1. Was ist Kupferfolie?
Kupferfolie ist ein dünnes, durchgehendes Metallblech. Es handelt sich um ein galvanisch abgeschiedenes, negativ geladenes Material. Die Folie wird auf die Basis der Leiterplatte aufgebracht. Sie fungiert als Leiter auf der Leiterplatte. Sie verbindet sich gut mit Isolierschichten. Sie nimmt Lötmaske und andere Schutzschichten auf. Nach dem Ätzen bildet das verbleibende Kupfer das Schaltungsmuster. In der frühen Produktion verwendete man gewalzte Kupferfolie. Das bedeutet, dass Kupferblöcke zu dünnen Platten geglättet werden.
Wie dick ist die Kupferfolie auf einer Leiterplatte?
2. Einheit für die Kupferdicke: oz
Die Dicke von Leiterplattenkupfer wird gewöhnlich in oz (Unze) angegeben. Die Unze ist eine Gewichtseinheit. Das Verhältnis zwischen Unze und Gramm ist:
1 Unze ≈ 28,35 g.
In der Leiterplattenindustrie bedeutet 1 oz das Gewicht von 1 oz Kupfer, das gleichmäßig auf 1 Quadratfuß (ft²) verteilt ist. Diese gleichmäßige Schicht hat eine bestimmte Dicke. Diese Dicke beträgt etwa 35 μm. Mit einer Formel:
1 oz = 28,35 g / ft².
Im Folgenden zeige ich die Berechnung Schritt für Schritt, damit das Ergebnis klar ist:
- Nehmen Sie 1 Unze Masse: 28,35 g.
- Dichte des Kupfers: 8,93 g/cm³.
- 1 ft² = 929,03 cm².
Dicke in cm = Masse / (Dichte × Fläche)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm
= 28,35 / 82973,558 ≈ 0,00341721 cm.
Umrechnung in Mikrometer (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10.000 μm = 34,17 μm.
Also 1 Unze Kupferfolie ≈ 34,17 μm. Dieser Wert wird in der Regel gerundet und angegeben als 35 μm. Imperiale Einheiten: 34,17 μm = 0,03417 mm. Ein mil = 0,0254 mm, also Dicke ≈ 1,345 mil. Man sagt oft 1 Unze ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
3. Übliche Kupferdickenwerte
Übliche Werte für die Kupferdicke in Leiterplatten sind:
- 0,5 Unzen ≈ 17,5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Typische Einzel- und doppelseitige PCBs über verwenden 35 μm (1 Unze) Kupfer. Einige Platten verwenden 50 μm oder 70 μm auch Kupfer. Bei mehrlagigen Leiterplatten sind die äußeren Lagen oft 35 μm (1 Unze). Die inneren Schichten sind oft 17,5 μm (0,5 Unzen).
Platten aus dickem Kupfer beginnen bei etwa 3 Unzen und höher. Diese Platinen werden in Hochstrom- oder Hochspannungsprodukten, wie z. B. Netzteilen, verwendet.
4. Strombelastbarkeit bei unterschiedlichen Kupferdicken
Nachstehend finden Sie eine praktische Tabelle mit typischen Stromstärken für Kupferbänder unterschiedlicher Dicke und Breite. In der Tabelle sind Stromstärke (A) und erforderliche Breite (mm) für Kupferstärken von 70 μm, 50 μm, und 35 μm. Der Prüfdickenparameter in der Tabelle ist t = 10 (dies ist ein in der Quellentabelle verwendeter Referenzwert).
Anmerkung: Wenn Sie Kupferfolie als Leiter für hohe Ströme verwenden, ist es üblich, die Tabellenwerte um 50% um eine sichere Wahl zu treffen. Das bedeutet, dass Sie eine Breite wählen sollten, die etwa der Hälfte des angegebenen Stroms entspricht, wenn Sie einen Sicherheitsabstand wünschen.
| Strom (A) / Breite (mm) für 70 μm | Strom (A) / Breite (mm) für 50 μm | Strom (A) / Breite (mm) für 35 μm |
|---|---|---|
| 6,00 A - 2,50 mm | 5,10 A - 2,50 mm | 4,50 A - 2,50 mm |
| 5,10 A - 2,00 mm | 4,30 A - 2,00 mm | 4,00 A - 2,00 mm |
| 4,20 A - 1,50 mm | 3,50 A - 1,50 mm | 3,20 A - 1,50 mm |
| 3,60 A - 1,20 mm | 3,00 A - 1,20 mm | 2,70 A - 1,20 mm |
| 3,20 A - 1,00 mm | 2,60 A - 1,00 mm | 2,30 A - 1,00 mm |
| 2,80 A - 0,80 mm | 2,40 A - 0,80 mm | 2,00 A - 0,80 mm |
| 2,30 A - 0,60 mm | 1,90 A - 0,60 mm | 1,60 A - 0,60 mm |
| 2,00 A - 0,50 mm | 1,70 A - 0,50 mm | 1,35 A - 0,50 mm |
| 1,70 A - 0,40 mm | 1,35 A - 0,40 mm | 1,10 A - 0,40 mm |
| 1,30 A - 0,30 mm | 1,10 A - 0,30 mm | 0,80 A - 0,30 mm |
| 0,90 A - 0,20 mm | 0,70 A - 0,20 mm | 0,55 A - 0,20 mm |
| 0,70 A - 0,15 mm | 0,50 A - 0,15 mm | 0,20 A - 0,15 mm |
Auch hier sollten Sie einen sicheren Spielraum wählen. Eine allgemeine Regel ist, diese Tabellenwerte um 50% zu reduzieren, wenn Sie für die Produktion entwerfen.
5. Weitere praktische Hinweise zu Kupfer als Leiter
- Wenn Sie Kupferfolien als lange Leiterbahnen verwenden, müssen Sie deren Strombelastbarkeit prüfen. Nehmen Sie zum Beispiel eine typische Dicke von 0,03 mm (30 μm). Wenn das Kupferband eine Breite W (mm) und eine Länge L (mm) hat, kann der Gleichstromwiderstand näherungsweise wie folgt berechnet werden: R ≈ 0,0005 × L / W (Ohm) Diese Formel ermöglicht eine schnelle Abschätzung für die Entwurfsprüfung.
- Die Strombelastbarkeit von Kupfer hängt auch von den Bauteilen auf der Leiterplatte, der Anzahl und Art der Bauteile und der Kühlung ab. Die tatsächliche Strombelastbarkeit hängt also sowohl von der Kupfergeometrie als auch von den thermischen Bedingungen ab.
- Eine praktische Faustformel lautet: Strombelastbarkeit ≈ 0,15 × W (A). Dies ist eine empirische Schätzung, die in einigen Fällen verwendet wird. Sie ist einfach und für viele Platten konservativ.
6. Beispiel: Fläche und Stromdichte
Nehmen wir einen allgemeinen Fall: Kupferdicke 35 μm und Leiterbahnbreite 1 mm. Die Querschnittsfläche beträgt:
- Fläche = Dicke × Breite = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Wenn Sie eine Stromdichte-Regel von 30 A/mm², dann Strom pro 1 mm Breite ≈ 30 × 0,035 = 1,05 A. Nach dieser Faustformel also etwa 1 A pro mm Leiterbahnbreite.
7. IPC-Formeln für einen genaueren Strom- und Temperaturanstieg
IPC-2152 und IPC-D-275 geben genauere Modelle. Der Text enthält die IPC-D-275-Formeln in einer gemeinsamen Form:
- Für interne Spuren: I = 0,0150 × (ΔT^0,5453) × (A^0,7349)
- Für externe Spuren: I = 0,0647 × (ΔT^0,4281) × (A^0,6732)
In diesen Formeln:
- I ist der Strom in Ampere.
- ΔT ist der zulässige Temperaturanstieg in °C.
- A ist die Querschnittsfläche in mil² (oder anderen Einheiten, je nachdem, wie Sie die Formel anwenden). Verwenden Sie einheitliche Einheiten, wenn Sie die Formeln anwenden.
Verwenden Sie IPC-Methoden, wenn Sie einen genauen zulässigen Strom für einen bestimmten Temperaturanstieg benötigen.
8. Kupferdicke und dielektrische Anpassung
Beim Leiterplattendesign bedeutet “Kupferdicke-Dielektrikum-Anpassung”, dass Sie die Kupferdicke und das Dielektrikum der Leiterplatte gemeinsam auswählen. Dies geschieht, um den elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen gerecht zu werden. Die wichtigsten Punkte:
8.1 Kupfergewicht (Kupferdicke)
- Einheit: oz/ft² (zum Beispiel 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Auswirkungen:
- Stromübertragung: Dickeres Kupfer leitet mehr Strom.
- Verlust: Bei hohen Frequenzen spielt der Skineffekt eine Rolle. Dickeres Kupfer kann in einigen Fällen den Leitungsverlust verringern.
- Thermisch: Dickeres Kupfer fördert die Wärmeausbreitung.
- Ätzen: Dickeres Kupfer macht die Feinätzung schwieriger. Mindestbreite und -abstand der Leiterbahnen können sich erhöhen.
- Kosten: Dickeres Kupfer kostet mehr.
8.2 Dielektrisches Material
Wichtige dielektrische Eigenschaften:
- Dielektrizitätskonstante (Dk oder εr): beeinflusst die Signalgeschwindigkeit und die Impedanz.
- Verlusttangente (Df): beeinflusst den Hochfrequenzverlust.
- Dicke (H): Mit der Kupferdicke entscheidet H über Impedanz und Kapazität.
- CTE und Tg: thermische Zuverlässigkeit.
Übliche Materialien: fr4 für den allgemeinen Gebrauch, Hoch-Tg fr4 und spezielle Hochfrequenzmaterialien (z. B. Rogers).
8.3 Abgleichsregeln
- Für die Impedanzkontrolle lautet eine gängige Formel für Mikrostreifenleitungen: Z0 ≈ (87 / sqrt(εr_eff + 1.41)) * ln(5.98H / (0.8W + T)) wobei Z0 die Impedanz, εr_eff die effektive Dielektrizitätskonstante, H die dielektrische Dicke, W die Leiterbahnbreite und T die Kupferdicke ist.
- Wenn die Kupferdicke zunimmt, sinkt die Impedanz bei gleicher Breite und gleichem Dielektrikum. Sie müssen also die Breite vergrößern oder die dielektrische Dicke erhöhen, um die gleiche Impedanz zu erhalten.
- Bei Hochfrequenzsignalen kommt es auf die Eindringtiefe an. Die Kupferdicke sollte mindestens ein Mehrfaches der Hauttiefe bei der höchsten interessierenden Frequenz betragen. Bei sehr hohen Frequenzen spielt auch die Oberflächenrauhigkeit eine Rolle. Verwenden Sie Kupfer mit geringer Rauheit, wenn Sie einen niedrigen Verlust benötigen.
- Verwenden Sie für Leistungsebenen und Starkstrom dickeres Kupfer (≥ 2 oz) und ziehen Sie für das Wärmemanagement wärmeleitende dielektrische oder Metallkernplatten in Betracht.
8.4 Herstellbarkeit
- Bei dickem Kupfer (≥ 3 oz) sind größere Leiterbahn-/Abstandsregeln erforderlich, um Ätzprobleme zu vermeiden.
- Dünne Dielektrika erfordern eine genaue Kontrolle der Kupferdicke. Variationen beeinflussen die Impedanz.
9. Auswahltabelle (Kurzanleitung)
| Anwendungsszenario | Empfohlenes Kupfergewicht | Empfohlenes dielektrisches Material | Passende Begründung |
|---|---|---|---|
| Digitale Hochgeschwindigkeit (>5 Gbps) | 0,5 Unzen - 1 Unze | low-Df FR4 / Rogers RO4000 | Feines Routing, geringe Verluste, einfachere Impedanzkontrolle. |
| Leistungsmodule / Hochstrom | 2 Unzen - 6 Unzen+ | FR4 Materialien mit hohem Tg-Wert und hoher Wärmeleitfähigkeit | Höhere Stromkapazität und bessere Wärmeableitung. |
| RF/Mikrowellen (>10 GHz) | 0,5 Unzen (geringe Rauheit) | Rogers RO3000 / Teflon (PTFE) | Ultra-niedriger Verlust und optimierte Oberflächeneffekte für RF. |
| Allgemeine Unterhaltungselektronik | 1 Unze | Standard FR4 | Ausgewogene Kosten und ausgereifte Verfahren. |
| HDI-Karten mit hoher Packungsdichte | 0,5 Unzen - 1 Unze | FR4 Materialien mit hohem Tg / niedrigem CTE | Feine Spuren und zuverlässige Laserleistung. |
10. Praktische Ratschläge
- Nennen Sie zunächst Ihre Anforderungen: Stromstärke, Signalgeschwindigkeit, Impedanz, Wärme.
- Planen Sie die Stapelung mit geeigneten Werkzeugen.
- Führen Sie eine Impedanzsimulation mit Material Dk und Kupferdicke durch.
- Erkundigen Sie sich bei der Plattenfirma nach den Toleranzen für die Kupferdicke und den dielektrischen Optionen.
- Bei hohen Frequenzen sollten Sie nach Möglichkeit die Materialien Dk und Df messen.
Anmerkung: Das Nenngewicht des Kupfers (z. B. 1 Unze) ist die Ausgangsdicke vor dem Ätzen. Nach dem Ätzen kann die Leiterbahn verjüngte Seiten haben. Für echte Impedanzprüfungen verwenden Sie entweder die Durchschnittsdicke oder die Leiterplattenhaus-Richtwerte.
