كيفية تحديد سُمك النحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور

1. ما هي رقائق النحاس؟

رقائق النحاس عبارة عن صفيحة معدنية رقيقة ومستمرة. وهي مادة من النوع السالب المترسب كهربائياً. يتم طلاء الرقاقة على قاعدة ثنائي الفينيل متعدد الكلور. وتعمل كموصل على اللوحة. وترتبط جيدًا بالطبقات العازلة. ويأخذ قناع اللحام وطبقات الحماية الأخرى. بعد الحفر، يشكل النحاس المتبقي نمط الدائرة الكهربائية. في بداية الإنتاج، كان الناس يستخدمون رقائق النحاس الملفوفة. وهذا يعني تسطيح كتل النحاس إلى صفائح رقيقة.

إذن، ما مدى سماكة رقائق النحاس على ثنائي الفينيل متعدد الكلور؟

2. وحدة سُمك النحاس: أوقية

عادةً ما يُعطى سُمك نحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالأوقية (الأونصة). الأونصة هي وحدة وزن. والعلاقة بين الأوقية والجرام هي:
1 أونصة ≈ 28.35 غم.

في صناعة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، الأوقية الواحدة تعني وزن أوقية واحدة من النحاس موزعة بالتساوي على قدم مربع واحد (قدم مربع). هذه الطبقة المتساوية لها سمك معين. يبلغ هذا السمك حوالي 35 ميكرومتر. باستخدام معادلة
1 أونصة = 28.35 جم/قدم مربع.

فيما يلي أعرض العملية الحسابية خطوة بخطوة حتى تكون النتيجة واضحة:

• خذ 1 أونصة كتلة: 28.35 جم.
• كثافة النحاس: 8.93 جم/سم مكعب.
• 1 قدم مربع = 929.03 سم مربع.

السُمك بالسنتيمتر = الكتلة / (الكثافة × المساحة)
= 28.35 / (8.93 × 929.03 × 8.93 × 929.03) سم
= 28.35 / 82973.558 ≈ 0.00341721 سم.

التحويل إلى ميكرومتر (ميكرومتر): 0.00341721 سم = 0.00341721 × 10000 × 10000 ميكرومتر = 34.17 ميكرومتر.

إذن 1 أونصة من رقائق النحاس ≈ 34.17 ميكرومتر. تُقرَّب هذه القيمة عادةً وتُعرَّف على أنها 35 ميكرومتر. بالوحدات الإمبراطورية، 34.17 ميكرومتر = 0.03417 مم. مل واحد = 0.0254 مم، إذن السُمك ≈ 1.345 مل. كثيراً ما يقول الناس 1 أونصة ≈ 35 ميكرومتر ≈ 1.35 مللي.

3. قيم سماكة النحاس الشائعة

قيم سُمك النحاس الشائعة المستخدمة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور هي:

• 0.5 أونصة ≈ 17.5 ميكرومتر
• 1 أونصة ≈ 35 ميكرومتر
• 2 أونصة ≈ 70 ميكرومتر
• 3 أونصة ≈ 105 ميكرومتر

نموذجية أحادية و مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مزدوجة الوجهين استخدام حول 35 ميكرومتر (1 أونصة) النحاس. تستخدم بعض الألواح 50 ميكرومتر أو 70 ميكرومتر النحاس أيضًا. بالنسبة للألواح متعددة الطبقات، غالبًا ما تكون الطبقات الخارجية 35 ميكرومتر (1 أونصة). غالبًا ما تكون الطبقات الداخلية 17.5 ميكرومتر (0.5 أوقية).

يبدأ سعر اللوح النحاسي السميك من حوالي 3 أونصة وما فوق. تُستخدم هذه اللوحات في المنتجات ذات التيار العالي أو الجهد العالي، مثل إمدادات الطاقة.

4. القدرة الاستيعابية الحالية لسماكات النحاس المختلفة

فيما يلي جدول عملي يوضح السعة الحالية النموذجية لشرائط النحاس ذات السماكة والعرض المختلفين. يسرد الجدول التيار (أمبير) والعرض المطلوب (مم) لسمك النحاس من 70 ميكرومتر, 50 ميكرومتر, و 35 ميكرومتر. معلمة سُمك الاختبار في الجدول هي t = 10 (هذه قيمة مرجعية للعينة المستخدمة في الجدول المصدر).

ملاحظة: عند استخدام رقائق النحاس كموصل للتيار العالي، فمن الشائع اشتقاق قيم الجدول عن طريق 50% لاختيار آمن. وهذا يعني اختيار عرض يتوافق مع حوالي نصف التيار المدرج إذا كنت تريد هامش أمان.

التيار (أمبير) / العرض (مم) ل 70 ميكرومتر	التيار (أمبير) / العرض (مم) ل 50 ميكرومتر	التيار (أمبير) / العرض (مم) ل 35 ميكرومتر
6.00 أ - 2.50 مم	5.10 أمبير - 2.50 مم	4.50 أمبير - 2.50 مم
5.10 أ - 2.00 مم	4.30 أمبير - 2.00 مم	4.00 أ - 2.00 مم
4.20 أمبير - 1.50 مم	3.50 أمبير - 1.50 مم	3.20 أمبير - 1.50 مم
3.60 أمبير - 1.20 مم	3.00 أ - 1.20 مم	2.70 أمبير - 1.20 مم
3.20 أمبير - 1.00 مم	2.60 أ - 1.00 مم	2.30 أمبير - 1.00 مم
2.80 أمبير - 0.80 مم	2.40 أمبير - 0.80 مم	2.00 أ - 0.80 مم
2.30 أمبير - 0.60 مم	1.90 أمبير - 0.60 مم	1.60 أمبير - 0.60 مم
2.00 أ - 0.50 مم	1.70 أمبير - 0.50 مم	1.35 أمبير - 0.50 مم
1.70 أمبير - 0.40 مم	1.35 أ - 0.40 مم	1.10 أمبير - 0.40 مم
1.30 أمبير - 0.30 مم	1.10 أمبير - 0.30 مم	0.80 أمبير - 0.30 مم
0.90 أمبير - 0.20 مم	0.70 أمبير - 0.20 مم	0.55 أمبير - 0.20 مم
0.70 أمبير - 0.15 مم	0.50 أمبير - 0.15 مم	0.20 أمبير - 0.15 مم

مرة أخرى، اختر هامشًا آمنًا. القاعدة الشائعة هي تقليل قيم الجدول هذه بمقدار 50% عند التصميم للإنتاج.

5. ملاحظات عملية أخرى عن النحاس كموصل

• إذا كنت تستخدم رقائق نحاسية كموصل شريطي طويل، يجب عليك التحقق من سعتها الحالية. على سبيل المثال، خذ سمكًا نموذجيًا 0.03 مم (30 ميكرومتر). إذا كان عرض الشريط النحاسي W (مم) وطوله L (مم)، فيمكن تقريب مقاومة التيار المستمر عن طريق: R ≈ 0.0005 × L / W (أوم) تعطي هذه الصيغة تقديرًا سريعًا لفحوصات التصميم.
• تعتمد سعة تيار النحاس أيضًا على الأجزاء الموجودة على اللوح وعدد الأجزاء وأنواعها والتبريد. لذا تعتمد السعة الحالية الحقيقية على كل من هندسة النحاس والظروف الحرارية.
• القاعدة الأساسية العملية هي: السعة الحالية ≈ 0.15 × واط (A). هذا تقدير تجريبي يستخدم في بعض الحالات. وهو بسيط ومتحفظ للعديد من اللوحات.

6. مثال: المساحة وكثافة التيار

خذ حالة شائعة: سمك النحاس 35 ميكرومتر وعرض التتبع 1 مم. مساحة المقطع العرضي هي:

• المساحة = السمك × العرض = 0.035 مم × 1 مم = 0.035 مم².

إذا كنت تستخدم قاعدة كثافة التيار 30 أمبير/مم², إذن التيار لكل 1 مم عرض ≈ 30 × 0.035 = 1.05 أمبير. إذًا 1 أمبير تقريبًا لكل مم عرض أثر وفقًا لهذه القاعدة الأساسية.

7. معادلات IPC لارتفاع التيار ودرجة الحرارة بشكل أكثر دقة

IPC-2152 و IPC-D-275 تعطي نماذج أكثر دقة. يتضمن النص صيغ IPC-D-275 بصيغة مشتركة:

• بالنسبة إلى الآثار الداخلية i = 0.0150 × (δt ^ 0.5453) × (a ^ 0.7349)
• بالنسبة إلى الآثار الخارجية i = 0.0647 × (δt ^ 0.4281) × (a ^ 0.6732)

في هذه الصيغ

• I هي شدة التيار بالأمبير.
• ΔT هو الارتفاع المسموح به في درجة الحرارة المسموح به بالدرجة المئوية.
• A هي مساحة المقطع العرضي بالمللي² (أو وحدات أخرى حسب طريقة تطبيقك للصيغة). استخدم وحدات متسقة عند تطبيق الصيغ.

استخدم طرق IPC إذا كنت بحاجة إلى تيار دقيق مسموح به لارتفاع درجة حرارة معينة.

8. سمك النحاس ومطابقة العازل الكهربائي

في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور، تعني “مطابقة سماكة النحاس - العازل الكهربائي” أنك تختار سماكة النحاس وعزل اللوحة معًا. هذا لتلبية الاحتياجات الكهربائية والاحتياجات الحرارية والاحتياجات الميكانيكية. النقاط الرئيسية:

8.1 وزن النحاس (سمك النحاس)

• الوحدة: أوقية/قدم مربع (على سبيل المثال، 0.5 أوقية، 1 أوقية، 2 أوقية، 3 أوقية).
• 1 أونصة ≈ 35 ميكرومتر ≈ 1.35 مل.
• التأثيرات:
  • حمل التيار: يحمل النحاس السميك تياراً أكبر.
  • الفقد: عند التردد العالي، تأثير الجلد مهم. يمكن أن يقلل النحاس السميك من فقدان الموصل في بعض الحالات.
  • حراري: يساعد النحاس السميك على انتشار الحرارة.
  • الحفر: النحاس السميك يجعل الحفر الدقيق أصعب. قد يزداد الحد الأدنى لعرض الأثر والتباعد.
  • التكلفة: النحاس السميك أكثر تكلفة.

8.2 المواد العازلة

خواص العزل الكهربائي الرئيسية:

• ثابت العزل الكهربائي (Dk أو εr): يؤثر على سرعة الإشارة ومقاومتها.
• ظل الفقد (Df): يؤثر على فقدان التردد العالي.
• السُمك (H): مع سُمك النحاس، يقرر H المعاوقة والسعة.
• CTE و Tg: الموثوقية الحرارية.
  المواد الشائعة: فر4 للاستخدام العام، وTg fr4 العالي، والمواد الخاصة عالية التردد (مثل روجرز).

8.3 قواعد المطابقة

• بالنسبة للتحكم في المعاوقة، فإن معادلة الشريط الدقيق الشائعة هي Z0 Z0 ≈ (87 / تربيع (εr_eff + 1.41)) * ln(5.98H / (0.8W + T)) حيث Z0 هي المعاوقة، εr_eff هو ثابت العزل الكهربائي الفعال، H هو سمك العزل الكهربائي، W هو عرض الأثر، T هو سمك النحاس.
• إذا زادت سماكة النحاس، تنخفض المعاوقة لنفس العرض والعزل الكهربائي. لذا يجب زيادة العرض أو زيادة سُمك العازل للحفاظ على نفس المعاوقة.
• بالنسبة للإشارات عالية التردد، فإن عمق الجلد مهم. يجب أن يكون سمك النحاس على الأقل عدة أضعاف عمق الجلد عند أعلى تردد مهم. بالنسبة للترددات العالية جداً، فإن خشونة السطح مهمة أيضاً. استخدم نحاس منخفض الخشونة إذا كنت بحاجة إلى خسارة منخفضة.
• بالنسبة لطائرات الطاقة والتيار الثقيل، استخدم نحاسًا أكثر سمكًا (≥ 2 أونصة) وفكر في الألواح العازلة الموصلة للحرارة أو الألواح ذات النواة المعدنية لإدارة الحرارة.

8.4 قابلية التصنيع

• يحتاج النحاس السميك (≥ 3 أونصة) إلى قواعد تتبع/مسافات أكبر لتجنب مشاكل الحفر.
• تتطلب العوازل الرقيقة تحكمًا محكمًا في سماكة النحاس. تؤثر الاختلافات على المعاوقة.

9. جدول الاختيار (دليل مختصر)

سيناريو التطبيق	وزن النحاس الموصى به	المواد العازلة الموصى بها	سبب المطابقة
رقمي عالي السرعة (> 5 جيجابت في الثانية)	0.5 أونصة - 1 أونصة	منخفضة-DF FR4 / روجرز RO4000	توجيه دقيق، وفقدان منخفض، وتحكم أسهل في المعاوقة.
وحدات الطاقة / التيار العالي	2 أونصة - 6 أونصات فأكثر	FR4 مواد عالية التوصيل الحراري/عالية الموصلية الحرارية	قدرة تيار أعلى وتبديد أفضل للحرارة.
الترددات اللاسلكية/الموجات الدقيقة (>10 جيجاهرتز)	0.5 أونصة (خشونة منخفضة)	روجرز RO3000 / التفلون (PTFE)	خسارة منخفضة للغاية وتأثيرات سطحية محسّنة للترددات اللاسلكية.
الإلكترونيات الاستهلاكية العامة	1 أونصة	معيار FR4	تكلفة متوازنة وعملية ناضجة.
لوحات HDI عالية الكثافة	0.5 أونصة - 1 أونصة	FR4 مواد ذات درجة حرارة عالية/منخفضة الاحترار الحراري المنخفضة	آثار دقيقة وليزر موثوق به عبر الأداء.

10. نصيحة عملية

1. اذكر احتياجاتك أولاً: التيار وسرعة الإشارة والمقاومة والحرارة.
2. تخطيط التكديس بالأدوات المناسبة.
3. قم بمحاكاة المعاوقة مع المادة Dk وسُمك النحاس.
4. اسأل الشركة المصنعة للوحة عن تفاوت سماكة النحاس وخيارات العزل الكهربائي.
5. بالنسبة لحالات التردد العالي، قم بقياس المادة Dk وDf إن أمكن.

ملاحظة: وزن النحاس الاسمي (مثل 1 أونصة) هو سمك البداية قبل الحفر. بعد الحفر قد يكون للأثر جوانب مدببة. للتحقق من المعاوقة الحقيقية استخدم إما متوسط السُمك أو إرشادات منزل اللوحة.