Espessura de cobre de PCB: fatores-chave para a selecção e melhores práticas para um desempenho óptimo

The thickness of copper in a printed circuit board (PCB) is far more than a technical detail—it’s a critical design choice that impacts everything from current carrying capacity to thermal management and manufacturing costsQuer esteja a conceber um controlador industrial de alta potência ou um dispositivo portátil compacto, a selecção da espessura de cobre certa garante que o seu PCB funcione de forma fiável em condições reais.

Este guia quebra a ciência por trás da espessura do cobre do PCB, explorando como ele influencia o desempenho elétrico, térmico e mecânico.Esboçar critérios de selecção para aplicações específicasNo final, você estará equipado para escolher espessuras de cobre que equilibrem o desempenho, o custo e a qualidade.e fabricabilidade, quer para eletrónica de consumo, sistemas automóveis ou equipamentos industriais.

Principais conclusões
1.Básicos de espessura de cobre: Medido em onças por pé quadrado (oz/ft2), sendo 1 oz = 35μm (1,37 milhas) o padrão da indústria para a maioria das aplicações.
2.Compromissos de desempenho: um cobre mais espesso (2 oz+) melhora a capacidade de corrente e a dissipação térmica, mas aumenta o custo e reduz a flexibilidade.5oz) permite desenhos de tom fino, mas limita o manuseio de potência.
3Necessidades específicas de aplicação: dispositivos de alta potência (por exemplo, controladores de motor) exigem 2 ¢ 3 onças de cobre, enquanto os wearables e smartphones usam 0,5 ¢ 1 onça para compacidade.
4Questões de fabricação: o cobre mais espesso exige tolerâncias mais rigorosas e gravuras especializadas, aumentando a complexidade e o custo da produção.
5.Conformidade com o IPC: Seguindo as normas IPC-2221 é assegurado que as larguras de traços e espessuras de cobre cumprem os requisitos de segurança e desempenho.

Compreensão da espessura do cobre do PCB
O cobre é a linhagem dos PCBs, formando traços condutores, almofadas e planos que transportam sinais elétricos e energia.e cargas de corrente.

Unidades de medida e conversões
A espessura do cobre é mais comumente especificada em onças por pé quadrado (oz/ft2), uma unidade legada que se refere ao peso do cobre espalhado por um pé quadrado de substrato.

Nota: a IPC-4562 especifica uma tolerância de ± 10% para a espessura do cobre.

Padrão versus cobre pesado
a.Cobre padrão: 0,5 oz a 2 oz, usado em 90% dos eletrônicos de consumo, dispositivos IoT e PCBs de baixa potência.
b.Cobre pesado: 3 oz ou mais, reservado para aplicações de alta potência (por exemplo, motores industriais, carregadores de veículos elétricos) onde a corrente exceda 20 A.O cobre pesado requer processos de fabricação especializados como revestimento de cobre ácido para alcançar espessura uniforme.

Como a espessura do cobre afeta o desempenho do PCB
Todos os aspectos da funcionalidade de um PCB, desde a integridade do sinal até a durabilidade mecânica, dependem da espessura do cobre.
1- Desempenho elétrico: capacidade de corrente e resistência
O papel principal do cobre é conduzir eletricidade, e o cobre mais espesso faz isso de forma mais eficiente:

a.Current Handling: Um traço de cobre de 1 oz com uma largura de 5 mm pode transportar ~ 20A com um aumento de temperatura de 10 °C. Um traço de cobre de 2 oz da mesma largura pode transportar ~ 28A, graças à sua menor resistência.
b.Redução de resistência: o cobre mais grosso reduz a resistência de traço (Ohms por polegada), minimizando a queda de voltagem nas redes de distribuição de energia.Resistência de 25Ω, enquanto um traço de 2 oz das mesmas dimensões tem ~ 0,12Ω.
c. Dissipação de energia: menor resistência significa menos calor gerado pelas perdas I2R, o que é crítico para projetos de alta potência, como controladores LED ou sistemas de gestão de baterias (BMS).

IPC-2221 Orientações: A norma fornece fórmulas para calcular a largura de traço necessária com base na espessura do cobre, corrente e aumento de temperatura admissível.

Corrente de 10A e aumento de 10°C:

Uma onça de cobre requer um rastro de 2,5 mm.
2 oz de cobre requer um traço de 1,2 mm, economizando 50% do espaço da placa.

2Gestão térmica: dispersão e dissipação do calor
O cobre grosso atua como um dissipador de calor incorporado, espalhando o calor para longe dos componentes quentes (por exemplo, microprocessadores, MOSFETs de potência):

a. Distribuição de calor: um plano de cobre de 2 onças espalha o calor 30% mais eficazmente do que um plano de 1 onça, reduzindo as temperaturas dos pontos quentes em 15 ~ 20 ° C em projetos de alta potência.
b. Resistência à circulação térmica: o cobre mais espesso resiste à fadiga de aquecimento e arrefecimento repetidos, um problema comum nos PCBs automotivos e aeroespaciais.
c. Aplicações de LED: LEDs de alta potência (10W+) montados em PCBs de cobre de 2 oz mantêm uma vida útil 10 ∼15% mais longa do que as de placas de 1 oz, pois o calor é dissipado antes de atingir a junção do LED.

3Força mecânica e durabilidade
A espessura do cobre influencia a capacidade de um PCB de resistir ao estresse físico:

a. Força flexural: um cobre mais espesso aumenta a rigidez de um PCB, tornando-o mais resistente à flexão em ambientes industriais.Um PCB de cobre de 3oz é 40% mais rígido do que um PCB de 1oz da mesma espessura do substrato.
b. Resistência às vibrações: em aplicações automotivas ou aeroespaciais, os traços de cobre espessos têm menos probabilidade de se racharem sob vibração (por ensaio MIL-STD-883H).
c. Confiabilidade do conector: as almofadas com 2 onças de cobre são mais resistentes ao desgaste de inserções repetidas do conector, estendendo a vida útil do PCB em dispositivos de consumo.

4Integridade do sinal: Controle da impedância
Para projetos de alta frequência (500MHz+), a espessura do cobre impacta a impedância – crítica para a integridade do sinal:

a.Combinação de impedância: o cobre mais espesso reduz a resistência do traço, mas também altera a área da secção transversal do traço, afetando a impedância característica (Z0).Os projetistas devem ajustar a largura do traço para manter a impedância alvo (e.g., 50Ω para traços de RF).
b. Mitigação do efeito sobre a pele: em altas frequências, fluxos de corrente perto da superfície de traço (efeito de pele).
c. Desafios de pitch fino: cobre fino (0,5 oz) é mais fácil de gravar em traços estreitos (≤ 0,1 mm), essencial para BGA de pitch de 0,4 mm em smartphones.Caminhos de sinalização degradantes.

5Custo e Fabricação
A espessura do cobre afecta directamente os custos e a complexidade da produção:

a.Custos de material: PCBs de cobre de 2 onças custam 15~20% a mais do que placas de 1 onça devido ao maior uso de cobre.
b.Dificuldade de gravação: o cobre mais grosso requer tempos de gravação mais longos, aumentando o risco de subcorte (onde o gravador ataca os lados de traço).Traços de 1 mm).
c. Desafios de laminação: a espessura de cobre desigual entre as camadas pode causar deformação do PCB durante a laminação, reduzindo as taxas de rendimento.

Como escolher a espessura certa do cobre
A escolha da espessura do cobre requer o equilíbrio das necessidades da aplicação com as restrições de fabricação.

1. Definir os Requisitos de Corrente e Potência
Comece por calcular a corrente máxima em traços críticos (por exemplo, trilhos de alimentação, motoristas).

a. IPC-2221 Calculadora de largura de traço: corrente de entrada, aumento de temperatura e espessura de cobre para obter a largura de traço necessária.
b. Software de simulação: Ferramentas como o Altium ou o Cadence simulam o fluxo de corrente e a distribuição de calor, ajudando a identificar pontos críticos.

Exemplo: um BMS automotivo de 12 V com corrente de 50 A requer:

1 oz de cobre: 10 mm de largura de traço.
2 onças de cobre: 5 mm de largura.
3 onças de cobre: 3,5 mm de largura.

2. Avaliação das necessidades térmicas
Se o seu PCB incluir componentes de alta potência (≥ 5W), dar prioridade ao cobre mais espesso:

a.LED Drivers: 2 oz de cobre para LEDs de 10 ‰ 50W; 3 oz para 50W +
b. Controladores do motor: 2 ̊3 oz de cobre para lidar com correntes de comutação.
c. Fornecimentos de energia: 3 oz+ de cobre para trilhos de entrada/saída em projetos > 100 W.

3- Considerar os fatores mecânicos e ambientais
a. PCBs industriais rígidos: 2 ̊3 oz de cobre para resistência à vibração.
b.PCB flexíveis (Wearables): 0,5 ̊1 oz de cobre para manter a flexibilidade.
c. PCBs para uso externo/automóvel: 2 oz de cobre para resistência ao ciclo térmico.

4. Contar com a complexidade do projeto
a.Componentes de empilhadeira fina (0,4 mm BGA): 0,5 ‰ 1 oz de cobre para permitir traços estreitos (≤ 0,1 mm).
b. Interconexão de alta densidade (HDI): 0,5 oz de cobre para microvias e espaçamento apertado.
c. Grandes planos de potência: 2 ̊3oz de cobre para minimizar a queda de tensão em toda a placa.

5Consulte o seu fabricante cedo.
Os fabricantes dispõem de capacidades específicas para a espessura do cobre:

a. A maioria pode produzir de forma confiável 0,5 ∼ 2 onças de cobre sem problemas.
b. O cobre pesado (3 oz+) requer linhas de revestimento especializadas.
c. Pergunte sobre a largura mínima da marca para a espessura escolhida (por exemplo, 0,1 mm para 1 oz contra 0,2 mm para 2 oz).

Espessura do cobre por aplicação
Diferentes indústrias exigem espessuras de cobre personalizadas para atender aos seus desafios únicos:
1. Eletrónica de Consumo
a.Smartphones/Tablets: 0,5 ¢ 1 oz de cobre. Equilibra a compacidade (traços finos) com manuseio de corrente suficiente para baterias (3 ¢ 5A).
b.Laptops: 1 oz de cobre para fornecimento de energia; 2 oz em circuitos de carregamento (10 15A).
c.LED TVs: 1 ¢ 2 oz de cobre em controladores de luz de fundo para lidar com correntes de 5 ¢ 10A.

2Eletrónica automóvel
a. Sensores ADAS: 1 ̊2 oz de cobre. Equilibra a integridade do sinal (radar/LiDAR) com necessidades de energia moderadas.
b. Gestão da bateria dos veículos eléctricos: 3 ̊4 oz de cobre para trilhos de alimentação de alta corrente (50 ̊100 A).
c. Sistemas de infotainment: 1 oz de cobre para circuitos de áudio/vídeo de baixa potência (≤ 5A).

Padrão Automóvel: IPC-2221/AM1 especifica 2 oz de cobre mínimo para PCBs sob o capô para suportar temperaturas de -40 °C a 125 °C.

3Equipamento industrial
a.Avancamentos do motor: 3 ̊4 oz de cobre para lidar com correntes do motor de 20 ̊100 A.
b. PLCs (Programmable Logic Controllers): 2 oz de cobre para distribuição robusta de energia.
c. Inversores solares: 4 oz+ de cobre para conversão de corrente contínua para corrente alternada de 200 a 500 A.

Estudo de caso: Um motor industrial de 50A usando 3oz de cobre mostrou temperaturas de funcionamento 25% mais baixas do que o mesmo projeto com 1oz de cobre, estendendo a vida útil do componente em 3 anos.

4Dispositivos médicos
Monitores portáteis: 0,5 oz de cobre para flexibilidade e compacidade.
b. Dispositivos implantáveis: 1 oz de cobre (revestimento biocompativel) para baixa potência (≤ 1A) e fiabilidade.
c. Equipamento de Imagem (MRI/CT): 2 oz de cobre para manusear componentes de alta tensão (1000V+).

Melhores práticas para a selecção da espessura do cobre
Siga estas orientações para evitar erros comuns e otimizar o seu design:
1. Use espessuras padrão quando possível
Mantenha-se a 0,5 oz, 1 oz, ou 2 oz de cobre para a maioria das aplicações.

a. Mais barato de produzir (sem processos especializados).
b. Mais fácil de obter dos fabricantes.
c. Menos propensos a problemas de distorção ou gravação.

2. Equilibrar espessura de cobre através de camadas
Distribuição desigual de cobre (por exemplo, 3 oz na camada superior, 1 oz nas camadas internas) pode causar deformação do PCB durante a laminação.

a.Para PCB de 4 camadas: 1 oz em todas as camadas, ou 2 oz nas camadas externas e 1 oz nas camadas internas.
b.Para projetos de cobre pesado: limitar o cobre grosso a 1 ‰ 2 camadas (planos de potência) para reduzir custos e deformação.

3. Validação com Protótipos
Encomende 5×10 protótipos de PCBs com a espessura de cobre escolhida para testar:

a. Manipulação da corrente (utilizar uma fonte de alimentação para simular a corrente máxima e medir o aumento da temperatura).
b. Integridade do sinal (utilizar um analisador de rede para verificar a impedância).
c. Resistência mecânica (realizar ensaios de curvatura para desenhos flexíveis).

4Requisitos de documentos Claramente
Incluir espessura de cobre em suas notas de fabricação:

a. Especificar a espessura por camada (por exemplo, ∆Top: 2oz, Interior 1: 1oz, Interior 2: 1oz, Bottom: 2oz).
b.Normas de referência IPC (por exemplo, “Cumpre a Classe B IPC-4562 para tolerância de espessura de cobre”).
c. Observe quaisquer áreas de cobre pesado (por exemplo, ¥3oz de cobre na área da almofada de alimentação U1).

Erros comuns a serem evitados
1. Especificação excessiva da espessura
O uso de 3 onças de cobre - apenas para ser seguro - aumenta o custo e a complexidade de fabricação.

a. Corrente superior a 20 A em traços críticos.
b. A simulação térmica mostra pontos quentes de espessura padrão.

2Subestimando a largura do traço.
Use os cálculos IPC-2221 para garantir que a largura do traço corresponda à espessura:

a.Erro: Um traço de cobre de 1 oz transportando 10A com uma largura de 1 mm subirá 40°C acima dos limites de segurança.
b.Fixar: aumentar para 2 mm de largura ou 2 oz de cobre.

3Ignorando as Necessidades de Flexibilidade
O cobre grosso (2oz+) torna os PCB flexíveis rígidos e propensos a rachaduras durante a dobra.

a.Usar 0,5 oz de cobre.
b. Projeto com raios de curvatura maiores (≥ 10x espessura do PCB).

4Negligenciar o controlo de impedância
O cobre mais grosso altera a impedância do traço, causando reflexão do sinal em projetos de alta frequência.

a. Para traços de RF de 50Ω em cobre de 1 oz (substrato FR-4, dielétrico de 0,8 mm): largura de 0,25 mm.
b.Para 2 oz de cobre (mesmo substrato): largura de 0,18 mm para manter 50Ω.

Perguntas frequentes
P: Podem diferentes camadas ter diferentes espessuras de cobre?
R: Sim, mas empilhadas assimétricas aumentam o risco de deformação.

P: Qual é a espessura máxima de cobre para desenhos de tom fino?
R: 1 onça de cobre é ideal para BGA de 0,4 mm de altura, pois 2 onças de cobre são mais difíceis de gravar em traços estreitos (≤ 0,1 mm).

P: Como a espessura do cobre afeta o peso do PCB?
R: Um PCB de 12×18 com 1 oz de cobre pesa ~ 100g; a mesma placa com 3 oz de cobre pesa ~ 300g é importante para projetos aeroespaciais ou portáteis.

P: O cobre pesado (3 oz+) vale o custo?
R: Para aplicações de alta potência (≥ 50 A), sim. Reduz a largura da pista em 50% e melhora o desempenho térmico, compensando custos de produção mais elevados.

P: Qual é a espessura mínima de cobre para PCBs para exteriores?
R: 1 onça de cobre é suficiente para a maioria dos usos ao ar livre, mas 2 onças são recomendadas para áreas costeiras (spray de sal) para resistir à corrosão.

Conclusão
A espessura do cobre do PCB é uma escolha de projeto fundamental que afeta o desempenho elétrico, a gestão térmica e os custos de fabricação.e necessidades mecânicas, seguindo os padrões IPC e consultando os fabricantes desde o início, pode criar PCBs que sejam confiáveis., eficiente em termos de custos e otimizado para a sua utilização prevista.

Se você está projetando um wearable de cobre de 0,5 oz ou um motor industrial de cobre de 4 oz, a chave é equilibrar os requisitos de desempenho com limites práticos de fabricação.espessura de cobre torna-se uma ferramenta para melhorar as suas capacidades PCBs, não é uma restrição.