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Dickkupfer-Leiterplatten

Dickkupfer-Leiterplatten werden überall dort eingesetzt, wo hohe elektrische Ströme zuverlässig über eine Leiterplatte geführt werden müssen. Durch deutlich höhere Kupferstärken als bei konventionellen Leiterplatten lassen sich größere Leiterquerschnitte, eine höhere Stromtragfähigkeit und eine verbesserte Wärmespreizung innerhalb der Leiterplatte realisieren.

Vorteile

Heavy Copper PCB

Was sind Dickkupfer-Leiterplatten?

Bei einer klassischen Leiterplatte werden häufig Kupferstärken von 18 µm, 35 µm oder 70 µm verwendet. Von Dickkupfer beziehungsweise Heavy Copper wird in der Praxis häufig ab einer Kupferstärke von etwa 105 µm – entsprechend ungefähr 3 oz Kupfer – gesprochen.

Je nach Aufbau können deutlich höhere Kupferstärken eingesetzt werden, beispielsweise 105 µm, 140 µm, 175 µm, 210 µm oder 400 µm usw.

Das Dickkupfer kann sowohl auf den Außenlagen als auch auf den Innenlagen einer Leiterplatte eingesetzt werden. Insbesondere bei Multilayer-Leiterplatten ist dadurch eine Kombination aus Leistungs- und Steuerelektronik auf einer einzigen Leiterplatte möglich.

So können beispielsweise hohe Ströme über dicke Kupferstrukturen auf den Innenlagen geführt werden, während auf den Außenlagen feinere Leiterstrukturen für Signal- und Steuerschaltungen realisiert werden.

Dickkupfer-Leiterplatten in der Praxis

Mikroschliff eines eingebetteten Copper Coins

Beispiel aus unserer Fertigung:
Kupferstärke: 140 µm
Lagenanzahl: 10
Leiterplattendicke: 2,55 mm

Wann werden Dickkupfer-Leiterplatten eingesetzt?

Dickkupfer-Leiterplatten kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn der notwendige Leiterquerschnitt einer normalen Leiterplatte für die zu übertragenden Ströme nicht mehr ausreicht oder der vorhandene Bauraum keine entsprechend breiten Leiterbahnen erlaubt.

Typische Anwendungen sind:

Leistungselektronik
Stromversorgungen
Hochstromverteilung
DC/DC-Wandler
Wechselrichter und Frequenzumrichter

Motorsteuerungen und elektrische Antriebe
Relais- und Sicherungssysteme
Ladeelektronik und E-Mobility
Batterie- und Energiespeichersysteme
Industrieelektronik
Solar- und Windenergieanlagen

Besonders interessant ist die Technologie, wenn Leistungs- und Signalelektronik gemeinsam auf einer Leiterplatte untergebracht werden sollen.

Vorteile

Vorteile von Dickkupfer-Leiterplatten

Hohe Stromtragfähigkeit

Durch die größere Kupferquerschnittsfläche können wesentlich höhere Ströme über die Leiterplatte geführt werden als bei vergleichbaren Leiterbahnen mit Standardkupfer.

Geringerer elektrischer Widerstand

Ein größerer Kupferquerschnitt reduziert den elektrischen Widerstand der Leiterbahn. Dadurch können Leistungsverluste und die durch den Stromfluss entstehende Erwärmung reduziert werden.

Verbesserte Wärmespreizung

Kupfer besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Dicke Kupferlagen können deshalb nicht nur zur Stromführung, sondern auch zur Verteilung entstehender Wärme innerhalb der Leiterplatte beitragen.

Leistungs- und Steuerelektronik auf einer Leiterplatte

Bei geeigneten Multilayer-Aufbauten können dicke Kupferlagen für Hochstrompfade mit feineren Signalstrukturen kombiniert werden.

Hohe mechanische und thermische Belastbarkeit

Der hohe Kupferanteil kann die Robustheit stromführender Bereiche erhöhen. Gleichzeitig muss der Leiterplattenaufbau jedoch so ausgelegt werden, dass die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften von Kupfer, Basismaterial und Prepreg berücksichtigt werden.

Technologische Herausforderungen bei Dickkupfer-Leiterplatten

Die Herstellung einer Dickkupfer-Leiterplatte ist anspruchsvoller als die Fertigung einer Leiterplatte mit Standardkupfer.
Einer der wesentlichen Unterschiede liegt im Ätzprozess.

a) Ätzen dicker Kupferschichten

Beim Ätzen wird das Kupfer nicht ausschließlich senkrecht nach unten entfernt. Gleichzeitig findet ein seitlicher Materialabtrag statt.

Je dicker die Kupferschicht ist, desto länger muss geätzt werden. Dadurch steigt auch der seitliche Unterätzungsanteil.

Aus diesem Grund können bei 210 µm oder 400 µm Kupfer nicht dieselben feinen Leiterbahnbreiten und Leiterabstände verwendet werden wie beispielsweise bei 35 µm Kupfer.

Die möglichen Leiterstrukturen müssen deshalb immer gemeinsam mit der verwendeten Kupferstärke betrachtet werden.

b) Verpressen des Multilayers

Auch bei der Laminierung eines Dickkupfer-Multilayers entstehen besondere Anforderungen.

Zwischen stark ausgeprägten Kupferstrukturen müssen die Zwischenräume vollständig mit Harz gefüllt werden. Deshalb sind unter anderem die Auswahl geeigneter Prepregs, der Harzgehalt und die Kupferverteilung innerhalb der einzelnen Lagen entscheidend.

Große Unterschiede zwischen Bereichen mit sehr viel und sehr wenig Kupfer können den Laminierprozess zusätzlich erschweren.

FAQ

Hier beantworten wir die häufigsten Fragen zu Dickkupfer-Leiterplatten

Ab welcher Kupferstärke spricht man von einer Dickkupfer-Leiterplatte?

Eine weltweit einheitliche Grenze existiert nicht. In der Leiterplattenindustrie wird häufig ab etwa 105 µm beziehungsweise 3 oz Kupfer von Heavy Copper oder Dickkupfer gesprochen. Normale Leiterplatten verwenden im Vergleich dazu häufig Kupferstärken von 18 µm, 35 µm oder 70 µm.

Welche Kupferstärken sind bei Dickkupfer-Leiterplatten üblich?

Typische Kupferstärken sind beispielsweise 105 µm, 140 µm, 175 µm und 210 µm. Abhängig vom Leiterplattenaufbau und Fertigungsprozess können auch 400 µm und darüber realisiert werden.

Warum können Dickkupfer-Leiterplatten höhere Ströme übertragen?

Mit zunehmender Kupferdicke steigt der Querschnitt einer Leiterbahn. Dadurch sinkt ihr elektrischer Widerstand und es können bei gleicher Leiterbahnbreite höhere Ströme übertragen werden.

Können unterschiedliche Kupferstärken innerhalb eines Multilayers verwendet werden?

Ja. Abhängig vom Leiterplattenaufbau können beispielsweise dicke Kupfer-Innenlagen zur Stromführung mit dünneren Außenlagen für feinere Signalstrukturen kombiniert werden.

Sind feine Leiterbahnen auch bei Dickkupfer möglich?