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無論您是為工業(yè)設(shè)備、汽車系統(tǒng)還是可再生能源解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，重銅 PCB 都能提供成功所需的耐用性和載流能力。在這篇綜合博客中，我們將探討這些電路板的獨(dú)特之處、它們的制造方式以及為什么它們非常適合高功率環(huán)境。讓我們深入了解一下吧！

什么是重銅 PCB？

與標(biāo)準(zhǔn) PCB 相比，重銅 PCB 是具有明顯更厚銅層的印刷電路板。雖然典型的 PCB 可能具有每平方英尺 1 至 2 盎司 （oz/ft2） 的銅層，但重銅 PCB 的起價(jià)為 3 盎司/英尺2，最高可達(dá) 20 盎司/英尺2 或更高。銅厚度的增加使電路板能夠處理更高的電流負(fù)載并更有效地散熱，使其非常適合高功率應(yīng)用。

這些板通常用于壓力下可靠性至關(guān)重要的行業(yè)。想想電源、電動(dòng)汽車 （EV） 系統(tǒng)或太陽能逆變器——標(biāo)準(zhǔn) PCB 會(huì)因過熱或電氣過載而失效的環(huán)境。通過使用較厚的銅，這些 PCB 可確保有效分配電源，而不會(huì)損壞電路板或組件。

重銅 PCB 在大功率應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

深入探討重銅 PCB 的優(yōu)勢(shì)，很明顯為什么它們是大功率應(yīng)用的首選。讓我們來分析一下使它們脫穎而出的主要優(yōu)勢(shì)。

1. 增加載流能力

重銅 PCB 的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠承載更高的電流而不會(huì)過熱。較厚的銅走線和平面可以處理會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn) PCB 失效的電流負(fù)載。例如，1 盎司銅跡線每 10 密耳寬度可以安全地承載約 1-2 安培的電流，而 6 盎司銅跡線在相同寬度下最多可承載 6-12 安培的電流，具體取決于熱條件。這使得它們成為需要高電流強(qiáng)度的電力電子設(shè)備的理想選擇。

2. 卓越的熱管理

散熱是大功率設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題。重銅 PCB 通過充當(dāng)散熱器在這一領(lǐng)域表現(xiàn)出色。較厚的銅層將熱量更均勻地分布在整個(gè)板上，從而減少可能損壞組件或降低性能的熱點(diǎn)。在電機(jī)控制器等發(fā)熱可能達(dá)到臨界水平的應(yīng)用中，這些 PCB 可以承受熱循環(huán)并隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定性。

3. 增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度

增加的銅重量為 PCB 提供了結(jié)構(gòu)完整性，使其更能抵抗機(jī)械應(yīng)力。這種耐用性在受到振動(dòng)或物理沖擊的環(huán)境中至關(guān)重要，例如汽車或工業(yè)環(huán)境。在這種情況下，重銅 PCB 不太可能破裂或分層，從而確保長(zhǎng)期可靠性。

4. 提高重復(fù)熱循環(huán)的可靠性

在大功率應(yīng)用中，組件在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)經(jīng)歷反復(fù)的加熱和冷卻循環(huán)。重銅 PCB 旨在承受這些熱應(yīng)力而不會(huì)翹曲或失去導(dǎo)電性。這種可靠性意味著在產(chǎn)品生命周期內(nèi)減少故障并降低維護(hù)成本。

重銅 PCB 設(shè)計(jì)指南

設(shè)計(jì)重銅 PCB 需要仔細(xì)規(guī)劃，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免常見陷阱。以下是在大功率應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳性能需要遵循的基本重銅 PCB 設(shè)計(jì)指南。

1. 優(yōu)化走線寬度和間距

鑒于涉及高電流，必須計(jì)算走線寬度以處理預(yù)期負(fù)載，而不會(huì)產(chǎn)生過多的熱量。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是與銅厚度成比例地增加走線寬度。例如，對(duì)于相同的電流，3 盎司的銅層可能需要比 1 盎司銅層至少寬 20-30% 的走線。此外，應(yīng)增加走線之間的間距以防止電弧或短路，特別是在存在介電擊穿風(fēng)險(xiǎn)的高壓設(shè)計(jì)中。

2. 使用多層進(jìn)行電流分配

在多層設(shè)計(jì)中，將大電流路徑分布在多個(gè)層上，以平衡負(fù)載并最大限度地減少電阻。例如，每層有 4 盎司銅的 4 層電路板可以將 20 安培的電流分成每層大約 5 安培的電流，從而減少任何單層的熱應(yīng)力。確保過孔尺寸和電鍍足夠，以處理層之間的電流——過孔尺寸過小可能會(huì)成為瓶頸，導(dǎo)致過熱。

3. 結(jié)合熱通孔和散熱器

為了增強(qiáng)散熱，請(qǐng)?jiān)诖蠊β式M件附近集成熱通孔，將熱量傳遞到銅平面或外部散熱器。以 0.3-0.5 毫米的間隔排列的過孔網(wǎng)格可以顯著降低電路板的熱阻。將其與外層的大銅澆注相結(jié)合，進(jìn)一步有助于均勻傳播熱量。

4. 考慮制造限制

重銅 PCB 由于其厚度而具有獨(dú)特的制造限制。蝕刻較厚的銅需要更多的時(shí)間和精度，這會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的最小走線寬度和間距。通常，對(duì)于 6 盎司銅層，最小走線寬度可能約為 0.015 英寸（0.38 毫米），而 0.006 盎司銅的最小走線寬度為 0.15 英寸（1 毫米）。在設(shè)計(jì)階段的早期咨詢您的制造合作伙伴，使您的布局與他們的能力保持一致。

5. 平衡銅分布

由于熱膨脹差異，不均勻的銅分布會(huì)導(dǎo)致制造過程中翹曲。目標(biāo)是跨層對(duì)稱放置銅，并避免電路板一側(cè)出現(xiàn)大面積實(shí)心銅，而另一側(cè)沒有相應(yīng)的特征。這種平衡有助于保持平整度并防止組裝問題。

重銅PCB制造工藝

了解重銅 PCB 制造工藝對(duì)于希望將這些電路板集成到其項(xiàng)目中的工程師至關(guān)重要。由于較厚的銅層帶來的挑戰(zhàn)，該工藝與標(biāo)準(zhǔn) PCB 制造不同。以下是這些板的制作方式的分步概述。

1. 材料選擇和準(zhǔn)備

該過程首先選擇合適的基材，通常是 FR-4 或高 Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）材料，以獲得更好的熱穩(wěn)定性。將 3 盎司/英尺 2 至 20 盎司/英尺 2 的銅箔層壓到基板上。對(duì)于極厚的層（超過 6 盎司），制造商可能會(huì)從較薄的箔開始，然后通過電鍍來增加厚度。

2. 成像和蝕刻

在銅表面涂上光刻膠層，并通過光掩模使用紫外線曝光轉(zhuǎn)移電路圖樣。未曝光的光刻膠被沖走，留下所需的痕跡圖樣受到保護(hù)。然后蝕刻去除未受保護(hù)的銅，由于材料體積增加，對(duì)于較重的銅，這一過程需要更長(zhǎng)的時(shí)間。專用蝕刻劑和更長(zhǎng)的加工時(shí)間可確保盡管厚度較大，但走線干凈、精確。

3. 電鍍以增加厚度

對(duì)于需要超過初始箔厚度的銅的電路板，使用電解電鍍。將電路板浸入硫酸銅溶液中，電流將額外的銅沉積到暴露區(qū)域。此步驟可以在外層形成高達(dá) 10-20 盎司/英尺的銅，但需要仔細(xì)控制以避免不均勻沉積或過度電鍍。

4. 鉆孔和過孔形成

使用高精度數(shù)控機(jī)床鉆孔，用于過孔和元件安裝。對(duì)于重銅 PCB，過孔壁鍍有銅以確保層間導(dǎo)電性，與標(biāo)準(zhǔn)板（2-3 密耳）相比，通常需要更厚的電鍍（高達(dá) 0.5-1 密耳）。這確保了過孔可以處理高電流而不會(huì)發(fā)生故障。

5. 阻焊層和表面光潔度

應(yīng)用阻焊層以保護(hù)銅免受氧化并防止組裝過程中焊料橋接。由于厚銅造成的不平整表面，面膜應(yīng)用可能需要多層涂層才能完全覆蓋。最后，添加 HASL（熱風(fēng)焊料整平）或 ENIG（化學(xué)鍍鎳浸金）等表面光潔度，以增強(qiáng)可焊性并防止腐蝕。

6. 質(zhì)量檢驗(yàn)和測(cè)試

重銅 PCB 經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，以驗(yàn)證電氣連續(xù)性、絕緣電阻和熱性能。顯微切片等先進(jìn)技術(shù)可用于檢查鍍層厚度和銅均勻性。只有滿足嚴(yán)格公差（例如銅厚度變化 ±10%）的電路板才被批準(zhǔn)發(fā)貨。

重銅PCB的應(yīng)用

重銅 PCB 在高功率和可靠性不容談判的行業(yè)中是不可或缺的。以下是一些常見的應(yīng)用，其獨(dú)特的性能大放異彩。

1. 電力電子

在電源、轉(zhuǎn)換器和逆變器中，這些 PCB 管理高電流和電壓，同時(shí)保持熱穩(wěn)定性。例如，處理 50 安培連續(xù)電流的太陽能逆變器依靠重銅 PCB 來防止在峰值運(yùn)行期間過熱。

2. 汽車和電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車需要強(qiáng)大的電池管理系統(tǒng) （BMS） 和能夠處理數(shù)百安培電流的電機(jī)控制器。重銅 PCB 可確保高效的配電并承受汽車環(huán)境的惡劣條件，包括 -40°C 至 85°C 的振動(dòng)和溫度波動(dòng)。

3. 工業(yè)設(shè)備

重型機(jī)械和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)通常在高電力負(fù)載下運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)中的重銅 PCB 提供了工廠或采礦作業(yè)中連續(xù)運(yùn)行所需的耐用性。

4. 可再生能源系統(tǒng)

從風(fēng)力渦輪機(jī)到儲(chǔ)能系統(tǒng)，可再生能源應(yīng)用需要能夠處理波動(dòng)功率水平的 PCB。重銅 PCB 支持大電流連接，并在緊湊、高效的設(shè)計(jì)中管理熱量。

挑戰(zhàn)和考慮因素

雖然重銅 PCB 具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但它們也帶來了工程師在設(shè)計(jì)和制造過程中必須解決的挑戰(zhàn)。

成本：材料使用量的增加和專門的制造工藝使這些 PCB 比標(biāo)準(zhǔn)板更昂貴。一塊 6 盎司的銅板的成本可能比相同尺寸的 2 盎司銅板貴 3-1 倍。

重量：添加的銅增加了電路板的重量，這在航空航天等重量敏感應(yīng)用中可能是一個(gè)問題。10 盎司的銅 PCB 每平方英尺的重量是 10 盎司電路板的近 1 倍。

制造復(fù)雜性：并非所有制造商都擁有處理極厚銅的設(shè)備或?qū)I(yè)知識(shí)。細(xì)間距走線或密集過孔圖案等功能可能受到限制，需要在設(shè)計(jì)上做出妥協(xié)。

重銅 PCB 是大功率應(yīng)用的游戲規(guī)則改變者，提供無與倫比的載流能力、熱管理和耐用性。通過遵循重銅 PCB 設(shè)計(jì)指南，工程師可以創(chuàng)建滿足汽車、可再生能源和工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)嚴(yán)格要求的電路板。了解重銅 PCB 制造工藝可確保設(shè)計(jì)與制造能力保持一致，從而產(chǎn)生可靠、高性能的產(chǎn)品。重銅 PCB 的優(yōu)勢(shì)——從增強(qiáng)的可靠性到卓越的散熱——使其成為應(yīng)對(duì)當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的電子設(shè)計(jì)的重要工具。