PCB de Cobre Grueso

¿Qué es un PCB de Cobre Pesado?

El PCB de Cobre Pesado es un tipo especial de placa de circuito impreso. Como su nombre lo indica, su característica principal es que el espesor de la lámina de cobre supera al de los PCB tradicionales. El espesor del cobre en un PCB tradicional suele estar entre 0.5 y 2 onzas (es decir, 17.5 a 70 micrones), mientras que en el PCB de Cobre Pesado el espesor es mayor a 2 onzas. Cuando el espesor de la lámina de cobre alcanza las 10 onzas o más, este tipo de PCB se denomina PCB de Cobre Extremo, que es una versión avanzada del PCB de Cobre Pesado. En algunos casos extremos, el espesor de la lámina de cobre puede llegar incluso a 20 onzas (aproximadamente 700μm), superando con creces el estándar de espesor de capa de cobre de los PCB de Cobre Pesado convencionales.

A medida que los campos de la nueva energía, la automatización industrial y otros sectores se desarrollan hacia altas potencias y adaptación a entornos extremos, las PCB de cobre grueso y las PCB de cobre extremadamente grueso se han convertido en clave para satisfacer las necesidades de alta capacidad de conducción de corriente y una disipación térmica eficiente. Los escenarios de aplicación de las PCB de cobre grueso también se expanden continuamente, incluyendo el control industrial, equipos de nueva energía, electrónica automotriz y equipos médicos; además, los productos con distintos espesores de cobre se adaptan a diferentes escenarios. Las PCB de cobre ultra grueso están diseñadas para condiciones aún más exigentes.

Para satisfacer de manera integral los requisitos de rendimiento eléctrico, resistencia mecánica y adaptabilidad al proceso, las PCB de cobre grueso suelen elegir sustratos aislantes basados en FR-4 de alta Tg (Tg ≥ 150°C). En algunos casos, se utilizan materiales cerámicos de relleno o materiales compuestos a base de metal o poliamida (PI) para mejorar la resistencia al calor, la conductividad térmica y la resistencia al estrés mecánico, adaptándose así a los requisitos de laminación con capas gruesas de cobre y operación a alta temperatura.

Ventajas Principales de las PCB de Cobre Grueso

En un contexto de requisitos de rendimiento cada vez más estrictos para los productos electrónicos, las PCB de cobre grueso se han convertido en una elección clave para satisfacer los requisitos de rendimiento eléctrico, disipación de calor, confiabilidad, adaptabilidad ambiental, tamaño e integración, gracias a sus características únicas que las distinguen de las placas de circuito convencionales con cobre grueso. Sus ventajas significativas incluyen:

1. Capacidad extraordinaria para soportar corriente y voltaje

El aumento en el grosor de la lámina de cobre incrementa directamente el área de la sección transversal del conductor, permitiendo que la PCB de Cobre Pesado transporte corriente y voltaje muy superiores a los de una PCB ordinaria. Por ejemplo, equipos como módulos de energía industrial y sistemas de energía para camiones eléctricos necesitan transmitir corrientes elevadas (a menudo superiores a 5A). Los cables de cobre ordinarios (0,5-2 onzas) tienden a quemarse debido al sobrecalentamiento, mientras que las PCB de Cobre Pesado (especialmente por encima de 4 onzas) pueden reducir la resistencia aumentando el grosor de la capa de cobre, evitando así riesgos por sobrecorriente; en escenarios de alto voltaje (como sistemas de control eléctrico), la estructura física del cobre grueso puede soportar mejor el esfuerzo del campo eléctrico y reducir el riesgo de ruptura dieléctrica.

2. Excelente disipación de calor y estabilidad térmica

El cobre es un material conductor térmico excelente (la conductividad térmica es de aproximadamente 401W/(m・K)), y la capa gruesa de cobre puede utilizarse como un "canal de disipación de calor" eficiente, mejorando significativamente la eficiencia de disipación térmica. El calor generado por dispositivos de alta potencia durante su funcionamiento puede difundirse rápidamente a través de toda la PCB mediante la almohadilla gruesa de cobre, reduciendo así la temperatura de unión del dispositivo (en comparación con PCBs ordinarias, el aumento de temperatura puede reducirse en 10-20℃); en un entorno de ciclo térmico (por ejemplo, -40℃~125℃), la ductilidad térmica del cobre grueso puede aliviar el estrés térmico, reducir la rotura de líneas causada por cambios alternados de frío y calor, y mejorar la estabilidad durante el funcionamiento prolongado.

3. Alta confiabilidad y resistencia mecánica

La estructura física de las PCB de cobre grueso le otorga una mayor resistencia a daños, especialmente para escenarios con requisitos estrictos de fiabilidad. El aumento en el grosor de la capa de cobre incrementa la resistencia mecánica de las pistas y los vias, puede soportar vibraciones e impactos (como en compartimentos de motores de automóviles, equipos de transporte ferroviario), y reduce las interrupciones causadas por esfuerzos mecánicos; la fuerza de unión entre el cobre grueso y el sustrato es más estable, y la separación de la lámina de cobre es menos probable durante procesos de soldadura y retoques, reduciendo el riesgo de defectos funcionales.

4. Excelente adaptabilidad a entornos extremos

Las PCB de cobre grueso muestran una tolerancia más fuerte en entornos adversos, superando ampliamente a las PCB normales:

• Resistencia a altas y bajas temperaturas: Puede operar establemente en el rango extremo de temperaturas de -55℃~150℃, adecuado para escenarios de uso en equipos aeroespaciales y militares;
  
• Resistencia a la corrosión y envejecimiento: El cobre grueso tiene un margen de "corrosión" mayor, y su vida útil es 3-5 veces más larga que la de PCB normales en ambientes de alta humedad, niebla salina (como en equipos marinos) y corrosión química (como en entornos industriales con productos químicos);
  
• Antirinterferencia electromagnética (EMI): La capa de tierra de cobre grueso puede reducir la impedancia, suprimir el ruido de rebote en tierra, disminuir la interferencia de señales y mejorar la integridad de señales de alta frecuencia/velocidad.
  

5. Ayuda a la miniaturización del equipo y optimización de costos

En el diseño de equipos de alta potencia, las PCB de cobre grueso pueden conducir corrientes elevadas a través de un solo conductor, reemplazando el diseño de "múltiples conductores en paralelo" en PCB normales, reduciendo así el número de capas de la PCB (por ejemplo, de 8 a 6 capas), disminuyendo el tamaño de la placa y logrando la miniaturización del equipo. También ayuda a reducir la cantidad de componentes (por ejemplo, disminuyendo disipadores de calor y conectores de cable) y optimizar el costo total del sistema. Aunque el costo de fabricación de una PCB de cobre grueso es más alto, el costo del ciclo de vida completo es menor.

Limitaciones de las PCB de cobre grueso

Aunque las PCB de cobre grueso tienen ventajas significativas en capacidad de conducción de corriente alta y confiabilidad, sus propiedades materiales y proceso de fabricación únicos también presentan algunas limitaciones inevitables. Estas desventajas restringen su aplicabilidad en ciertos escenarios específicos, reflejándose principalmente en los siguientes tres aspectos:

1. No es adecuada para cableado de alta densidad

El cobre de la PCB de cobre grueso (Heavy Copper PCB) es grueso, y es difícil obtener líneas delgadas y estrechas durante el proceso de atacado, por lo tanto, el ancho y el espaciado de las líneas deben ser superiores a 6 mil; sin embargo, el espaciado y ancho de línea requerido para un cableado de alta densidad suele ser inferior a 4 mil, algo así como pedirle a un "hombre grande" que se mueva ágilmente por un "callejón estrecho", lo cual es imposible. Por lo tanto, las PCB de cobre grueso solo pueden usarse en lugares como módulos de alimentación eléctrica donde no se requiere un cableado denso, pero no son adecuadas para escenarios como las placas base de teléfonos inteligentes que necesitan transmisión de señales de alta densidad.

2. Proceso de fabricación difícil

El proceso de producción de las PCB de cobre grueso requiere una precisión mucho mayor que las PCB normales, y los desafíos clave se centran en:

• Fase de grabado: Cuanto más gruesa es la lámina de cobre, más difícil es controlar la penetración y la uniformidad de la reacción de la solución de grabado, lo que puede provocar problemas como bordes ásperos en las líneas y desviaciones excesivas del ancho de línea, afectando el rendimiento del circuito;
  
• Fase de laminación: Después del grabado, la separación entre las pistas es grande, por lo que se requiere una gran cantidad de resina para rellenar el espacio. Si el relleno es insuficiente o existen burbujas, se producirá una unión deficiente entre las capas del PCB, siendo propenso a la delaminación durante la soldadura o el uso, lo cual puede provocar fácilmente cortocircuitos o circuitos abiertos;
  
• Máscara de soldadura y tratamiento superficial: La planicidad de la superficie de cobre grueso es deficiente, y durante la impresión de la tinta de máscara de soldadura son propensos a ocurrir problemas como recubrimiento irregular y formación de burbujas, incrementando el riesgo de una soldadura posterior deficiente.
  

Alto costo

En cuanto a los materiales, la cantidad de cobre utilizado es mucho mayor que en una PCB ordinaria. En cuanto al procesamiento, los procesos complejos de grabado y laminación alargan el ciclo de producción, y la tasa de desperdicio es alta, lo que eleva aún más los costos de procesamiento.

Recomendaciones de especificaciones para PCB de cobre grueso

Para aprovechar al máximo las ventajas de las PCB de cobre grueso, evitar dificultades en el proceso de fabricación y garantizar su rendimiento, se deben seguir una serie de especificaciones específicas al diseñar PCB de cobre grueso, con el fin de equilibrar funcionalidad y capacidad de fabricación:

1. El ancho mínimo de línea no debe ser inferior a 0,3 mm para evitar roturas causadas por dificultades en el proceso de grabado;
2. La separación mínima entre trazas adyacentes no debe ser inferior a 0,25 mm para evitar cortocircuitos provocados por un grabado incompleto;
3. La distancia entre la lámina de cobre alrededor del orificio fijo y el borde del orificio debe ser ≥0.4 mm, y no debe haber hilos finos dentro de 1.5 mm del borde del orificio para mejorar la resistencia mecánica;
4. La distancia entre la pista y el borde de la PCB debe ser ≥3 mm (en casos especiales puede reducirse a 1.5 mm, pero en ese momento el ancho de la pista debe ser ≥1.5 mm) para evitar que el estrés en el borde provoque la caída de la lámina de cobre;
5. La distancia entre los dispositivos de potencia de alta frecuencia y los condensadores grandes debe ser de 5 mm para reducir la interferencia de señal;
6. El ancho de la línea de tierra no debe ser menor a 0.5 mm, para garantizar la confiabilidad de la conexión a tierra y la eficiencia de disipación de calor;
7. No se debe conectar directamente la pasta de soldadura a la lámina de cobre expuesta u otras pastas de soldadura para evitar cortocircuitos durante la soldadura;
8. Es necesario diseñar una estructura dedicada de disipación de calor para componentes de alta potencia y adoptar una solución de enrutamiento de baja densidad para adaptarse a las características del proceso de cobre grueso.

Especificación de PCB de Cobre Pesado en LHD TECH

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