Leiterplatten gibt es in vielen Ausführungen, aber wenn es um hohe Ströme oder effektives Wärmemanagement geht, stechen Thick Copper PCBs – auch Heavy Copper PCBs genannt – hervor.
Diese Leiterplatten verwenden eine erhöhte Kupferdicke in den Lagen und Leiterbahnen, um Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Wärmeableitung zu verbessern.
In diesem Leitfaden erfahren Sie, was Thick-Copper-PCBs sind, wie sie hergestellt werden und warum sie in der Leistungselektronik, im Automotive-Bereich und in industriellen Systemen unverzichtbar sind.
Was ist eine Thick- oder Heavy-Copper-PCB?
Eine Standard-Leiterplatte nutzt in der Regel 1 oz Kupfer – das bedeutet, dass eine Unze Kupfer gleichmäßig über eine Quadratfuß große Fläche verteilt ist.
- 1 oz Kupfer ≈ 35 µm ≈ 1,37 mil Kupferdicke.
Steigt das Kupfergewicht auf 3 oz (≈ 105 µm) oder mehr pro Lage, spricht man typischerweise von einer Heavy-Copper-PCB. Leiterplatten mit 8–20 oz werden oft als Extra-Heavy-Copper-PCBs bezeichnet.
Im Vergleich zu Standard-PCBs besitzen Thick-Copper-Boards breitere und dickere Leiterbahnen, die mehr Strom bei geringerem Widerstand führen können. Das zusätzliche Kupfer verbessert zudem die Wärmeleitung und die mechanische Robustheit – ideal für raue Umgebungen und leistungsintensive Anwendungen.
Wann sollte man Thick Copper wählen?
Nicht jedes Design benötigt Heavy Copper. Am besten eignet es sich, wenn Ihre Schaltung:
- Hohe Ströme führen muss – z. B. in Leistungswandlern, Verstärkern oder Stromverteilern.
- Hohe thermische Lasten bewältigen soll – etwa bei LED-Treibern, Motorsteuerungen oder Invertern mit kontinuierlicher Wärmeentwicklung.
- Extremen Bedingungen standhalten muss – inklusive Vibration, starken Temperaturschwankungen oder mechanischer Belastung in Automotive-, Militär- oder Industrieanwendungen.
Kurz gesagt: Wählen Sie Thick-Copper-PCBs, wenn elektrische Leitfähigkeit, Wärmemanagement oder Langzeitzuverlässigkeit oberste Priorität haben.
Kupfergewicht, Dicke und Stromtragfähigkeit
Da „oz“ ein Gewichtsmaß ist, betrachten viele Ingenieur:innen Kupfer lieber als Dickenmaß. Hier eine einfache Umrechnungstabelle:
| Kupfergewicht | ca. Dicke (µm) | Dicke (mil) | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| 0,5 oz | 17 | 0,7 | Signal, Steuerung |
| 1 oz | 35 | 1,37 | Standard-Boards |
| 2 oz | 70 | 2,74 | Leistungs-Schaltungen |
| 3 oz | 105 | 4,11 | Heavy Copper PCB |
| 6 oz | 210 | 8,22 | Stromverteilung |
| 10 oz | 350 | 13,7 | Industrie, Verteidigung |
| 20 oz | 700 | 27,4 | Extreme Anwendungen |
Einfach ausgedrückt:
- Mehr Kupferdicke = geringerer Widerstand = höhere Stromtragfähigkeit.
Die Stromtragfähigkeit hängt von Leiterbahnbreite, Kupferdicke und zulässiger Temperaturerhöhung ab. Gemäß IPC-2152 kann eine Verdopplung der Kupferdicke die Temperaturerhöhung um ca. 30–40 % bei gleichem Strom reduzieren. Deshalb setzen Entwickler:innen für Leistungsebenen und Hochstrompfade auf Thick Copper.
Designregeln für Heavy-Copper-PCBs
Das Design mit Thick Copper unterscheidet sich vom Standard-Layout mit 1-oz-Boards. Die folgenden Regeln sichern Fertigbarkeit und stabiles Verhalten:
Leiterbahnbreite und -abstand
Mit zunehmender Kupferdicke steigt das Risiko seitlicher Unterätzung. Je dicker das Kupfer, desto schwieriger sind enge Breiten/Abstände einzuhalten. Typische Minimalwerte:
- 3 oz Kupfer: min. 8–10 mil Breite/Abstand.
- 6 oz Kupfer: ca. 12–15 mil.
- 10 oz und mehr: ≥ 20 mil.
Stimmen Sie Ihre Werte stets mit den Fähigkeiten des Herstellers ab und berücksichtigen Sie Ätzkompensation auf Außenlagen.
Vias und Kupferbeschichtung
Thick Copper bedeutet dickeres Kupfer im Via, was die Stromtragfähigkeit verbessert, aber zu ungleichmäßiger Abscheidung führen kann. Verwenden Sie größere Vias (Fertig-Ø ≥ 0,3 mm) und durchkontaktierte Kupferdicken von ca. 25–30 µm oder mehr für Hochstrompfade.
Für Thermik platzieren Sie thermische Vias unter Leistungskomponenten, um Wärme in andere Kupferebenen oder an einen externen Kühlkörper zu leiten.
Lötstoppmaske und Pads
Aufgrund der stärkeren Topografie kann die Lötstoppmaske schrumpfen oder anders fließen. Vergrößern Sie Pads leicht und passen Sie die Maskenöffnungen an, um Fehlbelichtungen zu vermeiden.
Impedanz und High-Speed
Dickes Kupfer verändert die Geometrie der Signallagen. Die erhöhte Kupferhöhe senkt die Impedanz, daher muss ggf. die Dielektrikumsdicke erhöht werden, um Zielwerte zu halten. Bei High-Speed-Designs frühzeitig mit dem Leiterplattenhersteller die Impedanzkontrolle auf dicken Kupferlagen abstimmen.
Typische Stackup-Beispiele
Zur Balance aus Leistung und Kosten kombinieren Hersteller oft verschiedene Kupfergewichte auf einer Leiterplatte.
Beispiel 1 – 2-Lagen-PCB mit 6 oz
- Einfache Leistungs-Bus-/Wandler-Platine.
- 6 oz je Seite für Ströme bis ≈ 50–100 A.
- Hervorragender Wärmeweg, aber aufwändigeres Ätzen und höheres Gewicht.
Beispiel 2 – 4-Lagen-PCB mit 2 oz außen / 3 oz innen
- Ausgewogen für Leistung und Signalintegrität.
- Außenlagen für Bestückung und Routing.
- Innenlagen als Leistungsebenen mit höherem Kupferanteil für bessere Wärmeverteilung.
Beispiel 3 – Gemischte Heavy-Lagen (10–12 oz) + Standard-Lagen
- Für hochleistungsfähige Industrie- oder Verteidigungs-Elektronik.
- Top-Lagen für Steuersignale (1–2 oz).
- Kern/Innenlage trägt den Hochstrom (10–12 oz).
In allen Fällen sind Pressparameter, Ätzgrenzen und Lagenregistrierung vor Abschluss des Stackups mit dem Hersteller zu klären.
Thermische und mechanische Zuverlässigkeit
Ein Hauptgrund für Thick Copper ist die thermische Zuverlässigkeit. Mehr Kupfer erhöht die Fähigkeit der Leiterplatte, Wärme seitlich zu verteilen und zu speichern.
Tests zeigen: Heavy-Copper-Leiterbahnen reduzieren den lokalen Temperaturanstieg deutlich, da Wärme durch die Kupferfläche abfließen kann. Das senkt den Bedarf an großen Kühlkörpern oder Zwangskühlung.
Mechanisch verbessert die dickere Kupferschicht die Beständigkeit gegen Verzug und Rissbildung bei Temperaturzyklen. Pads sind belastbarer und halten höheren Lötkräften stand, z. B. bei großen Induktivitäten oder Steckverbindern.
Das Ergebnis: Längere Lebensdauer und höhere Zuverlässigkeit, insbesondere in Automotive- und Industrieumgebungen.
Fertigungsherausforderungen und Kostentreiber
Ätzkontrolle
Bei 6 oz und mehr muss chemisch sehr viel Kupfer entfernt werden. Ungleichmäßiges Ätzen erzeugt geneigte Seitenwände oder Unterätzungen. Hersteller steuern dies über Ätzzeit, Chemie und Kompensationsbreiten in den Filmen.
Beschichtungsdicke und Gleichmäßigkeit
Dickes Kupfer erfordert längere Galvanikzeiten. Die Herausforderung ist eine gleichmäßige Kupferverteilung über große Panels. Ungleichmäßigkeiten führen zu Dickenabweichungen zwischen feinen Strukturen und großen Flächen.
Bohren und Ausrichtung
Bohren durch dickes Kupfer erzeugt mehr Wärme und Werkzeugverschleiß. Verwendet werden spezielle Bohrer und geregelte Vorschübe, um saubere Löcher und präzise Registrierung zu erreichen.
Kosten und Lieferzeit
Durch zusätzliche Prozesszeiten – besonders für Galvanik und Ätzen – sind Thick-Copper-PCBs teurer und benötigen mehr Fertigungszeit. Wichtige Einflussgrößen:
- Kupfergewicht je Lage.
- Leiterplattendicke und Lagenzahl.
- Minimalbreite/-abstand der Leiterbahnen.
- Gewünschtes Oberflächenfinish und Prüfaufwand.
Fähigkeitsfenster (Capability Window)
Ein hochwertiger Hersteller wie Fast Turn PCBs kann in der Regel fertigen:
- Bis zu 15 oz auf Außenlagen.
- Bis zu 12 oz auf Innenlagen.
- Min. Leiterbahn/-abstand um 8–10 mil bei 4 oz; höhere Abstände bei größeren Gewichten.
- Leiterplattendicken von 0,6 mm bis 6 mm.
- Gängige Finishes: ENIG, ENEPIG, HASL-bleifrei, OSP, Immersion Silver.
Diese Parameter definieren die praktischen Fertigungsgrenzen für zuverlässige Produkte.
Praxisanwendungen
Thick-Copper-PCBs finden sich nahezu überall, wo Strom und Wärme zentrale Herausforderungen sind:
Leistungselektronik
Leistungswandler, Spannungsregler und Inverter nutzen 3–10 oz-Ebenen, um zweistellige Ampere effizient zu führen – mit geringeren Verlusten und weniger Erwärmung.
Automotive-Systeme
Elektrofahrzeuge, LED-Beleuchtung und Motorsteuerungen verlangen hohe Zuverlässigkeit unter Vibration und Temperaturwechseln. Heavy Copper liefert die nötige Robustheit für den Langzeitbetrieb.
Industrieanlagen
Frequenzumrichter, Netzteile und Sensorik profitieren von besserer Stromverteilung und Thermik.
Erneuerbare Energien und Verteidigung
Solar-Inverter, Energiespeicher, Radarmodule und Leistungs-PA-Stufen setzen häufig 10 oz oder mehr ein, um Dauerlasten und harsche Bedingungen sicher zu beherrschen.
Oberflächenfinish und Zuverlässigkeit
Das Oberflächenfinish schützt Kupfer vor Oxidation und sorgt für zuverlässige Lötbarkeit. Bei Thick-Copper-PCBs ist die Finish-Wahl besonders wichtig – wegen des großen Kupfervolumens und möglicher Unebenheiten.
Gängige Finishes:
- ENIG (chem. Nickel/Immersionsgold) – glatt, plan, ideal für Fine-Pitch und lange Lagerfähigkeit.
- ENEPIG – mit Palladium; besser für Drahtbonden und Korrosionsschutz.
- HASL bleifrei – kostengünstig, robust, aber weniger plan für dichte SMDs.
- OSP – wirtschaftlich, umweltfreundlich für kurze Serien.
- Immersion Silver – gute Leitfähigkeit und Lötbarkeit für Leistungsschaltungen.
Wählen Sie das Finish als Kompromiss aus Lötbarkeit, Haltbarkeit und Kosten je nach Endanwendung.
FAQ: Grundlagen zu Thick-Copper-PCBs
1) Was bedeutet „1 oz Kupferdicke“?
Eine Unze Kupfer pro Quadratfuß; die Dicke beträgt ≈ 35 µm (≈ 1,37 mil).
2) Unterschied zwischen Heavy und Extra Heavy Copper?
- Heavy Copper: ca. 3–6 oz pro Lage.
- Extra Heavy Copper: 8–20 oz oder mehr für extreme Anforderungen.
3) Sind impedanzkontrollierte Leiterbahnen mit Thick Copper möglich?
Ja – allerdings mit dickerem Dielektrikum und breiteren Leiterbahnen. Toleranzen sind strenger; stimmen Sie dies früh mit dem Hersteller ab.
4) Lassen sich unterschiedliche Kupfergewichte in einer Leiterplatte mischen?
Ja. Häufig werden Signal-Lagen (1–2 oz) mit Leistungs-Lagen (6–12 oz) kombiniert. Das erhöht jedoch Laminier-Komplexität und Kosten.
5) Was ist das praktikable Maximum an Kupferdicke?
In der Praxis sind oft bis 15 oz außen und 12 oz innen realisierbar. Darüber steigen Aufwand und Kosten deutlich.
Fazit
Thick-Copper-PCBs sind ein bewährter Weg, Stromtragfähigkeit, thermische Performance und Zuverlässigkeit moderner Elektronik zu steigern. Sie ermöglichen kompakte Leistungsdesigns ohne Abstriche bei der Robustheit.
Wer die Wechselwirkung aus Kupfergewicht, Leiterbahnbreite und Stackup versteht, entwirft Platinen, die in anspruchsvollen Umgebungen besser performen und länger halten.
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