1. ¿Qué es la lámina de cobre?
La lámina de cobre es una lámina metálica delgada y continua. Es un material electrodepositado de tipo negativo. La lámina se coloca sobre la base de la placa de circuito impreso. Actúa como conductor en la placa. Se adhiere bien a las capas aislantes. Soporta la máscara de soldadura y otras capas protectoras. Tras el grabado, el cobre restante forma el patrón del circuito. Al principio, se utilizaban láminas de cobre enrolladas. Es decir, bloques de cobre aplanados en finas láminas.
¿Cuál es el grosor de la lámina de cobre de una placa de circuito impreso?
2. Unidad para el espesor del cobre: oz
El espesor del cobre de las placas de circuito impreso suele indicarse en onzas. La onza es una unidad de peso. La relación entre onza y gramo es:
1 oz ≈ 28,35 g.
En la industria de las placas de circuito impreso, 1 onza significa el peso de 1 onza de cobre repartida uniformemente en 1 pie cuadrado (ft²). Esa capa uniforme tiene un grosor determinado. Ese grosor es de unos 35 μm. Utilizando una fórmula:
1 oz = 28,35 g / ft².
A continuación muestro el cálculo paso a paso para que el resultado sea claro:
- Tomar 1 onza de masa: 28,35 g.
- Densidad del cobre: 8,93 g/cm³.
- 1 pie² = 929,03 cm².
Espesor en cm = masa / (densidad × área)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm
= 28,35 / 82973,558 ≈ 0,00341721 cm.
Convertir a micrómetros (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10.000 μm = 34,17 μm.
Así que 1 oz de lámina de cobre ≈ 34,17 μm. Este valor suele redondearse y expresarse como 35 μm. En unidades imperiales, 34,17 μm = 0,03417 mm. Un mil = 0,0254 mm, por lo que el grosor ≈ 1,345 mil. A menudo se dice 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
3. Valores comunes del espesor del cobre
Los valores comunes de espesor de cobre utilizados en las placas de circuito impreso son:
- 0,5 oz ≈ 17,5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Los típicos placas de circuito impreso de doble cara utilizar sobre 35 μm (1 oz) cobre. Algunas placas utilizan 50 μm o 70 μm también de cobre. En las placas multicapa, las capas exteriores suelen ser 35 μm (1 oz). Las capas internas suelen ser 17,5 μm (0,5 oz).
Las placas de cobre grueso cuestan a partir de 3 oz y superiores. Estas placas se utilizan en productos de alta corriente o alta tensión, como fuentes de alimentación.
4. Capacidad de transporte de corriente para diferentes espesores de cobre
A continuación se muestra una tabla práctica que muestra la capacidad de corriente típica para tiras de cobre de distinto grosor y anchura. La tabla indica la corriente (A) y la anchura necesaria (mm) para espesores de cobre de 70 μm, 50 μm, y 35 μm. El parámetro de espesor de la prueba en la tabla es t = 10 (se trata de un valor de referencia de muestra utilizado en la tabla de origen).
Nota: Cuando se utiliza una lámina de cobre como conductor para una corriente elevada, es habitual reducir los valores de la tabla en 50% para una elección segura. Eso significa que, si quieres un margen de seguridad, elige una anchura que corresponda aproximadamente a la mitad de la corriente indicada.
| Corriente (A) / Anchura (mm) para 70 μm | Corriente (A) / Anchura (mm) para 50 μm | Corriente (A) / Anchura (mm) para 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 |
Una vez más, elija un margen seguro. Una regla común es reducir estos valores de la tabla en 50% cuando se diseña para producción.
5. Otras notas prácticas sobre el cobre como conductor
- Si utiliza una lámina de cobre como conductor de banda larga, debe comprobar su capacidad de corriente. Por ejemplo, tomemos un grosor típico de 0,03 mm (30 μm). Si la banda de cobre tiene una anchura W (mm) y una longitud L (mm), la resistencia de CC puede aproximarse mediante: R ≈ 0,0005 × L / W (ohm) Esta fórmula proporciona una estimación rápida para las comprobaciones de diseño.
- La capacidad de corriente del cobre también depende de las piezas de la placa, del número y tipo de piezas y de la refrigeración. Así pues, la capacidad de corriente real depende tanto de la geometría del cobre como de las condiciones térmicas.
- Una regla práctica es: capacidad de corriente ≈ 0,15 × W (A). Se trata de una estimación empírica utilizada en algunos casos. Es sencilla y conservadora para muchas placas.
6. Ejemplo: área y densidad de corriente
Tomemos un caso común: el espesor del cobre 35 μm y anchura de trazo 1 mm. El área de la sección transversal es:
- Área = grosor × anchura = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Si se utiliza una regla de densidad de corriente de 30 A/mm², entonces la corriente por 1 mm de ancho ≈ 30 × 0,035 = 1,05 A. Así que aproximadamente 1 A por mm de ancho de traza según esa regla empírica.
7. Fórmulas IPC para un aumento más preciso de la corriente y la temperatura
IPC-2152 y IPC-D-275 proporcionan modelos más precisos. El texto incluye fórmulas IPC-D-275 de forma común:
- Para trazas internas I = 0,0150 × (ΔT^0,5453) × (A^0,7349)
- Para trazas externas I = 0,0647 × (ΔT^0,4281) × (A^0,6732)
En estas fórmulas:
- I es la corriente en amperios.
- ΔT es el aumento de temperatura permitido en °C.
- A es el área de la sección transversal en mil² (u otras unidades dependiendo de cómo se aplique la fórmula). Utiliza unidades coherentes cuando apliques las fórmulas.
Utilice los métodos IPC si necesita una corriente permitida precisa para un aumento de temperatura determinado.
8. Espesor del cobre y adaptación dieléctrica
En el diseño de placas de circuito impreso, la “correspondencia entre el grosor del cobre y el dieléctrico” significa que el grosor del cobre y el dieléctrico de la placa se eligen conjuntamente. Esto se hace para satisfacer las necesidades eléctricas, térmicas y mecánicas. Puntos clave:
8.1 Peso del cobre (espesor del cobre)
- Unidad: oz/ft² (por ejemplo, 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Efectos:
- Transporte de corriente: el cobre más grueso transporta más corriente.
- Pérdidas: a alta frecuencia, el efecto piel es importante. Un cobre más grueso puede reducir las pérdidas del conductor en algunos casos.
- Térmico: el cobre más grueso favorece la propagación del calor.
- Grabado: el cobre más grueso dificulta el grabado fino. La anchura y la separación mínimas de las trazas pueden aumentar.
- Coste: el cobre más grueso cuesta más.
8.2 Material dieléctrico
Propiedades dieléctricas clave:
- Constante dieléctrica (Dk o εr): afecta a la velocidad de la señal y a la impedancia.
- Tangente de pérdidas (Df): afecta a las pérdidas de alta frecuencia.
- Espesor (H): con el espesor del cobre, H decide la impedancia y la capacitancia.
- CTE y Tg: fiabilidad térmica.
Materiales comunes: fr4 para uso general, fr4 de alta Tg y materiales especiales de alta frecuencia (por ejemplo, Rogers).
8.3 Reglas de concordancia
- Para el control de la impedancia, una fórmula microstrip común es: Z0 ≈ (87 / sqrt(εr_eff + 1,41)) * ln(5,98H / (0,8W + T)) donde Z0 es la impedancia, εr_eff es la constante dieléctrica efectiva, H es el espesor dieléctrico, W es la anchura de la traza, T es el espesor del cobre.
- Si aumenta el grosor del cobre, disminuye la impedancia para la misma anchura y dieléctrico. Por tanto, hay que aumentar la anchura o el grosor del dieléctrico para mantener la misma impedancia.
- Para las señales de alta frecuencia, la profundidad de la piel es importante. El espesor del cobre debe ser al menos varias veces superior a la profundidad de la piel en la frecuencia más alta de interés. Para frecuencias muy altas, la rugosidad de la superficie también es importante. Utilice cobre de baja rugosidad si necesita bajas pérdidas.
- Para planos de potencia y corriente pesada, utilice cobre más grueso (≥ 2 oz) y considere placas dieléctricas térmicamente conductoras o de núcleo metálico para la gestión del calor.
8.4 Fabricabilidad
- El cobre grueso (≥ 3 oz) necesita reglas de trazado/espaciado mayores para evitar problemas de grabado.
- Los dieléctricos finos requieren un control estricto del espesor del cobre. Las variaciones afectan a la impedancia.
9. Tabla de selección (guía breve)
| Escenario de aplicación | Peso de cobre recomendado | Material dieléctrico recomendado | Razón de coincidencia |
|---|---|---|---|
| Alta velocidad digital (>5 Gbps) | 0,5 oz - 1 oz | FR4 de baja Df / Rogers RO4000 | Enrutamiento fino, baja pérdida, control de impedancia más sencillo. |
| Módulos de potencia / alta corriente | 2 oz - 6 oz+ | FR4 Materiales de alta Tg / alta conductividad térmica | Mayor capacidad de corriente y mejor disipación del calor. |
| RF / microondas (>10 GHz) | 0,5 oz (baja rugosidad) | Rogers RO3000 / Teflón (PTFE) | Pérdidas ultrabajas y efectos superficiales optimizados para RF. |
| Electrónica de consumo general | 1 onza | FR4 estándar | Coste equilibrado y proceso maduro. |
| Tarjetas HDI de alta densidad | 0,5 oz - 1 oz | FR4 Materiales de alto Tg / bajo CET | Trazos finos y rendimiento fiable del láser vía. |
10. Consejos prácticos
- Indique primero sus necesidades: corriente, velocidad de la señal, impedancia, calor.
- Planificar el apilamiento con las herramientas adecuadas.
- Realice la simulación de impedancia con el material Dk y el grosor del cobre.
- Pregunte a la casa fabricante de la placa sobre sus tolerancias de espesor del cobre y opciones dieléctricas.
- Para los casos de alta frecuencia, mida el material Dk y Df si es posible.
Nota: El peso nominal del cobre (como 1 oz) es el espesor inicial antes del grabado. Después del grabado la traza puede tener lados cónicos. Para comprobar la impedancia real, utilice el grosor medio o la guía de la placa.
