1. Šta je bakrena folija?
Bakrena folija je tanki, kontinuirani metalni list. To je elektro-depozicijski materijal negativnog tipa. Folija se nanosi na podlogu štampane pločice. Ona služi kao provodnik na ploči. Dobro se veže za izolacijske slojeve. Podnosi masku za lemljenje i druge zaštitne slojeve. Nakon etsiranja, preostali bakar formira šablonu kola. U ranoj proizvodnji ljudi su koristili valjanu bakrenu foliju. To znači da se bakreni blokovi spljošte u tanke listove.
Dakle, koliko je debela bakrena folija na štampanoj pločici?
2. Jedinica za debljinu bakra: oz
Debljina bakra na PCB-u obično se navodi u oz (uncama). Unca je jedinica mase. Odnos između unce i grama je:
1 oz ≈ 28,35 g.
U industriji tiskanih pločica (PCB), 1 oz znači težinu od 1 unce bakra ravnomjerno raspoređenu na 1 kvadratnu stopu (ft²). Taj ravnomjerni sloj ima određenu debljinu. Ta debljina iznosi oko 35 μm. Korištenjem formule:
1 oz = 28,35 g / ft².
Ispod prikazujem izračun korak po korak kako bi rezultat bio jasan:
- Uzmite masu od 1 unce: 28,35 g.
- Gustoća bakra: 8,93 g/cm³.
- 1 ft² = 929,03 cm².
Debljina u cm = masa / (gustina × površina)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm
= 28.35 / 82973.558 ≈ 0.00341721 cm.
Pretvoriti u mikrometre (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10.000 μm = 34,17 μm.
Dakle, 1 unca bakarne folije ≈ 34,17 μm. Ova vrijednost se obično zaokružuje i navodi kao 35 μm. U imperijalnim jedinicama, 34,17 μm = 0,03417 mm. Jedan mil = 0,0254 mm, pa je debljina ≈ 1,345 mil. Ljudi često kažu 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
3. Uobičajene vrijednosti debljine bakra
Uobičajene vrijednosti debljine bakra koje se koriste u štampanim pločicama su:
- 0,5 oz ≈ 17,5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Tipični jednostruki i dvostrane tiskane pločice koristiti otprilike 35 μm (1 oz) bakar. Neki od ploča koriste 50 μm ili 70 μm bakra također. Za višeslojne ploče, vanjski slojevi su često 35 μm (1 oz). Unutrašnji slojevi su često 17,5 μm (0,5 oz).
Tablice s debelim bakrenim slojem počinju od otprilike 3 unce i više. Ove ploče se koriste u proizvodima s velikom strujom ili visokim naponom, kao što su napajanja.
4. Kapacitet provodnosti za različite debljine bakra
Ispod je praktična tabela koja prikazuje tipični kapacitet struje za bakarne trake različitih debljina i širina. Tabela navodi struju (A) i potrebnu širinu (mm) za debljine bakra od 70 μm, 50 μm, i 35 μm. Parametar debljine testa u tabeli je t = 10 (ovo je uzorak referentne vrijednosti korištene u izvornoj tabeli).
Napomena: Kada koristite bakrenu foliju kao provodnik za veliku struju, uobičajeno je umanjiti tablične vrijednosti za 50% za siguran izbor. To znači odaberite širinu koja odgovara otprilike polovini navedene struje ako želite sigurnosni marginu.
| Struja (A) / Širina (mm) za 70 μm | Struja (A) / Širina (mm) za 50 μm | Struja (A) / Širina (mm) za 35 μm |
|---|---|---|
| 6.00 A — 2.50 mm | 5.10 A — 2.50 mm | 4.50 A — 2.50 mm |
| 5.10 A — 2.00 mm | 4.30 A — 2.00 mm | 4.00 A — 2.00 mm |
| 4.20 A — 1.50 mm | 3.50 A — 1.50 mm | 3.20 A — 1.50 mm |
| 3.60 A — 1.20 mm | 3.00 A — 1.20 mm | 2.70 A — 1.20 mm |
| 3.20 A — 1.00 mm | 2.60 A — 1.00 mm | 2.30 A — 1.00 mm |
| 2.80 A — 0.80 mm | 2.40 A — 0.80 mm | 2.00 A — 0.80 mm |
| 2.30 A — 0.60 mm | 1.90 A — 0.60 mm | 1.60 A — 0.60 mm |
| 2.00 A — 0.50 mm | 1.70 A — 0.50 mm | 1.35 A — 0.50 mm |
| 1.70 A — 0.40 mm | 1.35 A — 0.40 mm | 1.10 A — 0.40 mm |
| 1.30 A — 0.30 mm | 1.10 A — 0.30 mm | 0.80 A — 0.30 mm |
| 0.90 A — 0.20 mm | 0.70 A — 0.20 mm | 0.55 A — 0.20 mm |
| 0.70 A — 0.15 mm | 0.50 A — 0.15 mm | 0.20 A — 0.15 mm |
Ponovo odaberite sigurnu marginu. Uobičajeno pravilo je da prilikom projektiranja za proizvodnju smanjite ove vrijednosti tabele za 50%.
5. Ostale praktične napomene o bakru kao provodniku
- Ako koristite bakrenu foliju kao dugi vodljivi trak, morate provjeriti njenu nosivost struje. Na primjer, uzmite tipičnu debljinu od 0,03 mm (30 μm). Ako bakrena traka ima širinu W (mm) i dužinu L (mm), DC otpor se može aproksimirati formulom: R ≈ 0.0005 × L / W (ohm). Ova formula daje brzu procjenu za provjere dizajna.
- Bakreni trenutni kapacitet također ovisi o komponentama na ploči, njihovom broju i vrstama, te o hlađenju. Dakle, stvarni trenutni kapacitet ovisi i o geometriji bakra i o toplinskim uvjetima.
- Praktično pravilo je: kapacitet struje ≈ 0,15 × W (A). Ovo je empirijska procjena koja se koristi u nekim slučajevima. Jednostavna je i konzervativna za mnoge ploče.
6. Primjer: površina i gustoća struje
Uzmimo uobičajen slučaj: debljina bakra 35 μm i širina traga 1 mm. Poprečni presjek je:
- Površina = debljina × širina = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Ako koristite pravilo gustoće struje 30 A/mm², tada je trenutni intenzitet po širini od 1 mm ≈ 30 × 0,035 = 1,05 A. Dakle, otprilike 1 A po mm širine trase prema tom pravilu prsta.
7. IPC formule za precizniji tok i porast temperature
IPC-2152 i IPC-D-275 dajte preciznije modele. Tekst uključuje IPC-D-275 formule u uobičajenom obliku:
- Za unutrašnje tragove: I = 0.0150 × (ΔT^0.5453) × (A^0.7349)
- Za vanjske tragove: I = 0,0647 × (ΔT^0,4281) × (A^0,6732)
U ovim formulama:
- Ja je struja u amperima.
- ΔT je dozvoljeno povećanje temperature u °C.
- A je poprečni presjek u milimetar kvadratima (ili drugim jedinicama, ovisno o tome kako primjenjujete formulu). Koristite dosljedne jedinice kada primjenjujete formule.
Koristite IPC metode ako vam je potreban precizan dozvoljeni struja za zadani porast temperature.
8. Debljina bakra i dielektrično usklađivanje
U dizajnu tiskanih pločica, “debljina bakra — usklađivanje dielektrika” znači da zajedno birate debljinu bakra i dielektrik ploče. Ovo je kako bi se zadovoljile električne, termalne i mehaničke potrebe. Ključne tačke:
8.1 Težina bakra (debljina bakra)
- Jedinica: oz/ft² (na primjer, 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Efekti:
- Provodljivost struje: deblji bakar provodi više struje.
- Gubici: pri visokoj frekvenciji kožni efekt je važan. Deblji bakar može u nekim slučajevima smanjiti gubitke u vodiču.
- Termalno: deblji bakar pomaže u raspršivanju toplote.
- Graviranje: deblji bakar otežava fino graviranje. Minimalna širina i razmak tragova mogu se povećati.
- Cijena: deblji bakar je skuplji.
8.2 Dielektrični materijal
Ključna dielektrična svojstva:
- Dielektrična konstanta (Dk ili εr): utječe na brzinu signala i impedanciju.
- Tangens gubitka (Df): utječe na gubitke na visokim frekvencijama.
- Debljina (H): kod bakra debljina H određuje impedanciju i kapacitivnost.
- CTE i Tg: toplinska pouzdanost.
Uobičajeni materijali: fr4 za opću upotrebu, FR4 visoke Tg vrijednosti i posebni visokofrekventni materijali (npr. Rogers).
8.3 Pravila usklađivanja
- Za kontrolu impedanse, uobičajena mikrostrip formula je: Z0 ≈ (87 / sqrt(εr_eff + 1.41)) * ln(5.98H / (0.8W + T)) gdje je Z0 impedansa, εr_eff efektivna dielektrična konstanta, H debljina dielektrika, W širina trake, T debljina bakra.
- Ako se povećava debljina bakra, impedansa se smanjuje za istu širinu i dielektrik. Dakle, morate povećati širinu ili debljinu dielektrika kako biste održali istu impedansu.
- Za visokofrekventne signale važna je dubina kože. Debljina bakra treba biti najmanje nekoliko puta veća od dubine kože pri najvišoj frekvenciji od interesa. Pri vrlo visokim frekvencijama važna je i hrapavost površine. Koristite bakar niske hrapavosti ako vam je potreban mali gubitak.
- Za napajne ploče i velike struje koristite deblji bakar (≥ 2 oz) i razmotrite termo-provodljive dielektrične ili metalno-jezgrene ploče za upravljanje toplotom.
8.4 Proizvodljivost
- Debeli bakar (≥ 3 oz) zahtijeva veće pravila za tragove/razmake kako bi se izbjegli problemi pri graviranju.
- Tanki dielektrični materijali zahtijevaju strogu kontrolu debljine bakra. Varijacije utječu na impedanciju.
9. Tabela izbora (kratki vodič)
| Scenarij primjene | Preporučena težina bakra | Preporučeni dielektrični materijal | Odgovarajući razlog |
|---|---|---|---|
| Visokobrzinski digitalni (>5 Gbps) | 0,5 oz – 1 oz | nisko-Df FR4 / Rogers RO4000 | Fino usmjeravanje, niski gubici, lakša kontrola impedanse. |
| Moduli snage / visoka struja | 60 ml – 180 ml+ | FR4 Materijali visoke Tg / visoke toplinske provodljivosti | Veći kapacitet struje i bolja disipacija toplote. |
| RF / mikrotalasni (>10 GHz) | 0,5 oz (niska hrapavost) | Rogers RO3000 / Teflon (PTFE) | Ultraniiski gubici i optimizirani površinski efekti za RF. |
| Opća potrošačka elektronika | 1 unca | standardno FR4 | Uravnoteženi troškovi i zreli proces. |
| HDI ploče visoke gustoće | 0,5 oz – 1 oz | FR4 materijali s visokim Tg i niskim CTE | Fino staze i pouzdana izvedba laserskih vijaka. |
10. Praktični savjeti
- Prvo navedite svoje potrebe: struju, brzinu signala, impedanciju, toplinu.
- Planirajte slojnu strukturu s odgovarajućim alatima.
- Izvedite impedansnu simulaciju s materijalom Dk i debljinom bakra.
- Pitajte prodavca ploču o tolerancijama debljine bakra i o dielektričnim opcijama.
- Za slučajeve visokih frekvencija, ako je moguće, izmjerite materijalne Dk i Df.
Napomena: Nominalna težina bakra (npr. 1 oz) je početna debljina prije graviranja. Nakon graviranja trag može imati sužene stranice. Za stvarne provjere impedanse koristite ili prosječnu debljinu ili smjernice proizvođača ploče.
