“一杯咖啡，满电出发”——厚铜箔应用解决新能源汽车里程焦虑

5分钟可以用来做什么？是编辑几条工作信息？刷几条短视频？还是选择喝一杯咖啡？当然，在喝咖啡的同时可以给新能源汽车充满电，那么当思绪回缓，你就会发现汽车已“满血”待发。

编者所描述的场景并非只出现在科技电影或是赛博朋克游戏中，而是随着新能源汽车充电效率逐渐提升后的现实世界。近日，由华为数字能源助力打造的318川藏超充绿廊正式上线，沿线的服务区、加油站建设的全液冷超充站，可以为自驾出行的新能源车主们提供“一杯咖啡，满电出发”的极速充电体验。不久前印发的《深圳市新能源汽车超充设施专项规划（2023—2025年）》也以“一杯咖啡，满电出发”这样一句充满未来感的口号，吹响了深圳打造世界一流“超充之城”的号角。

伴随着全球新能源汽车的发展，充电设施，特别是充电桩成了阻碍其快速增长的瓶颈。根据德勤发布的《2022年全球汽车者研究》，欧洲和美国消费者的顾虑主要为续航里程不足、充电桩数量不足、充电速度不够快和电池安全隐患等。而其中客户群体对充电设施需求主要集中在：更多的充电桩数量和更快的充电速度。随着新能源汽车需求侧的电池续航焦虑得到逐步化解①，人们越来越关注新能源汽车的充电效率。也就是说，新能源汽车能否实现快速充电成为用户端关注的新“痛点”。而要实现快速充电，就要使用能够承载大功率、大电流的PCB板，这对作为PCB重要原材料之一的铜箔也提出了新的要求。

1、大电流、高电压对PCB的影响

众所周知，随着电压和电流的增大，PCB板的温度也会随之上升，而过热会导致对温度敏感的电子元器件性能下降，从而影响整个电路的正常运行^②。此外，高温也会加速电子元件的老化、缩短电子元件的寿命，长时间处于过热状态还会导致电子元件的损坏、烧毁或失效。

2、铜箔厚度对PCB可靠性的影响

PCB中热量的主要来源于电子元器件的发热、PCB线路的发热以及PCB以外的其它部分传来的热量（如整机工作环境的热量）。在这三个热源中，电子元器件的发热量最大，其次是PCB线路所产生的热量。电子元器件的发热量是由其功耗决定的，承载大功率器件的PCB一般都伴随着大电流从导电线路上通过。因此在大电流PCB设计时，首先要考虑导电层通过大电流的能力，其次要考虑PCB能否安全承受大电流所产生的热量。

（其中，I表示可负载电流，U表示电压，R表示电阻，ρ表示电阻率，L表示线路长度，w表示线路宽度，h表示线路厚度）

我们根据公式1可知，铜导体所能够承受的电流大小与其导电线路的横截面积成正比，线路越厚，则可负载电流越大。

（其中，Q表示发热量，t表示通电的时间，R表示电阻，ρ表示电阻率，L表示线路长度，w表示线路宽度，h表示线路厚度）

公式2则说明了在其他条件不变的情况下，线路的发热量与线路厚度成反比。

3、PCB对铜箔厚度的安全规定

出于对散热性、安全性和耐久性等方面需求的考虑，行业内对PCB最大负载下的温升做了安全规定，一般在大电流PCB设计时，其实际的导体截面积的选择要高于理论所需的截面积（见表1）。目前提高PCB散热能力是依靠宽导线、厚铜箔、薄板或多层结构、大面积铺铜或芯层内置厚铜箔层、添加金属底板（如金属基PCB的采用）、增加导热孔等设计方案去实现。

考虑到电子产品向着薄、轻、小、高密度布线的方向发展，再结合表1、图4、图5中数据及其温升走向，不难得出：薄铜箔难以满足大功率PCB安全设计的要求，为保证产品的安全性和可靠性，可以通过增加铜箔厚度，用厚铜箔来满足电流负载及散热的要求。

综上而言，大功率PCB必须采用厚铜箔。PCB行业通常将名义厚度大于105μm（3oz）及其以上的铜箔（经表面处理的电解铜箔或压延铜箔）统称为厚铜箔，将厚度300μm及其以上的铜箔称为超厚铜箔。厚铜箔及超厚铜箔主要应用于大电流、耐高压PCB中，主要应用领域为电源（电源模块、逆变器等）和汽车电子部件（电控、电驱等）。

在国家政策大力推动和积极扶持下，新能源汽车、光伏、风电和储能等万亿级赛道近几年蓬勃发展，不断被市场所青睐。这些领域的爆发式增长带动了大电流、耐高压PCB需求量的快速增长。厚铜箔在未来大功率PCB应用中有着极大的市场前景。

1、厚铜箔的性能优势

鉴于铜比铝有更高的导热率，使用铜箔充当散热功效底板的PCB，其导热性能较铝基PCB更优。从图6中可知多层板的内芯铜箔厚度越厚其热阻值越低，热扩散效率越高。因此，与常规铜箔相比，厚铜箔更显现出在性能、加工方面的独特优势：

（1）相同线宽下，厚铜箔比薄铜箔的电阻低，可有效减少线路工作时产生的热量。

（2）厚铜箔可起到快速扩散元器件产生热量的功效，进而实现大功率电器高密度互联。

（3）厚铜箔大电流基板可以替代原来的电缆配线、金属板排条等输电形式，既提高了生产效率，又降低了布线的工时成本、电缆与配件成本、维护管理成本等。

（4）厚铜箔大电流基板可有效降低PCB的热负荷，实现品质均一化，使PCB终端整机产品的可靠性进一步提高。

以厚铜箔或超厚铜箔作为内芯层结构的多层板目前已成为基板散热问题的解决方案，广泛应用于新能源汽车、太阳能电池板设备、医疗、航空等领域的各个场景。

2、厚铜箔的具体应用场景

（1）厚铜箔PCB在新能源汽车上的应用：

图9是由厚铜箔基板搭载的新能源汽车-电子控制单元（EV-ECU）与电池管理-监视单元、车载充电器、电流熔断保护盒、电池模组等连接及分布情况，从中可以清楚地了解厚铜箔PCB在新能源汽车上的应用：

①大功率充电桩及EV电源设备：

新能源汽车（EV）的核心在电池及充电设备，其关键在于电池容量与充电速度。传统交流充电桩，俗称“慢充”，一般采用常规电压且充电功率小、充电慢，充满电一般需要6-12个小时，时间偏长，不利于新能源汽车的发展。而现在正新兴发展的直流充电桩，即“快充”充电桩，可直接为汽车动力电池充电，采用高电压、充电功率大、充电快，但电压电流大，因此在PCB设计时常常使用厚铜箔来满足其对高电压、大电流的承载能力。例如前面文章中提到的“一秒一公里”的华为充电桩黑科技，就采用了厚铜箔PCB。

②EV用逆变器：

逆变器接受动力电池输出的直流电能，逆变成三相交流电提供给电机运转，在新能源汽车（EV）制动过程中又起到制动回收动能的作用。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是逆变器的核心部件，当其温度超过150℃时，IGBT则无法发挥作用，因此，新能源汽车（EV）逆变器对散热性能要求非常高。因此在设计时，一方面要使用风冷或者水冷的散热措施，另一方面可以采用厚铜箔线路板以减少热量的产生和增大逆变器的散热性能。

③EV用电子控制单元（ECU）

ECU的作用是随时监控着输入的各种数据（比如刹车、换档等）和汽车运行的各种状态（加速、打滑等），并按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，经过处理以后执行各种预定的控制功能。目前ECU的发展方向，一方面是布线高密度化，阻抗需要得到严格控制。另一方面对ECU用PCB适应大电流、导热-放热的性能要求越来越高，使得在PCB设计时更加广泛的采用外层为厚铜箔（70-140μm）以及内层埋入厚铜箔（70-140μm）的设计工艺路线。

此外，布线的高密度化带来的散热问题和大电流带来的产热问题，从设计上也要有一定的前瞻性，这直接关系到ECU的可靠性。从EV用ECU设计发展趋势（表2）可知，使用厚铜箔是未来发展的主流方向。

（2）厚铜箔PCB在光伏上的应用：

厚铜箔PCB主要应用于光伏存储太阳能的逆变器中，在可再生工业中具有广泛的应用。光伏逆变器是光伏发电系统的核心设备，需要具备以下几方面特性：

①首先光伏逆变器要有较高的转化效率，通过采用厚铜箔的PCB可以有效降低热损耗，从而提高逆变器的转化效率。

②其次，光伏逆变器必须具有很高的可靠性。由于许多光伏电站位于边远地区，甚至是沙漠戈壁滩上，电站无人值守和维护。在夏季高温条件下，尤其是在沙漠或是戈壁滩上，逆变器产热和散热性能就显得尤为重要。

③最后，光伏逆变器还需具有较宽的输入电压适应范围。由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化，因此要求光伏逆变器具有较宽的输入电压适应范围。

其中增加铜箔厚度是一个重要的解决方案，此方案提高了整个光伏发电系统的可靠性和适应性。综上而言，厚铜箔是光伏逆变器的不二选择。

（3）厚铜箔PCB其他应用场景：

厚铜箔的应用场景还有很多，如：通讯设备、航空航天、网络能源、电源模块、半导体照明（LED）等行业。这里就不一一列举了，总之，厚铜箔在当前一些大功率、大电流、高散热的PCB基板制造中，发挥着不可替代的作用。

厚铜箔因其优越的耐电压、散热等性能，广泛应用于各行各业，具有广阔的市场前景和巨大的机遇。从中国电子材料行业协会统计的2019～2021年国内电子电路铜箔特殊品种的产量统计数据（见表2）可以看到，2021年70-105μm的电解铜箔与厚度大于105μm的电解铜箔的产量比上一年分别增长了15.0%和41.2%。

（单位：吨）

随着新能源汽车、光伏等相关行业快速发展，厚铜箔的市场前景非常广阔，但目前高端的厚铜箔产品还主要依赖于进口。浙江花园新能源股份有限公司作为一家专业的铜箔研发、制造、销售企业，已加快对高端厚铜箔产品的研发投入，国产替代未来可期。下一期，编者将进一步解析国产替代高端厚铜箔产品的具体工艺路线以及压延厚铜箔与电解厚铜箔的性能对比。