wird zur Wärmeableitung und zum Transport des Ansteuerstroms verwendet.

4. Herausforderungen für Konstruktion und Fertigung

Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten bieten dicke Kupferplatinen zwar eine verbesserte spezifische Leistung, stellen aber auch höhere Anforderungen an Design und Fertigung:

Herausforderungen beim Design:

● Linienbreite/Linienabstand: Beim Ätzen entsteht „Seitenätzung“, die bei dickerem Kupfer stärker ausgeprägt ist. Daher lassen sich keine sehr feinen Linien erzeugen. Linien auf Leiterplatten mit dickem Kupfer sind typischerweise breiter und haben einen größeren Abstand.

Bei einer Kupferdicke von 3 OZ muss beispielsweise die minimale Leiterbahnbreite bzw. der minimale Leiterbahnabstand 8-10 mil (0,2-0,25 mm) oder mehr betragen.

● Anforderungen an die Kupferplattierung: Um hohe Ströme zu leiten und eine mechanische Festigkeit zu gewährleisten, muss die Kupferplattierung an den Innenwänden der Durchkontaktierungen ebenfalls dicker sein (z. B. 2-3 mil oder mehr).

● Laminierungsausrichtung: Aufgrund der ungleichmäßigen Kupferdicke und des variierenden Flusses während der Laminierung ist die Ausrichtungskontrolle schwieriger.

● Impedanzkontrolle: Bei Hochfrequenzanwendungen beeinflusst dickes Kupfer die charakteristische Impedanz, was die Auslegungsberechnungen komplexer macht.

Herausforderungen in der Fertigung:

1) Musterübertragung/Belichtung: Dicke Kupferfolie erschwert es, dass Trockenfilm oder flüssiger Fotolack ein gleichmäßiges Muster vollständig abdecken und bilden, weshalb eine hohe Belichtungsgleichmäßigkeit erforderlich ist.

2) Ätzen: Eine der größten Herausforderungen. Der Ätzprozess ist zeitaufwendig und es kann zu Seitenätzungen kommen, was trapezförmige anstelle der idealen rechteckigen Querschnitte zur Folge hat. Daher ist eine präzise Kontrolle der Ätzparameter und Chemikalien unerlässlich.

3) Laminierung: Dicke Kupferstrukturen weisen bei der Laminierung erhebliche Unebenheiten auf, was den Einsatz großer Mengen Prepreg-Harz erfordert. Dies kann zu Problemen wie Blasenbildung und ungleichmäßigem Harzfluss führen und bedingt spezielle Füll- und Laminierverfahren.

4) Bohren: Dicke Kupferschichten verursachen schnellen Bohrerverschleiß, was potenziell zu einer höheren Rauheit der Bohrlochwand führt. Anpassungen der Bohrparameter und eine gründlichere Reinigung der Bohrlochwand sind erforderlich.

5) Galvanisierung: Die Gewährleistung einer ausreichend dicken Kupferschicht, die gleichmäßig auf den Durchkontaktierungen und Oberflächen aufgebracht wird, stellt eine größere Herausforderung dar.

5. Wichtigste Fertigungsprozesse

Um den oben genannten Herausforderungen zu begegnen, müssen die Hersteller Folgendes berücksichtigen:

● Stufenweises Ätzen: Ätzen in mehreren Schritten, wobei jeweils nur ein Teil der Tiefe geätzt wird, um seitliches Ätzen zu reduzieren.

● Spezielle Ätzlösungen: Verwendung von Lösungen mit niedriger lateraler Ätzrate, wie z. B. saures Kupferchlorid.

● Hochleistungspressen: Durch die Verwendung von hohem Druck wird sichergestellt, dass das Harz die Lücken zwischen den Leitungen vollständig ausfüllt.

● Mehrfache Laminierung: Bei extrem dicken Kupfer- oder mehrlagigen dicken Kupferplatinen können mehrere Laminierungsstufen eingesetzt werden.

● Laserablation: Für extrem hochpräzise dicke Kupferstrukturen kann die direkte Laserformung anstelle des herkömmlichen Ätzens eingesetzt werden.

6. Wie man „Leiterplatten mit dickem Kupfer“ und „Leiterplatten mit Kupfersubstrat (Metallsubstrate)“ unterscheidet

Dies ist ein häufiges Missverständnis:

● Leiterplatten mit dicker Kupferschicht: Bezeichnet Leiterplatten mit sehr dicker Kupferfolie auf den Leiterbahnen, während das Substrat aus isolierendem Harzmaterial wie FR-4, CEM-3 oder PI besteht. Ihre Hauptfunktion ist die Erhöhung der Stromtragfähigkeit, ein weiterer Vorteil ist die hervorragende Wärmeableitung.

● Kupfersubstrat-Leiterplatten: Diese Leiterplatten bestehen aus einem Metallsubstrat mit folgendem Aufbau: Kupferfolienleiterbahnen auf der Oberseite → Isolierende und wärmeleitende dielektrische Schicht → Metallsubstrat (üblicherweise Aluminium oder Kupfer). Sie dienen primär der Wärmeableitung. Die Kupferdicke kann entweder dem Standardwert von 1 oz entsprechen oder größer sein. Das Kernmerkmal ist ein einzelnes Metallstück, das als Kühlkörper fungiert.

Kurz gesagt: Bei einer Leiterplatte mit dickem Kupferkern sind die Leiter selbst sehr dick, während ein Kupfersubstrat bedeutet, dass es sich um ein einzelnes Stück Metallsubstrat handelt.

Zusammenfassung:

Bei der Auswahl des geeigneten Leiterplattentyps müssen Ingenieure Stromstärke, Anforderungen an das Wärmemanagement, Platzbeschränkungen, Kostenbudget und Leiterbahndichte umfassend bewerten. Anschließend entscheiden sie, ob eine Leiterplatte mit dicken Kupferschichten die optimale Lösung ist und wie dick die Kupferfolien sein sollten. Bei hohen Stromstärken und hohen Anforderungen an die Wärmeabfuhr kann unter Umständen auch eine Kombination aus einer Leiterplatte mit dicken Kupferschichten und einem Metallsubstrat in Betracht gezogen werden.

Benlida konzentriert sich seit 14 Jahren auf die Leiterplattenfertigung. Dank unserer langjährigen Produktionserfahrung und unserer marktorientierten und kundenfokussierten Arbeitsweise modernisieren wir kontinuierlich unsere Fertigungsanlagen und optimieren unsere Produktionsprozesse. Benötigen Sie Leiterplatten mit hohem Kupferanteil? Kontaktieren Sie uns gerne!