לוחות מעגל מודפס (PCB) ישנם סוגים רבים, אך כאשר צריך לשאת זרמים גבוהים או לנהל חום, לוחות נחושת עבה (Thick Copper PCB) — המכונים גם Heavy Copper PCB — בולטים במיוחד.
לוחות אלה משתמשים בעובי נחושת מוגבר בתוך השכבות והמסלולים כדי לשפר מוליכות, חוזק מכני ופיזור חום.
במדריך זה תלמדו מהו לוח נחושת עבה, כיצד מייצרים אותו, ולמה הוא חיוני לאלקטרוניקת הספק, לענף הרכב ולמערכות תעשייתיות.
מהו לוח נחושת עבה (Thick/Heavy Copper PCB)?
בדרך-כלל, לוח סטנדרטי משתמש ב-1 oz נחושת, כלומר אונקיית נחושת אחת פרושה באופן אחיד על שטח של רגל רבועה אחת.
- 1 oz נחושת ≈ כ-35 מיקרון (µm) ≈ 1.37 מיל (mil) בעובי.
כאשר משקל הנחושת עולה ל-3 oz (≈105 µm) או יותר לכל שכבה, מקובל לקרוא לכך Heavy Copper PCB. לוחות עם 8–20 oz מכונים לעיתים Extra-Heavy Copper.
בהשוואה ל-PCBs סטנדרטיים, ללוחות נחושת עבה יש מסלולים (Traces) רחבים ועבים יותר, המאפשרים מעבר זרם גבוה יותר עם התנגדות נמוכה יותר. הנחושת הנוספת משפרת גם את המוליכות התרמית ואת העמידות המכנית — אידאלי לסביבות קשות וליישומים עתירי-הספק.
מתי לבחור בנחושת עבה
אין צורך בלוח נחושת עבה בכל תכן. מומלץ לבחור בו כאשר המערכת שלכם חייבת:
- לשאת זרמים גבוהים — למשל ממירים, מגברים ומערכות הפצת הספק.
- להתמודד עם עומסי חום משמעותיים — כגון דרייברי LED, בקרי מנועים או ממירים שמייצרים חום באופן רציף.
- לעמוד בתנאים קיצוניים — כולל רטט, מחזורי טמפרטורה גבוהים או מאמצים מכניים ביישומי רכב, צבא ותעשייה.
בקיצור: בחרו לוחות נחושת עבה כאשר מוליכות חשמלית, ניהול חום ואמינות לטווח ארוך הם בעדיפות עליונה.
משקל נחושת, עובי וקיבולת זרם
מכיוון ש-“oz” הוא מדד משקל, מהנדסים רבים מעדיפים לתאר נחושת במונחי עובי. להלן טבלת המרה פשוטה:
| משקל נחושת | עובי מקורב (µm) | עובי (mil) | שימוש טיפוסי |
|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 17 | 0.7 | אות/בקרה |
| 1 oz | 35 | 1.37 | לוחות סטנדרטיים |
| 2 oz | 70 | 2.74 | מעגלי הספק |
| 3 oz | 105 | 4.11 | Heavy Copper |
| 6 oz | 210 | 8.22 | הפצת הספק |
| 10 oz | 350 | 13.7 | תעשייה/ביטחון |
| 20 oz | 700 | 27.4 | יישומים קיצוניים |
במילים פשוטות:
- נחושת עבה יותר = התנגדות נמוכה יותר = קיבולת זרם גבוהה יותר.
קיבולת הזרם תלויה ברוחב המסלול, בעובי הנחושת ובעליית הטמפרטורה המותרת. לפי הנחיות IPC-2152, הכפלת עובי הנחושת יכולה להפחית את עליית הטמפרטורה בכ-30–40% עבור אותו זרם. לכן מעצבים משתמשים בנחושת עבה עבור מישורי הספק ונתיבי זרם גבוה.
כללי תכן (Design Rules) ל-Heavy Copper
התכן עם נחושת עבה שונה מתכן בלוח סטנדרטי של 1 oz. הכללים הבאים מסייעים לכשירות ייצור ולביצועים יציבים:
רוחב מסלול ומרווח (Trace/Space)
ככל שהנחושת עבה יותר, החריטה הצדית (Side Etching) בולטת יותר וקשה לשמור על רוחבים/מרווחים קטנים. מינימום טיפוסי:
- 3 oz: מינימום 8–10 mil רוחב/מרווח.
- 6 oz: בערך 12–15 mil.
- 10 oz ומעלה: ≥20 mil.
תמיד בדקו את יכולות היצרן ויישמו פיצוי חריטה בשכבות החיצוניות.
ויאס וציפוי (Plating)
נחושת עבה משמעותה ציפוי נחושת עבה יותר בתוך הוויאס, מה שמשפר הולכת זרם אך עלול ליצור שקיעה לא אחידה. השתמשו ב-קוטרי ויאס גדולים יותר (קוטר סופי ≥ 0.3 מ״מ) ובעובי נחושת מחורר של כ-25–30 µm או יותר לנתיבי זרם גבוה.
לניהול חום, מקמו וויאסים תרמיים מתחת לרכיבי הספק כדי להוליך חום לשכבות נחושת אחרות או לגוף קירור חיצוני.
מסכת הלחמה ופדים
בשל הטופוגרפיה הגבוהה יותר, מסכת ההלחמה עלולה להתכווץ או לזרום אחרת. הגדילו מעט את הפדים והתאימו את פתיחות המסכה כדי למנוע חוסר יישור בחשיפה.
אימפדנס ומהירויות גבוהות
נחושת עבה משנה את גאומטריית שכבות האות. הגובה המוגדל של הנחושת מוריד את האימפדנס, ולכן ייתכן שיהיה צורך להגדיל את עובי הדיאלקטריק כדי לשמור על הערכים היעדיים. בתכן מהיר, תקשרו מוקדם עם היצרן לכיול אימפדנס על שכבות נחושת עבה.
דוגמאות Stackup נפוצות
כדי לאזן ביצועים ועלות, יצרנים רבים משלבים משקלי נחושת שונים באותו לוח.
דוגמה 1 – לוח דו-שכבתי 6 oz
- לוח פס הספק/ממיר פשוט.
- 6 oz בכל צד לטיפול בזרמים של ≈50–100A.
- מסלול תרמי מצוין, אך חריטה עבה יותר ולוח כבד יותר.
דוגמה 2 – לוח 4 שכבות: 2 oz חיצוני / 3 oz פנימי
- איזון בין הספק לשלמות אות.
- שכבות חיצוניות לרכיבים ולניתוב.
- שכבות פנימיות כמישורי הספק בעובי גדול יותר לפיזור חום משופר.
דוגמה 3 – ערבוב שכבות כבדות (10–12 oz) עם שכבות סטנדרטיות
- לאלקטרוניקת הספק תעשייתית/ביטחונית עתירת-ביצועים.
- שכבות עליונות לאותות בקרה (1–2 oz).
- שכבת ליבה/פנימית נושאת את הזרם הכבד (10–12 oz).
בכל המקרים, יש לוודא פרמטרי לחיצה, גבולות חריטה ורישום שכבות עם היצרן לפני נעילת ה-Stackup.
אמינות תרמית ומכנית
אחד הטעמים המרכזיים לבחירת נחושת עבה הוא אמינות תרמית. ככל שעובי הנחושת גדול יותר, כך היכולת של הלוח לפזר ולאגור חום טובה יותר.
בבדיקות תרמיות נמצא כי מסלולי נחושת עבה מורידים משמעותית את עליית הטמפרטורה המקומית, משום שהחום מתפשט אופקית דרך משטח הנחושת. לעיתים ניתן לצמצם צורך בגופי קירור גדולים או בקירור מאולץ.
מבחינה מכנית, שכבת נחושת עבה יותר משפרת את עמידות הלוח לעיוותים וסדקים במחזורי טמפרטורה, ומספקת פדים חזקים יותר לעמידה במאמצי הלחמה גבוהים (למשל סלילים מחוּסמים או מחברים).
אתגרי ייצור ומניעי עלות
שליטה בחריטה
בעובי 6 oz ומעלה יש להסיר כמות נחושת גדולה כימית. חריטה לא אחידה עלולה ליצור דפנות נטויות או חריטה יתר. היצרנים שולטים בכך בעזרת זמן חריטה, כימיה ופיצוי רוחב בגרפיקת הסרטים.
עובי הציפוי ואחידותו
נחושת עבה דורשת זמן גלוון ארוך יותר. האתגר הוא לשמור על התפלגות נחושת אחידה על פני פאנלים גדולים. אי-אחידות עלולה ליצור שונות בעובי בין מבנים עדינים למישורים גדולים.
קידוח ויישור
קידוח דרך נחושת עבה מייצר יותר חום ושחיקת כלים. משתמשים ב-מקדחים מיוחדים ובקצבי הזנה מבוקרים כדי להשיג חורים נקיים ורישום מדויק.
עלות וזמן אספקה
עקב זמני תהליך נוספים — במיוחד גלוון וחריטה — לוחות נחושת עבה יקרים יותר ועשויים לדרוש זמן ייצור ארוך יותר. גורמי עלות עיקריים:
- משקל נחושת לכל שכבה.
- עובי הלוח ומספר השכבות.
- מינימום רוחב/מרווח מסלולים.
- סוג גימור פני השטח ושלבי בדיקה נדרשים.
חלון יכולות (Capability Window)
יצרן איכותי כמו Fast Turn PCBs יכול בדרך כלל לייצר:
- עד 15 oz בשכבות חיצוניות.
- עד 12 oz בשכבות פנימיות.
- מינימום רוחב/מרווח סביב 8–10 mil ב-4 oz, ומרווחים גדולים יותר במשקלים גבוהים יותר.
- עובי לוח 0.6–6 מ״מ.
- גימורים נפוצים: ENIG, ENEPIG, HASL-LF, OSP, Immersion Silver.
פרמטרים אלה מגדירים את גבולות הייצור המעשיים לאמינות גבוהה.
יישומים מעשיים
לוחות נחושת עבה קיימים כמעט בכל תחום שבו זרם וחום הם אתגר מרכזי:
אלקטרוניקת הספק
ממירים, מייצבי מתח ואינוורטרים משתמשים במישורי 3–10 oz כדי להעביר עשרות אמפר ביעילות, עם פחות הפסדים וחימום נמוך יותר.
מערכות רכב
רכבים חשמליים, תאורת LED ובקרי מנועים דורשים אמינות גבוהה מול רטט ושינויי טמפרטורה. נחושת עבה מספקת את החוסן הדרוש להפעלה ממושכת.
ציוד תעשייתי
ממירי תדר, ספקי כוח וחיישנים נהנים מחלוקת זרם טובה יותר ומביצועים תרמיים משופרים.
אנרגיה מתחדשת וביטחון
אינוורטרים סולאריים, מערכות אגירת אנרגיה, מודולי מכ״ם ומגברי-הספק משתמשים לעיתים ב-10 oz או יותר כדי לעמוד בעומסים רציפים ובתנאים קשים.
גימורי פני שטח ואמינות
הגימור מגן על הנחושת מחמצון ומבטיח הלחמה אמינה. בלוחות נחושת עבה בחירת הגימור קריטית עקב נפח נחושת גדול ושונות אפשרית במישוריות.
גימורים נפוצים:
- ENIG (ניקל כימי וזהב טבול) — חלק, שטוח, מתאים לצפיפות גבוהה וחיי מדף ארוכים.
- ENEPIG — עם פלדיום; טוב לקשירת חוטים (Wire Bonding) ולעמידות בפני קורוזיה.
- HASL ללא עופרת — חסכוני ועמיד אך פחות שטוח להרכבות SMD צפופות.
- OSP — ידידותי לסביבה וחסכוני לסדרות קצרות.
- כסף טבול (Immersion Silver) — מוליכות טובה והלחמה מצוינת למעגלי הספק.
בחרו את הגימור כפשרה בין יכולת הלחמה, עמידות ו-עלות לפי היישום הסופי.
שאלות נפוצות (FAQ): יסודות Thick Copper
1) מהו “1 oz copper thickness”?
אונקיית נחושת אחת לכל רגל רבועה; העובי הוא ≈35 µm (≈1.37 mil).
2) מה ההבדל בין Heavy ל-Extra Heavy?
- Heavy Copper: בערך 3–6 oz לשכבה.
- Extra-Heavy Copper: 8–20 oz או יותר — ליישומים קיצוניים בזרם ובחום.
3) האם ניתן להשיג מסלולים בעלי אימפדנס מבוקר בלוח נחושת עבה?
כן, אך נדרש דיאלקטריק עבה יותר ומסלולים רחבים יותר כדי להגיע לערכי היעד. הסבילות הדוקה יותר; מומלץ תיאום מוקדם עם היצרן.
4) האם ניתן לשלב משקלי נחושת שונים באותו לוח?
כן. נפוץ לשלב שכבות אות רגילות (1–2 oz) עם שכבות הספק כבדות (6–12 oz). עם זאת, הדבר מעלה את מורכבות ההדבקה (Lamination) והעלות.
5) מהו הגבול המעשי לעובי נחושת?
בפועל, לעיתים קרובות ניתן לייצר עד 15 oz בשכבות חיצוניות ועד 12 oz בפנימיות. מעבר לכך השליטה התהליכית והעלות מאתגרות.
סיכום
לוחות נחושת עבה הם דרך מוכחת להגדיל קיבולת זרם, לשפר ביצועים תרמיים ולהעלות אמינות באלקטרוניקה מודרנית. הם מאפשרים תכן קומפקטי של הספק — בלי לוותר על חוזק.
הבנה של היחסים בין משקל נחושת, רוחב מסלול ו-Stackup תאפשר לכם לתכנן לוחות שמבצעים טוב יותר ומחזיקים מעמד זמן רב בסביבות מאתגרות.
צריכים לוחות Heavy Copper לפרויקט ההספק הבא שלכם? Fast Turn PCBs מציעה ייצור מתקדם עד 15 oz נחושת, זמני אספקה מהירים ואיכות יציבה.
דברו איתנו לקבלת הצעת מחיר מיידית ולבחינת דרישות התכן שלכם.
