PCB de Cobre Grueso

PCB de Cobre Pesado, también conocido como PCB de cobre grueso, es un tipo especial de PCB con un espesor de lámina de cobre de ≥2 oz (70 μm), muy superior al de 1 oz/35 μm de los PCB convencionales. Las especificaciones comunes van desde 2 oz hasta más de 10 oz. Sus características principales son una mayor capacidad de conducción de corriente, rendimiento en disipación térmica y resistencia mecánica. Se requieren procesos especiales de electroplacado y grabado para su fabricación, a fin de garantizar la uniformidad y adherencia del cobre grueso capa. En comparación con los PCB ordinarios, los PCB de cobre grueso tienen una mayor capacidad de conducción de corriente (capaces de transportar corrientes de decenas a cientos de amperios), una excelente disipación de calor y una mayor dificultad de fabricación. Principalmente se aplican en escenarios como equipos de potencia, convertidores de frecuencia para control industrial, sistemas de control electrónico de vehículos de nueva energía y módulos de alimentación para equipos médicos que requieren transmisión de alta corriente, salida de alta potencia o fuerte disipación de calor. Los PCB ordinarios son principalmente adecuados para electrónica de consumo y dispositivos de baja potencia.

Las ventajas principales de los PCB de cobre grueso se centran en su adaptabilidad a escenarios de alta corriente y alta potencia, lo cual se refleja específicamente en los siguientes aspectos:

· Capacidad de conducción de corriente súper elevada:

La capa gruesa de cobre (≥2 oz) puede conducir corrientes grandes de decenas a cientos de amperios, lo que es muy superior a los PCBs ordinarios. Puede satisfacer los requisitos de transmisión de corriente de productos de alta potencia, como equipos eléctricos y nuevos sistemas electrónicos de control para vehículos de energía nueva, y evitar el calentamiento y la quema de líneas provocados por sobrecarga de corriente.

· Excelente rendimiento de disipación de calor:

El cobre tiene una excelente conductividad térmica. Una capa más gruesa de cobre es un excelente conductor de calor, y su eficiencia de disipación térmica es mucho mayor que la de los PCBs estándar. La capa de cobre reforzada puede conducir rápidamente el calor generado durante el funcionamiento del circuito, reduciendo eficazmente la temperatura superficial de la placa, minimizando el daño a componentes y circuitos causado por envejecimiento térmico, y mejorando la estabilidad y vida útil del producto.

· Mayor resistencia mecánica:

Otra ventaja clave de los PCB de alto contenido de cobre radica en su mayor resistencia mecánica. La capa gruesa de cobre mejora la dureza física del PCB, haciéndolo más resistente a la flexión y al impacto, y por tanto más capaz de soportar tensiones físicas como flexión, vibración y choque mecánico. Puede adaptarse a condiciones de trabajo adversas con vibraciones frecuentes, como equipos de control industrial y entornos vehiculares, reduciendo el riesgo de rotura de líneas.

· Fiabilidad estable de conductividad eléctrica

La capa gruesa de cobre reduce las pérdidas por resistencia durante la transmisión de corriente, disminuye la caída de voltaje y garantiza la estabilidad de la señal del circuito y la transmisión de energía. Es especialmente adecuado para equipos médicos y sistemas de control industrial de precisión con requisitos elevados de precisión en la alimentación eléctrica.

· Soporte para diseño integrado:

Puede lograr una disposición integrada de circuitos de alta corriente y circuitos de señal precisa, reduciendo la necesidad de disipadores de calor externos, derivaciones y otros componentes, simplificando la estructura del producto y mejorando la utilización del espacio.

· Prolonga la vida útil

Una mayor capacidad de conducción de corriente, una mejor gestión de la disipación de calor y una mayor resistencia mecánica extienden conjuntamente la vida útil del PCB de cobre grueso. Estos PCB no son propensos a daños térmicos o mecánicos, lo que garantiza su funcionamiento normal durante más tiempo. Esta fiabilidad es de vital importancia en campos de aplicación donde el mantenimiento o reemplazo es difícil y costoso, como en entornos aeroespaciales o industriales.

Debido al gran grosor de la capa de cobre y a los escenarios especiales de aplicación de las PCB de cobre grueso, el diseño debe tener en cuenta el rendimiento eléctrico, la viabilidad del proceso y la fiabilidad. Las consideraciones principales son las siguientes:

· Selección del grosor de cobre:

La especificación del grosor de cobre debe determinarse según la capacidad real de conducción de corriente y los requisitos de disipación de calor del equipo, para evitar un diseño excesivo y un aumento de costos. Combine el grosor de cobre con el ancho de la línea y consulte el estándar IPC-2221 de corriente admisible para garantizar que se cumplan los requisitos de transmisión de corriente máxima.

· Diseño de rutas:

Los circuitos de alta corriente deben ensancharse y engruesarse para evitar el sobrecalentamiento causado por una densidad de corriente excesivamente alta. Realice transiciones progresivas en las uniones entre componentes de paso fino y circuitos de cobre grueso para reducir cambios bruscos de impedancia. Evite los circuitos con ángulos agudos durante todo el proceso para prevenir un ataque químico desigual o campos eléctricos concentrados que puedan provocar fallas.

· Diseño de disipación de calor:

Para las áreas clave que generan calor, planifique zonas de disipación térmica con cobre grueso o aplique cobre, o reserve almohadillas conductoras de calor para conectar dispositivos externos de disipación. El calor se dispersa a través de múltiples capas de cobre grueso para evitar la acumulación localizada de calor. Los vías de alta corriente adoptan un diseño metalizado reforzado o múltiples orificios en paralelo para mejorar la disipación térmica.

· Diseño de vías y conexiones:

Los vías de cobre grueso aumentan el diámetro del orificio y espesan la capa de cobre en la pared del orificio. Cuando sea necesario, se deben utilizar orificios ciegos enterrados o rellenos de resina para evitar la fisuración de la pared del orificio. Las zonas de soldadura de los componentes tipo plug-in deben ampliarse adecuadamente para garantizar la adherencia de la soldadura con la capa de cobre grueso. El área de conexión de alta corriente se rellena con cobre en lugar de hilos delgados para mejorar la estabilidad de conducción de corriente.

· Control de impedancia:

Mediante software de simulación como Altium y Cadence, se optimizan el ancho de línea, el espaciado y el grosor del dieléctrico para contrarrestar la influencia de las capas de cobre grueso sobre la impedancia característica de la línea. Las líneas de señal de alta frecuencia y las líneas de alimentación de cobre grueso se disponen por separado para evitar interferencias electromagnéticas.

· Compatibilidad de proceso:

En vista de la característica de que el grabado de cobre grueso es propenso al ataque lateral, se reserva una compensación de grabado para garantizar la precisión del circuito. Para evitar áreas extensas de cobre grueso continuo, se pueden añadir ranuras adicionales o diseños huecos para prevenir el alabeo del PCB. La conexión entre la pestaña y la capa de cobre adopta una estructura de pestaña térmica para evitar falsas soldaduras causadas por la concentración de calor durante la soldadura.

· Confiabilidad mecánica:

Reservar holgura de expansión para PCBs de cobre grueso en combinación con la estructura de instalación del equipo, para evitar deformaciones provocadas por cambios de temperatura. Se añaden capas de cobre más gruesas o refuerzos adicionales en los bordes o áreas sujetas a carga para aumentar la resistencia a flexión y vibración, lo que los hace adecuados para condiciones de trabajo exigentes como en vehículos y sistemas de control industrial.

· Aislamiento y tensión de soporte:

Ajuste el espaciamiento de las líneas de cobre grueso según los requisitos de resistencia al voltaje del equipo. En escenarios de alto voltaje, aumente aún más el espaciamiento de acuerdo con el estándar de aislamiento IPC-2221. Los circuitos impresos multicapa de cobre grueso están fabricados con materiales dieléctricos resistentes a altos voltajes para evitar rupturas entre capas.

· Optimización de costos:

Solo se utiliza cobre grueso en áreas clave de alto consumo de corriente y alta disipación de calor, mientras que en áreas no críticas se mantiene un espesor estándar de cobre para equilibrar rendimiento y costo. Dé prioridad al uso de soluciones de proceso maduras para simplificar estructuras complejas y reducir las pérdidas de rendimiento en la producción

· Ancho de línea y espaciamiento

El ancho y el espaciamiento de los hilos de cobre son factores clave. La optimización debe realizarse según los requisitos de capacidad de conducción de corriente y la disposición general del circuito impreso.

· Utilice vías conductoras de calor y pads conductores de calor

Agregar vías conductoras térmicas y almohadillas conductoras térmicas en el diseño puede mejorar el efecto de disipación de calor. Estos diseños ayudan a disipar el calor desde los puntos calientes en la PCB, mejorando así la disipación térmica general gestión.

Debido a la capa de cobre gruesa y a escenarios de aplicación especiales, la inspección y prueba de placas de circuito impreso de cobre pesado (PCB de cobre grueso) debe cubrir tres dimensiones principales: calidad del proceso, rendimiento eléctrico y fiabilidad. Los contenidos principales son los siguientes:

Inspección de aspecto y defectos de proceso

· Calidad de la capa de cobre: Verificar si la capa de cobre grueso presenta desprendimiento, grietas, oxidación, y si existen rebabas en el borde de la pista debido a un atacado irregular (debe cumplir con el estándar IPC-A-600);

· Pads y vías: Verificar la planicidad y adherencia de los pads, si el espesor de la capa de cobre en las paredes de las vías cumple con los estándares, y si existen huecos o agujeros desalineados.

· Deformación de la superficie del tablero: Mida la alabeo del PCB (los PCB de cobre grueso son propensos al alabeo debido a la tensión de la capa de cobre, la cual debe controlarse dentro del 0,75 %) y verifique si hay desprendimiento o burbujas.

· Precisión dimensional: Verifique las dimensiones clave como ancho de línea, espaciado y diámetro de orificio para asegurar que sean consistentes con los planos de diseño (el error después de la compensación por grabado en líneas de cobre grueso debe ser ≤±0,05 mm).

Prueba de rendimiento eléctrico

· Prueba de conducción y aislamiento (prueba Hi-Pot): Se detecta el aislamiento entre líneas mediante un probador de aislamiento de alto voltaje para prevenir fallas por ruptura debidas al espaciado insuficiente entre capas de cobre grueso. Verifique la conductividad y diagnostique fallas de circuito abierto y cortocircuito;

· Prueba de capacidad de conducción de corriente: Aplique la corriente nominal en condiciones de trabajo simuladas, supervise el aumento de temperatura del circuito (para PCBs de cobre grueso, el aumento de temperatura a la corriente nominal debe ser ≤20 ℃), y confirmar que no existe riesgo de sobrecalentamiento o fusión.

· Prueba de impedancia: Utilice un analizador de impedancia para detectar la impedancia característica de la línea de señal de alta frecuencia y asegurarse de que la influencia de la capa de cobre grueso sobre la impedancia cumpla con los requisitos de diseño (error ≤±10%);

· Prueba de caída de voltaje: Mida la caída de voltaje en la línea durante la transmisión de alta corriente para verificar la ventaja de baja resistencia de la capa de cobre grueso y evitar pérdidas de voltaje que afecten el rendimiento del equipo.

Inspección Óptica Automática (AOI)

La Inspección Óptica Automática (AOI) utiliza tecnología avanzada de imágenes para detectar defectos que pueden no ser visibles a simple vista.

· Imágenes de alta resolución: El sistema AOI captura imágenes de alta resolución del PCB y las compara con las especificaciones de diseño.

· Detección de defectos: Este sistema puede identificar automáticamente problemas como cortocircuitos, circuitos abiertos, adelgazamiento de pistas y desalineación.

· Precisión: AOI ofrece alta precisión, lo que garantiza que incluso los defectos más pequeños puedan detectarse y resolverse.

Prueba de fiabilidad

· Prueba de ciclado térmico: prueba de ciclo dentro del rango de temperatura de -40 ℃ a 125℃ (≥1000 veces) para verificar la estabilidad de la unión de la capa de cobre grueso con el sustrato y las pistas, sin desprendimiento ni grietas.

· Prueba de choque térmico: cambio rápido entre entornos de alta y baja temperatura (diferencia de temperatura ≥80℃) para verificar la resistencia del PCB a cambios bruscos de temperatura, adecuado para escenarios exigentes como automoción y control industrial.

· Pruebas de vibración y resistencia mecánica: simular la vibración (frecuencia de 5~500 Hz) y los impactos durante el transporte y el uso para comprobar si el circuito de cobre grueso se ha roto y si los orificios pasantes se han desprendido.

· Prueba de resistencia a la corrosión: Verificar la resistencia a la oxidación y a la corrosión de la capa de cobre grueso mediante ensayo de niebla salina (niebla salina neutra, 48 a 96 horas) o ensayo de humedad térmica (85℃/85% RH, 1000 horas).

· Prueba de fiabilidad de soldadura: Tras completar la soldadura SMT/por orificio pasante, verificar la resistencia de adherencia entre las uniones de soldadura y las pistas de cobre grueso, y asegurar que no existan falsas soldaduras ni desprendimientos (la microestructura de las uniones de soldadura puede analizarse mediante secciones metalográficas).

Verificación de rendimiento especial

· Prueba de rendimiento de disipación térmica: Se detectó la distribución de temperatura del PCB en condiciones de carga máxima mediante una cámara térmica para verificar el efecto de disipación de calor de la capa de cobre grueso.

· Prueba de retardancia al fuego: Para escenarios de aplicación de alta potencia, se verifica el grado de retardancia al fuego del PCB según los estándares UL94 (alcanzando al menos el nivel V-0);

· Prueba de adhesión: Se realiza una prueba de cuadrícula o una prueba de tracción para verificar la adhesión entre la capa de cobre grueso y el sustrato (≥1,5 N/mm).

Las placas de circuito impreso con cobre grueso, gracias a su elevada capacidad de conducción de corriente, excelente disipación térmica y alta resistencia mecánica, se aplican principalmente en campos que requieren transmisión de alta corriente, alta potencia o condiciones de trabajo severas los escenarios principales son los siguientes:

En el campo de los vehículos de nueva energía

Componentes principales: Cargador a bordo, sistema de gestión de baterías, controlador del motor, convertidor DC/DC, módulo de la estación de carga.

Motivo de la aplicación: Debe soportar grandes corrientes (decenas a cientos de amperios), temperaturas altas y bajas alternantes y vibraciones. Las placas PCB con cobre grueso garantizan una transmisión de energía estable y una disipación térmica eficiente, y son adecuadas para el entorno exigente de los vehículos.

Control industrial y equipos de potencia

Componentes principales: convertidor de frecuencia, servocontrolador, fuente de alimentación UPS, módulo de potencia industrial, placa de control de armario de distribución de alta tensión, placa de control principal de máquina de soldadura eléctrica.

Motivo de aplicación: Los equipos de control industrial a menudo requieren una alta potencia de salida. Los PCBs con cobre grueso pueden reducir la pérdida por resistencia en las líneas, prevenir el sobrecalentamiento y, al mismo tiempo, resistir la vibración mecánica y la interferencia electromagnética mejorando la fiabilidad del equipo.

El campo de los equipos médicos

Componentes principales: fuentes de alimentación médicas, módulos de potencia para ventiladores, placas de control para instrumentos electroquirúrgicos.

Motivo de aplicación: Los equipos médicos tienen requisitos extremadamente altos en cuanto a estabilidad y seguridad de la fuente de alimentación. Los PCBs con cobre grueso pueden lograr una baja caída de voltaje, una alta disipación de calor y cumplir con los estrictos estándares de aislamiento y resistencia dieléctrica de la industria médica.

Campos de la industria aeroespacial y militar

Componentes principales: Sistema de alimentación aérea, módulo de lanzamiento de radar, placa de control de misiles, unidad de alimentación por satélite.

Motivo de aplicación: Para adaptarse a temperaturas extremas, vibraciones intensas y entornos con radiación, la alta resistencia mecánica y el rendimiento eléctrico estable de los PCB de cobre grueso pueden garantizar el funcionamiento normal del equipo en condiciones adversas.

Equipos de consumo y comerciales de alta potencia

Componentes principales: Inversor de almacenamiento de energía, inversor fotovoltaico, placa de control de electrodomésticos de alta potencia (como cocinas de inducción, hornos eléctricos), módulo de alimentación para centros de datos.

Motivo de aplicación: Los equipos de alta potencia generan mucho calor y tienen una corriente elevada. Los PCB de cobre grueso pueden disipar rápidamente el calor, prevenir sobrecargas y quemaduras en los circuitos, y prolongar la vida útil del equipo.

El campo del transporte ferroviario

Componentes principales: Convertidor de tracción del tren, sistema de alimentación de vía, módulo de control de señal.

Motivo de la aplicación: Los equipos de transporte ferroviario deben soportar vibraciones prolongadas, temperaturas altas y bajas, y frecuentes impactos de corriente elevada por arranques y paradas. La capacidad de conducción de corriente y la fiabilidad mecánica de los PCB de cobre grueso pueden cumplir con este requisito.