Dickkupfer-Leiterplatten: Werkstoffe, Fertigung, Designregeln und Normen

Dickkupfer-Leiterplatte. Eine Dickkupfer-Leiterplatte ist eine Leiterplatte mit deutlich mehr Kupfer als die 1-2 oz, die bei Standardleiterplatten üblich sind. Die Auswahl von Werkstoffen, Verfahren und Normen entscheidet darüber, ob eine Leiterplatte ihre vorgesehene Lebensdauer erreicht oder an den durchkontaktierten Bohrungen Risse bekommt. Dieser Leitfaden behandelt Dickkupfer-Leiterplatten: Definition, Fertigung und Spezifikation; Entsprechungen von Kupfergewicht und -dicke; verwendete Laminate und Kupferfolien; Änderungen im Fertigungsprozess bei dickem Kupfer; IPC-konforme Berechnungen von Leiterbahnbreiten; Normen und Abnahmeklassen; Zuverlässigkeitsprüfungen; Überlegungen zu realen Anwendungsfällen und die häufigsten Fallstricke beim ersten Dickkupfer-Design.

Was ist eine Dickkupfer-Leiterplatte?

Es gibt kein einzelnes Dokument mit einer IPC-Nummer, das ein bestimmtes Kupfergewicht festlegt, es als Dickkupfer bezeichnet und damit die Sache abschließend regelt. Das irritiert Ingenieure, die es gewohnt sind, jeden Begriff aus dem PCB-Bereich auf eine präzise Klausel einer Norm zurückzuführen. Selbst die Wissensdatenbank von Sierra Circuits formuliert es erfrischend direkt: „Es gibt keine festen Regeln, die die bei der Fertigung von Dickkupfer-Leiterplatten zu verwendende Kupfermenge festlegen“, und weist zugleich darauf hin, dass in der Branche allgemein „jede Lage mit 3 oz/ft² und mehr als Dickkupfer bezeichnet wird“. Epec Engineered Technologies setzt die Grenze um eine Unze höher. Das Unternehmen ordnet kommerzielle Leiterplatten mit 0.5 bis 3 oz/ft² ein, Dickkupfer mit 4 bis 20 oz/ft² und alles darüber bis 200 oz/ft² als EXTREME-Kupfer. Eine weitere Definition findet sich in der Wissensdatenbank von PCBGoGo: Dort wird „dickes/schweres Kupfer“ als fertiges Kupfer über 4 oz (140 µm) definiert. Alle diese Definitionen sind zutreffend, denn jeder Leiterplattenhersteller zieht die Grenze auf der Übersicht für „konventionelles“ Kupfer etwas anders. Keine IPC-Norm selbst verwendet den Begriff „Dickkupfer“.

Ob ein Datenblatt von einer Dickkupfer-Leiterplatte, einer Dickkupfer-Leiterplatte oder am oberen Ende des Spektrums von einer Leiterplatte mit extrem dickem Kupfer spricht: Die zugrunde liegende Physik ist dieselbe. Eine größere Kupfermasse in der Leiterplatte ermöglicht eine höhere Strombelastbarkeit und verteilt Wärme besser. In Zeichnungen und Angebotsanfragen kürzen Ingenieure den Begriff manchmal zu Heavy Cu ab. Einig sind sich alle Quellen über die physikalischen Zusammenhänge: Muss das Design mehr Strom führen, mehr Wärme ableiten oder höhere mechanische Belastungen am Pad oder in der durchkontaktierten Bohrung aushalten, als mit einer 1-2 Unzen starken Folie möglich ist, besteht die Lösung in einer dickeren Kupferlage – nicht in einer breiteren Leiterbahn auf der 1-2 oz starken Lage. Das ist der Kern des Begriffs „Dickkupfer“ und der Grund, warum die Branche bei einer 3-4 Unzen starken Folie ansetzt: Ab dieser Kupfermenge benötigen Leiterplattenhersteller neue Galvanisierungs- und Ätzverfahren (siehe H2-4). Die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit den zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhängen reicht Jahrzehnte zurück – siehe diese IEEE-Analyse zur Strombelastbarkeit von Leiterbahnen auf Leiterplatten für die klassische Herleitung, auf der die Dickkupfertechnik beruht.

Kupfergewicht und -dicke: das vollständige Nachschlagewerk

Dieses Nachschlagewerk gilt unabhängig davon, ob Sie eine Leiterplatte mit 1 oz oder 20 oz Kupfer fertigen lassen, denn die Umrechnung für Leiterplatten ändert sich nicht mit dem Kupfergewicht. Das Kupfergewicht wird in oz/ft angegeben. Diese Einheit geht auf die historische Praxis zurück, das Gewicht des Kupfers vor dem Walzen und der anschließenden Galvanisierung auf die erforderliche Dicke festzulegen. Die Umrechnung ist physikalisch festgelegt: Eine Unze Kupfer, gleichmäßig auf einer Fläche von 1 Fuß im Quadrat verteilt, ist 1.37 mil (0.00137 in) dick. Das entspricht 34,8 µm (häufig auf 35 µm gerundet). Alle anderen Gewichte ergeben sich linear aus diesem Basiswert. Deshalb lassen sie sich direkt aus der folgenden Tabelle ablesen.

Wenn Sie die Berechnung überspringen und direkt eine bestimmte Leiterbahn berechnen möchten, hilft Ihnen der Kupferdicken-Umrechner von PCBark (oz · µm · mil). Diese Tabelle dient als praktische Referenz für die Bezeichnung Dickkupfer. Sie behandelt nicht die Berechnung von Leiterbahnbreite und Strombelastbarkeit (siehe H2-5), die unabhängig von der Bestimmung der physikalischen Dicke einer bestimmten Kupfermenge in oz ist.

Werkstoffkunde: Arten von Kupferfolie und Auswahl des Laminats

Bei jedem Lagenaufbau mit Dickkupfer gibt es zwei wesentliche Annahmen, die selten zusammen mit dem Kupfergewicht in oz ausdrücklich besprochen werden: Woher stammt die Kupferlage (Cu)? Und an welches Leiterplattenmaterial ist das Kupfer gebunden, und wie wird ein Verzug verhindert? In beiden Fällen sorgt das Kupfer als leitfähiges Element für die elektrische Leitfähigkeit. Das darunterliegende Dielektrikum muss denselben thermischen und mechanischen Belastungen standhalten, für die die dickere Kupferleiterplatte ausgelegt ist.

Herstellung von Kupferfolie Kupferfolie für die Verpressung von Leiterplatten wird auf zwei Arten hergestellt: • Elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer (ED) wird auf eine rotierende Trommel galvanisiert. Auf der behandelten Seite entsteht dadurch ein säulenförmiges, knotiges Korngefüge. Diese kostengünstigere und am weitesten verbreitete Folie eignet sich für die meisten Anwendungen mit Dickkupfer-Leiterplatten. • Gewalztes und geglühtes Kupfer (RA) wird mechanisch auf die gewünschte Dicke gewalzt und geglüht. Dadurch entsteht ein feineres, gleichmäßigeres Korngefüge mit höherer Duktilität. RA-Folie ist teurer und wird nur für ausgewählte Anwendungen eingesetzt, bei denen Leiterplatten häufig gebogen werden oder die Ermüdungsbeständigkeit an einer Durchkontaktierung oder Falz wichtiger ist als der Preis. Historisch ist sie die Standardfolie für flexible und Starrflex-Leiterplatten. Gelegentlich kommt sie auch bei Dickkupfer-Anwendungen mit stark ausgeprägten Temperaturwechseln zum Einsatz: Ihre Duktilität ermöglicht eine bessere Wärmeausdehnung und -kontraktion an den Durchkontaktierungen, ohne dass Leiterbahnen ebenso leicht Mikrorisse bilden.

Laminat Das Material unter dem Kupfer ist ebenso wichtig wie das Kupfer selbst. Für Standard-FR4-Laminat gilt eine maximale Betriebstemperatur von etwa 130°C. Diese liegt in der Regel über den Temperaturen, die selbst bei vielen Dickkupfer-Designs durch die Strombelastung entstehen. Bei Leiterplatten für sehr hohe Umgebungstemperaturen – etwa im Motorraum oder in der Nähe des Kühlkörpers eines Netzteils – kann die maximale Umgebungstemperatur jedoch bis zu 250°C betragen. In diesem Fall ist Polyimid-Laminat erforderlich. Bei Dickkupfer-Anwendungen ist an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Laminat meist nicht die Wärmebeständigkeit des Harzes ausschlaggebend, sondern die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Kupfer und Laminat. Bei Temperaturwechseln dehnen sich Kupfer und herkömmliches FR-4-Harz unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen. Diese Differenz, bekannt als Abweichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), treibt die Entstehung von Rissen in durchkontaktierten Bohrungen während der Temperaturwechsel voran. Die Norm IPC-9701 (H2-7) beschreibt diesen Ausfallmechanismus im Rahmen der Designvalidierungsprüfungen für Leiterplatten. Eine dickere Kupferlage wirkt außerdem als passives Wärmeableitungselement: Sie leitet Wärme von heißen Bereichen der Leiterplatte ab, verteilt sie in kühlere Bereiche und verringert lokale Hotspots. Mitunter wird die Wärme auch zu einem externen Kühlkörper geleitet, der auf der Leiterplattenoberfläche befestigt ist. Dieser zusätzliche Effekt der Kupfermasse ist vollständig unabhängig von der Strombelastbarkeit. Bei PCBark fertigen wir Dickkupfer-Leiterplatten mit 2 bis 20 oz auf Außenlagen und bis zu 12 oz auf Innenlagen, mit einer Dicke von bis zu 6 mm und bis zu 32 Lagen. Die Auswahl der geeigneten Laminate richtet sich nach den Temperaturwechseln, denen die Leiterplatte in ihrer tatsächlichen Anwendung ausgesetzt sein wird, und nicht nach allgemeinen Standards. Dieses Wärmemanagement nutzt die Kupfermasse statt Luftströmung. Es ist besonders wichtig bei elektronischen Geräten, Netzteilsystemen, Industrieanwendungen und ähnlichen Anlagen, in denen ein luftgekühlter Kühlkörper nicht praktikabel ist. Eine IEEE-Studie zur Strombelastbarkeit interner Leiter dokumentiert denselben Effekt der Wärmeverteilung aus werkstoffphysikalischer Sicht.

Fertigung von Dickkupfer-Leiterplatten

Jede Leiterplatte – ob mit Dickkupfer oder ohne – beginnt mit der Verpressung dünner Kupferfolie (üblicherweise 0,5-2 oz/ft²) auf das Basissubstrat. Anschließend werden Teile davon selektiv weggeätzt und weiteres Kupfer selektiv aufgalvanisiert, bis Leiterbahnen, Flächen, Pads und durchkontaktierte Bohrungen den endgültigen Schaltungsentwurf bilden. Sobald die gewünschte Kupferdicke für eine Dickkupfer-Leiterplatte über den Bereich von 3-oz/ft² hinausgeht, sind fortschrittlichere Ätz- und Galvanisierungsverfahren erforderlich. Die bei 1-oz-Leiterplatten üblichen Standardverfahren für das Ätzen und Galvanisieren lassen sich nicht einfach hochskalieren. Daher setzen Leiterplattenhersteller auf weiterentwickelte Anlagen, um bei dieser Kupferdicke die Toleranzen einzuhalten.

Beim subtraktiven Ätzen wird die Kupferlage unter der Resistmaske durch Ätzen abgetragen. Das Verfahren ist grundsätzlich isotrop, das Ätzmittel greift also vertikal und horizontal gleichermaßen an. Bei einer Standardlage mit 1 oz ist der dadurch entstehende Unterätzungsbereich normalerweise so klein, dass er vernachlässigt werden kann. Bei einer Kupferlage mit 6 oz oder 10 oz kann einfaches Ätzen jedoch zu einer starken Unterätzung einer vertikal definierten Leiterbahn führen. Die Seitenwände verlaufen dann deutlich schräg nach innen, die Abmessungen weichen unvorhersehbar von der ursprünglichen Zeichnung ab und feine Strukturen lassen sich nicht mehr innerhalb der engen Toleranzen eines industriellen Prozesses halten. An diesem Punkt ist differenzielles Ätzen erforderlich. Bei Dickkupfer liegt diese Schwelle in der Regel bei etwa 3-4 oz: Die seitliche Unterätzung durch einen einzigen Ätzgang wird im Verhältnis zur Leiterbahngeometrie zu groß. Deshalb muss der Leiterplattenhersteller kontrollierte Galvanisierung mit mehreren differenziellen Ätzgängen kombinieren.

Ein gängiges Verfahren zum Aufbau dicker Kupferstrukturen beginnt zum Beispiel damit, eine normale, relativ dünne Basiskupferlage mit konventionellen Verfahren zu ätzen. Danach wird auf die Bereiche, die das Dickkupfergewicht erreichen müssen, selektiv ein Teil der erforderlichen Dicke aufgalvanisiert. Dieses Verfahren wird als „Stufenplattierung“ bezeichnet. Gleichzeitig gleichen differenzielle Ätzverfahren unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten in Bereichen verschiedener Strukturdichte auf dem Panel aus. Das chinesische Patent CN105163523A, „Verfahren zum Ätzen von Dickkupfer-Leiterplatten“, beschreibt beispielsweise ein sehr ähnliches Verfahren zur Kontrolle des Seitenwandprofils bei Dickkupferprodukten. Aus internen Unterlagen zu den Fertigungsprozessen von Epec geht hervor, dass dort früher die Dickkupfer-Leiterbahnen vollständig durch Ätzen eines dick kupferkaschierten Laminats erzeugt wurden. Das führte zu schlechten Seitenwandprofilen und Unterätzung. Durch die Kombination von Galvanisieren und Ätzen gelang es, bei Dickkupfer-Designs gerade Seitenwände und eine vernachlässigbare Unterätzung zu erzielen. Ein Fehler bei diesem Fertigungsschritt ist für Käufer, die erstmals eine Dickkupfer-Leiterplatte bestellen, ein echtes Risiko: Lässt ein Leiterplattenhersteller 6-oz-Kupfer durch eine Standard-Ätzlinie mit nur einem Ätzgang laufen, drohen wochenlange Verzögerungen, wenn das Panel die Wareneingangsprüfung nicht besteht. Dieser Prozess ist in der Praxis schlicht nicht für eine solche Kupfermasse ausgelegt. Die Dickkupfer-Fertigungslinie von PCBark setzt seit 16 Jahren auf differenzielles Ätzen und Stufenplattierung, um genau diesen Fehler zu vermeiden.

Der Vorteil der Galvanisierung gegenüber dem ausschließlichen Ätzen: Leiterplattenhersteller können Kupferlagen mit stark unterschiedlichen Dicken kombinieren. So lassen sich zum Beispiel 2-oz-Leiterbahnen und 20-oz-Leiterbahnen nebeneinander auf derselben Lage anordnen. Dadurch können Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz für hohe Frequenzen und Hochstrom-Leiterbahnen auf derselben Lage statt auf zwei verschiedenen Lagen oder Leiterplatten untergebracht werden. Nach der Dickkupfer-Galvanisierung werden Dickkupfer-Leiterplatten in der Regel auf Standard-SMT-Linien weiterverarbeitet. Eine kleine Anpassung ist jedoch nötig: Die größere Kupfermasse wirkt als Kühlkörper und führt Wärme von der Lötstelle schneller ab als bei Standardleiterplatten. Deshalb braucht das Lötprofil beim Reflow-Löten eine „längere Haltezeit“ und manchmal eine höhere „Spitzentemperatur“. So wird sichergestellt, dass die Lötstellen auf oder neben den Dickkupferflächen ausreichend aufschmelzen und keine „kalten“ Lötstellen entstehen.

Strombelastbarkeit und Designverfahren nach IPC-2152

Genau auf diese Berechnung ist Dickkupfer ausgelegt. Hier zeigt sich auch ein wichtiger Unterschied, der in Marketingtexten der meisten Leiterplattenhersteller oft übergangen wird: Das Verhältnis von IPC-2221 zu IPC-2152 wird meist mit „Die neue Norm hat die alte ersetzt“ zusammengefasst. Ein Blick auf die tatsächlich von IPC veröffentlichten Angaben zum Revisionsstand zeigt, dass das nicht ganz stimmt. IPC-2152, die Norm zur Bestimmung der Strombelastbarkeit beim Design von Leiterplatten, wurde erstmals im August 2009 veröffentlicht und seitdem nicht aktualisiert. In der IPC-Übersicht ist sie als „Nicht mehr gepflegt“ gekennzeichnet. Das bedeutet, dass derzeit kein Normungsausschuss an einer Aktualisierung arbeitet, aber nicht, dass das Dokument selbst veraltet oder ungültig ist. IPC-2221, die allgemeine Norm für Leiterplattendesign mit den einfacheren, älteren Tabellen, wurde tatsächlich erst kürzlich aktualisiert: Revision C erschien im Dezember 2023.

„…legt den alleinigen Branchenstandard zur Bestimmung der geeigneten Abmessungen interner und externer Leiter fest“

zu IPC-2152, wie in Circuit World, Emerald Publishing berichtet

In der Praxis werden beide Normen weiterhin verwendet. Ihr Verhältnis lässt sich am treffendsten über ihren Geltungsbereich statt über ihr Alter beschreiben: Die Tabellen aus IPC-2221 sind die schnellere und unkompliziertere Methode, zu der die meisten Ingenieure zuerst greifen. Sie sind weiterhin aktuell, weil IPC-2221 selbst regelmäßig überarbeitet wird. IPC-2152 ist das umfassendere, speziell der Strombelastbarkeit gewidmete Verfahren. Es berücksichtigt weitere Variablen, darunter den Leiterbahnabstand, die Leiterplattendicke und die Position des Leiters. Deshalb verweisen technische Inhalte von Leiterplattenherstellern – etwa die Anleitung von Cadence zur Leiterbahndicke aus 2024, der IPC-2152-Leitfaden von Sierra Circuits und der Blog von ANSI – bei mehr als einer groben ersten Schätzung immer wieder auf diese Norm, obwohl das Dokument seit 2009 nicht überarbeitet wurde.

Bei Innenlagen-Leiterbahnen muss der jeweilige Tabellenwert jedoch entsprechend reduziert werden: Als Faustregel galt lange, dass die Strombelastbarkeit einer Innenlage etwa halb so hoch angesetzt werden kann wie die einer vergleichbaren Außenlagen-Leiterbahn. Denn Innenlagen-Leiterbahnen haben keinen direkten Zugang zur Luftströmung, die sie durch Konvektion kühlen könnte. Sie müssen die gesamte Wärme an das umgebende Laminat abgeben. Die Reduzierung um fünfzig Prozent ist jedoch nicht verbindlich. Die Norm IPC-2152 enthält eigene Tabellen für interne und externe Leiter, gibt aber keinen pauschalen Faktor vor. Wenn Sie bei der Auslegung an die Belastungsgrenze gehen, sollten Sie die Leiterbahnen in den Innenlagen daher anhand der Daten für interne Leiter aus der Norm berechnen, statt einfach die Hälfte der Nennbelastbarkeit eines externen Leiters anzusetzen.

Lagenaufbau und Via-Design für Multilayer-Leiterplatten mit Dickkupfer

Dickkupfer ist nicht auf Außenlagen beschränkt. Wenn Ihr Design eine hohe Stromstärke über Innenlagen-Stromversorgungsebenen verteilen muss, wie es bei Multilayer-Leiterplatten für die Leistungselektronik häufig der Fall ist, sind die Kupferdicke der Innenlagen und das Via-Design deutlich größere Einschränkungen als bei einem Multilayer-Lagenaufbau mit Standardkupfer.

Einer der wichtigsten begrenzenden Faktoren ist vermutlich das Aspektverhältnis der Via-Bohrung (Tiefe geteilt durch Breite). Hersteller empfehlen für Dickkupfer-Vias üblicherweise ein maximales Aspektverhältnis von 6:1 und von 4:1, wenn die Vias hohe Ströme führen oder der Wärmeableitung dienen. Denn in sehr tiefen und schmalen Bohrungen lässt sich eine gleichmäßige Kupfergalvanisierung an der Innenwand nur schwer erreichen. Die vollständige Norm IPC-2152 enthält sogar einen ausführlichen Anhang zu Temperaturgradienten an Vias, der in solchen Fällen lesenswert ist, statt sich auf einen einzelnen maximalen Aspektverhältniswert zu verlassen. Ein falsch gewähltes Aspektverhältnis ist ein häufiger und kostspieliger Fehler: Wird ein Via für das Galvanisierungsverfahren zu tief und zu schmal gebohrt, kann die Kupferbeschichtung der Bohrungswand unvollständig sein. Dieser Fehler entgeht oft der Sichtprüfung und zeigt sich erst innerhalb von 90 days im Einsatz als sporadischer Verbindungsausfall, weil die üblichen Bohrparameter nie für Bohrungen mit einem derart großen Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser ausgelegt waren.

Bei Multilayer-Leiterplatten mit Dickkupfer kommen unter Hochleistungskomponenten und BGA-Gehäusen häufig sogenannte „kupfergefüllte Vias“ (manchmal auch „Via-in-Pad-Aufbau“) zum Einsatz. Diese Füllungen leiten Wärme effizient durch den gesamten Lagenaufbau der Leiterplatte und bieten zugleich ein ebenes, lötbares Pad für das darüberliegende Bauteil. Die Kupfergalvanisierung reicht dabei an den Via-Seitenwänden nach unten und hält den Wärmeleitpfad von oben bis unten leitfähig. Bei der Planung des Lagenaufbaus muss auch die Ausgewogenheit der Kupferdicke auf beiden Seiten des Aufbaus berücksichtigt werden. Unterschiedliche Dicken auf gegenüberliegenden Seiten (d. h. Dickkupfer auf der einen, dünnes Kupfer auf der anderen Seite) verursachen bei der Leiterplattenfertigung eine ungleichmäßige Belastung des Laminats und können so zu Verzug führen. Deshalb werden Dickkupfer-Designs üblicherweise so ausgelegt, dass die Kupferdicken auf jeder Lage ausgeglichen sind, bevor der Lagenaufbau finalisiert wird – auch wenn dies nicht ausdrücklich allein aus elektrischen Gründen geschieht. Separate Dickkupfer-Ebenen für Stromversorgung und Masse vorzusehen, statt sie auf derselben Lage mit Steuerstromkreisen mit feinem Raster zu kombinieren, ist eine Design- und Fertigungsentscheidung, die besser früh als nach Festlegung des Lagenaufbaus getroffen wird. Die Multilayer-Leiterplattenfertigung von PCBark berücksichtigt die Planung von Dickkupfer auf Innenlagen standardmäßig und nicht als Sonderprozess.

Normen, Abnahmeklassen und Zuverlässigkeitsprüfungen

Für die Abnahme einer Dickkupfer-Leiterplatte gelten zwei verschiedene Normen: IPC-6012 enthält die Leistungsspezifikation für eine Leiterplatte, IPC-A-600 legt die Anforderungen an die visuelle Qualität unbestückter Leiterplatten fest, etwa an Restringe, Galvanisierungsdicke und Bohrungsqualität. IPC-A-610 definiert hingegen Abnahmekriterien für die elektronische Baugruppe, zum Beispiel für Lötverbindungen und die damit verbundenen Fertigungsstandards. Viele Leiterplattenhersteller führen eine Zertifizierung nach IPC-A-610 Klasse 2/3 an, da diese Norm die Anforderungen an die Bestückung eines Endprodukts beschreibt, während die Abnahme der unbestückten Leiterplatte in IPC-6012 geregelt ist. Unsere Zertifizierungen umfassen IPC-A-610 Klasse 2 und 3 für die Fertigungsqualität sowie ISO 9001 und ISO 14001 für Qualitäts- und Umweltmanagement. Hinzu kommen eine UL-Zertifizierung und die RoHS-/REACH-Konformität für Produktsicherheit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Klasse 3 bezeichnet die höhere Zuverlässigkeitsstufe, die im Allgemeinen für Anwendungen wie Verteidigung, Luft- und Raumfahrt sowie Medizingeräte empfohlen wird, bei denen selbst geringfügige Defekte kritisch sein können – dieselben hohen Zuverlässigkeitsanforderungen, die in IEEE-Forschung zur Zuverlässigkeit von Leiterplattenleitern in anspruchsvollen (für den Weltraum qualifizierten) Umgebungen dokumentiert sind.

Die Abnahmeklasse bezieht sich zwar auf das zulässige Erscheinungsbild der fertigen Leiterplatte, doch Zuverlässigkeitsprüfungen liefern Daten dazu, ob die fertige Leiterplatte während ihrer Lebensdauer den vorgesehenen Umgebungsbedingungen standhält. Die dafür relevante Norm IPC-9701 enthält Richtlinien für Temperaturwechselprüfungen an Lötverbindungen, um die Ermüdungslebensdauer von oberflächenmontierten Bauteilen (SMD) vorherzusagen. Dickkupfer ist aufgrund des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Kupferfolie und Substratmaterial besonders stark betroffen. Wird eine Dickkupfer-Leiterplatte Temperaturwechseln zwischen zwei Extremwerten ausgesetzt, dehnen sich Kupferfolie und Laminat unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich zusammen. Dadurch konzentriert sich die Belastung an den Vias, was die Rissausbreitung begünstigt, bis der elektrische Widerstand deutlich beeinflusst wird. Ein von einem Leiterplattenhersteller veröffentlichter Test zeigte, dass eine FR-4-Leiterplatte mit dünnem Kupfer (0,8-1,2 mils dick) nach 8 Temperaturwechseln eine Rissausfallrate von 32 % aufwies. Eine identische Leiterplatte mit Dickkupfer (2 oz / 2.5 mil) versagte unter denselben Bedingungen mit einer Rissrate von 0,57 % – in diesem konkreten Fall eine rund 50-fache Verbesserung durch die Dickkupfergalvanisierung. Zu beachten ist, dass die Rissausfallrate von 0,57 % auf den Testergebnissen eines einzelnen Herstellers und nicht auf einer unabhängigen, geprüften Studie beruht.

Anwendungen: Die technischen Gründe für jeden Einsatzbereich

In Darstellungen typischer Dickkupfer-Anwendungen werden häufig Branchen wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt und erneuerbare Energien als wichtige Segmente aufgeführt, ohne zu erläutern, welchen konkreten Ausfallmechanismus Dickkupfer dort verhindert. Dickkupfer-Leiterplatten kommen überall dort zum Einsatz, wo ein Design mehr Strom auf kleinerem Raum führen muss und sonst eine einfache Leiterplatte mit angeschraubter Sammelschiene erforderlich wäre. In der Leistungselektronik wird das Kupfer gezielt eingesetzt, um diesen Strom ohne separate Sammelschiene zu führen. Die folgende Tabelle fasst einige typische Anwendungsfälle zusammen, ordnet ihnen den jeweiligen Ausfallmechanismus und die passende Kupferdicke zu und unterteilt „Leistungselektronik“ nach konkreten Ausfallmechanismen der Anwendung statt nach einer allgemeinen Klassifizierung.

Für Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien gibt es veröffentlichte Fallstudien. Wie bei allen von einem einzelnen Hersteller selbst gemeldeten Zahlen ist jedoch Vorsicht geboten: Eine Fallstudie eines Leiterplattenherstellers zeigt ein für 400 A ausgelegtes Ladegerät-Leistungsmodul für Elektrofahrzeuge, das von 2oz auf 6oz Kupfer umkonstruiert wurde. Dadurch verringerte sich die Leiterplattengröße um 35 % und externe Kühlkörper konnten entfallen. Eine andere Fallstudie desselben Herstellers beschreibt einen Solarwechselrichter, bei dem die Kupferdicke der Außenlagen von 1oz auf 4oz erhöht wurde. Die Lagenzahl sank dadurch von 12 auf 8 und die MTBF stieg von etwa 85k auf 240k Stunden. In beiden Fällen stammen die Zahlen aus vom Anbieter veröffentlichten Fallstudien und nicht aus unabhängigen, verifizierten Prüfberichten. Sie sollen ausschließlich den Umfang der Diskussion über Designs veranschaulichen, die durch Dickkupfer ermöglicht werden, und stellen keine zugesicherten Ergebnisse dar. Für Designs, die unter eine der obigen Beschreibungen fallen, deckt die Dickkupfer-Leiterplattenfertigung von PCBark (2-20 oz auf Außenlagen, 2-12 oz auf Innenlagen, bis zu 32 Lagen) den gesamten Tabellenbereich in der Serienfertigung ab und ist nicht auf Prototypen beschränkt.

Häufige Designfehler von Ingenieuren

Bei Dickkupfer-Aufträgen beobachten Leiterplattenhersteller ein recht einheitliches Muster von Problemen in den Designdaten. Die meisten entstehen dadurch, dass Standardregeln für Kupfer bei einem Dickkupfer-Layout unverändert wiederverwendet werden, statt sie an das dickere Kupfer anzupassen.

• Unzureichende Mindestwerte für Leiterbahnbreite und Leiterbahnabstand, meist weil Standardregeln für Kupfer wiederverwendet werden. Ein Standardmindestmaß von beispielsweise 6 mil für Leiterbahnbreite und -abstand ist bei einer dicken Kupferlage zu klein: Bei 3oz-Leiterplatten sind üblicherweise 10 mil erforderlich, bei 6oz-Leiterplatten oft mindestens 16 bis 20 mil, da die Ätztoleranzen mit zunehmender Kupferdicke größer werden.
• Ungleichmäßige Kupferverteilung im gesamten Lagenaufbau – ein häufiger Grund dafür, dass Hersteller bei der Verpressung von Dickkupfer-Multilayer-Leiterplatten Verzug feststellen. Siehe Abschnitt H2-6 zu Verzug.
• Unzureichende thermische Entlastung der Speichenverbindung eines Pads mit dicken Kupferflächen. Dadurch kann das Lot nicht richtig aufschmelzen, was bei der Bestückung zu kalten Lötstellen führt.
• Ein zu ambitioniertes Via-Aspektverhältnis, das die Empfehlung von H2-6 von 6:1 überschreitet, kann zu Hohlräumen führen, die möglicherweise nur bei einer Querschliffprüfung erkennbar sind.
• Mit zunehmender Kupferdicke und Fehlregistrierung der Innenlagen steigt das Risiko für Delamination und Harzhohlräume, besonders bei dünnen Kernsubstraten. Leiterplattenhersteller weisen bei Dickkupfer-Multilayer-Leiterplatten ausdrücklich auf dieses mögliche Ausfallrisiko hin, bei Standardkupfer dagegen nicht.

Für all diese Probleme gibt es eine einfache Lösung: Übermitteln Sie Ihrem Leiterplattenhersteller den Lagenaufbau, die Kupferdicke und den angestrebten Temperaturanstieg, bevor das Design freigegeben wird. Die genannten Designregeln hängen jeweils von der konkreten Lagenzahl und Kupferdicke ab. Genau solche Probleme kann eine Design-for-Manufacturability-Analyse anhand der Zeichnung verhindern, bevor sie sich an einer Leiterplatte im Querschliff zeigen. Der DFM-Analyseprozess von PCBark prüft vor dem Übergang eines Dickkupfer-Designs in die Fertigung den Kupferausgleich im Lagenaufbau und das Via-Aspektverhältnis anhand genau dieser Ausfallbedingungen.

Branchenausblick

Der Grund für den zunehmenden Einsatz von Dickkupfer sind jedoch keine Trends beim Suchvolumen. Die Suchdaten von DataForSEO zu den zentralen Keywords „heavy copper pcb“ sind im Jahresvergleich stabil bis leicht rückläufig. Das ist typisch für ein ausgereiftes, spezialisiertes Technikthema und kein Hinweis auf sinkendes Interesse. Ausschlaggebend ist die Stromdichte: Bei Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge, Bordladegeräten und Leistungselektronik für netzgroße Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien steigt die Stromdichte. Pro Leiterplattenfläche muss mehr Dauerstrom geführt werden als noch vor fünf Jahren bei Leistungselektronik üblich war. Es handelt sich um eine veränderte technische Anforderung, nicht um einen Marketingtrend. Das zeigt sich auch in der Arbeit an den zugehörigen Normen: IPC-2221, die Norm mit den grundlegenden Strombelastbarkeitsdiagrammen, die viele Ingenieure weiterhin zuerst heranziehen, wurde zuletzt im Dezember 2023 aktualisiert. Das Temperaturwechsel-Prüfverfahren IPC-9701 wurde im Februar 2022 aktualisiert. Daran zeigt sich, dass die für diese Normen zuständigen Gremien aktiv auf Designs mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit reagieren und etablierte Verfahren nicht als unveränderlich betrachten. Auch die akademische Forschung entwickelt sich in dieselbe Richtung: in IEEE veröffentlichte Forschung zur Strombelastbarkeit von Leiterbahnen verfeinert weiterhin die Modelle, auf denen diese Branchenaktivitäten beruhen.

Aus Prozesssicht hat mindestens ein Hersteller in diesem Bereich prognostiziert, dass die nächste Entwicklungsstufe bei Dickkupfer ultradickes Kupfer (>10-20oz) in Verbindung mit Metallkern- oder eingebetteten Thermal-Coin-Aufbauten umfassen wird. Additive Verfahren würden Kupfer gezielt nur dort aufbauen, wo es benötigt wird, statt es gleichmäßig über eine ganze Lage aufzutragen. Diese Prognose sollte man im Auge behalten, sie ist heute jedoch kein Branchenstandard. Mehrere Marktforschungsunternehmen schätzen unabhängig voneinander, dass der globale Markt für Dickkupfer-Leiterplatten jährlich um etwa 8 % bis 14 % wächst. Diese Zahl ist daher am besten als grobe Richtgröße zu verstehen. Wenn ein Entwickler heute eine Anwendung mit ähnlicher Leiterplattenfläche plant, die 2026 mehr Dauerstrom führen muss als derzeit, sollte er Dickkupfer bereits in der Konzeptphase für dieses Design prüfen und nicht erst nach Abschluss des Designs. Das Risiko, diese Entwicklung zu ignorieren, ist real: Wer für ein Design, das inzwischen 40 % mehr Strom führen muss, an einem 2 oz-Layout festhält, riskiert eine Leiterplatte, die im Einsatz innerhalb von 1 year zu heiß läuft, weil die Kupfermasse auf dem Strombudget von gestern und nicht auf dem heutigen basiert. PCBark hat seine eigene interne Produktionsplanung während 16 Jahren Branchenerfahrung genau an diese Entwicklung angepasst.

Häufig gestellte Fragen