1. Co je měděná fólie?
Měděná fólie je tenký souvislý kovový plech. Jedná se o elektrolyticky nanášený materiál negativního typu. Fólie je nanesena na základ desky plošných spojů. Na desce funguje jako vodič. Dobře se spojuje s izolačními vrstvami. Přebírá pájecí masku a další ochranné vrstvy. Po vyleptání tvoří zbývající měď vzor obvodu. V počátcích výroby se používala válcovaná měděná fólie. To znamená, že měděné bloky se zploštily do tenkých plechů.
Jak silná je měděná fólie na desce plošných spojů?
2. Jednotka pro tloušťku mědi: oz
Tloušťka mědi na deskách plošných spojů se obvykle udává v oz (unce). Unce je jednotka hmotnosti. Vztah mezi uncí a gramem je následující:
1 oz ≈ 28,35 g.
V odvětví výroby desek plošných spojů znamená 1 oz hmotnost 1 oz mědi rovnoměrně rozložené na 1 čtvereční stopu (ft²). Tato rovnoměrná vrstva má určitou tloušťku. Tato tloušťka je přibližně 35 μm. Pomocí vzorce:
1 oz = 28,35 g / ft².
Níže uvádím výpočet krok za krokem, aby byl výsledek jasný:
- Hmotnost 1 oz: 28,35 g.
- Hustota mědi: 8,93 g/cm³.
- 1 ft² = 929,03 cm².
Tloušťka v cm = hmotnost / (hustota × plocha)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm
= 28,35 / 82973,558 ≈ 0,00341721 cm.
Převeďte na mikrometry (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10 000 μm = 34,17 μm.
Takže 1 oz měděné fólie ≈ 34,17 μm. Tato hodnota se obvykle zaokrouhluje a uvádí se jako 35 μm. V imperiálních jednotkách je 34,17 μm = 0,03417 mm. Jeden mil = 0,0254 mm, takže tloušťka ≈ 1,345 mil. Lidé často říkají 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
3. Běžné hodnoty tloušťky mědi
Běžné hodnoty tloušťky mědi používané v deskách plošných spojů jsou:
- 0,5 oz ≈ 17,5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Typické jednoduché a oboustranné desky plošných spojů použít o 35 μm (1 oz) měď. Některé desky používají 50 μm nebo 70 μm také měď. U vícevrstvých desek jsou vnější vrstvy často 35 μm (1 oz). Vnitřní vrstvy jsou často 17,5 μm (0,5 oz).
Tlusté měděné desky začínají na ceně přibližně 3 oz a výše. Tyto desky se používají v silnoproudých nebo vysokonapěťových výrobcích, jako jsou napájecí zdroje.
4. Proudová zatížitelnost pro různé tloušťky mědi
Níže je uvedena praktická tabulka s typickou proudovou zatížitelností měděných pásků různé tloušťky a šířky. V tabulce je uveden proud (A) a požadovaná šířka (mm) pro měď o tloušťce 70 μm, 50 μm, a 35 μm. Parametr zkušební tloušťky v tabulce je t = 10 (jedná se o vzorovou referenční hodnotu použitou ve zdrojové tabulce).
Poznámka: Při použití měděné fólie jako vodiče pro velký proud se běžně snižují tabulkové hodnoty o 50% pro bezpečnou volbu. To znamená, že pokud chcete mít bezpečnostní rezervu, zvolte šířku, která odpovídá přibližně polovině uvedeného proudu.
| Proud (A) / šířka (mm) pro 70 μm | Proud (A) / šířka (mm) pro 50 μm | Proud (A) / šířka (mm) pro 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 |
Opět zvolte bezpečnou marži. Běžným pravidlem je snížit tyto tabulkové hodnoty o 50% při návrhu pro výrobu.
5. Další praktické poznámky k mědi jako vodiči
- Pokud používáte měděnou fólii jako dlouhý vodič, musíte zkontrolovat její proudovou zatížitelnost. Vezměte například typickou tloušťku 0,03 mm (30 μm). Má-li měděný pásek šířku W (mm) a délku L (mm), lze stejnosměrný odpor přibližně vypočítat podle: R ≈ 0,0005 × L / W (ohm) Tento vzorec umožňuje rychlý odhad pro kontrolu návrhu.
- Proudová kapacita mědi závisí také na součástkách na desce, počtu a typech součástek a chlazení. Skutečná proudová kapacita tedy závisí jak na geometrii mědi, tak na tepelných podmínkách.
- Praktické pravidlo zní: proudová kapacita ≈ 0,15 × W (A). Jedná se o empirický odhad, který se v některých případech používá. Pro mnoho desek je jednoduchý a konzervativní.
6. Příklad: plocha a proudová hustota
Vezměme si běžný případ: tloušťka mědi 35 μm a šířka stopy 1 mm. Plocha průřezu je:
- Plocha = tloušťka × šířka = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Pokud použijete pravidlo proudové hustoty 30 A/mm², pak proud na 1 mm šířky ≈ 30 × 0,035 = 1,05 A. Podle tohoto pravidla tedy zhruba 1 A na mm šířky stopy.
7. Vzorce IPC pro přesnější nárůst proudu a teploty
IPC-2152 a IPC-D-275 poskytují přesnější modely. Text obsahuje vzorce IPC-D-275 v běžné podobě:
- Pro vnitřní stopy: I = 0,0150 × (ΔT^0,5453) × (A^0,7349)
- Pro vnější stopy: I = 0,0647 × (ΔT^0,4281) × (A^0,6732)
V těchto vzorcích:
- I je proud v ampérech.
- ΔT je povolený nárůst teploty ve °C.
- A je plocha průřezu v milimetrech² (nebo v jiných jednotkách podle toho, jak vzorec použijete). Při použití vzorců používejte jednotné jednotky.
Pokud potřebujete přesný povolený proud pro daný nárůst teploty, použijte metody IPC.
8. Tloušťka mědi a dielektrické přizpůsobení
V návrhu desek plošných spojů “sladění tloušťky mědi a dielektrika” znamená, že tloušťku mědi a dielektrika desky volíte společně. Je to proto, aby byly splněny elektrické, tepelné a mechanické potřeby. Klíčové body:
8.1 Hmotnost mědi (tloušťka mědi)
- Jednotka: oz/ft² (například 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Účinky:
- Proudová zatížitelnost: silnější měď přenáší více proudu.
- Ztráty: při vysokých frekvencích je důležitý skin efekt. Silnější měď může v některých případech snížit ztráty na vodiči.
- Tepelné: silnější měď pomáhá šíření tepla.
- Leptání: silnější měď ztěžuje jemné leptání. Minimální šířka stopy a rozteč se může zvětšit.
- Náklady: silnější měď stojí více.
8.2 Dielektrický materiál
Klíčové dielektrické vlastnosti:
- Dielektrická konstanta (Dk nebo εr): ovlivňuje rychlost signálu a impedanci.
- Ztrátový tangens (Df): ovlivňuje vysokofrekvenční ztráty.
- Tloušťka (H): s tloušťkou mědi H rozhoduje o impedanci a kapacitě.
- CTE a Tg: tepelná spolehlivost.
Běžné materiály: fr4 pro všeobecné použití, fr4 s vysokým Tg a speciální vysokofrekvenční materiály (např. Rogers).
8.3 Pravidla přiřazování
- Pro řízení impedance je běžný mikropáskový vzorec: Z0 ≈ (87 / sqrt(εr_eff + 1,41)) * ln(5,98H / (0,8W + T)), kde Z0 je impedance, εr_eff je efektivní dielektrická konstanta, H je tloušťka dielektrika, W je šířka stopy, T je tloušťka mědi.
- Zvětší-li se tloušťka mědi, impedance se při stejné šířce a dielektriku sníží. Proto je nutné zvětšit šířku nebo tloušťku dielektrika, aby byla zachována stejná impedance.
- U vysokofrekvenčních signálů je důležitá hloubka kůže. Tloušťka mědi by měla být alespoň několikanásobkem hloubky skinu při nejvyšší frekvenci, která vás zajímá. Pro velmi vysoké frekvence je důležitá také drsnost povrchu. Pokud potřebujete nízké ztráty, použijte měď s nízkou drsností.
- U výkonových rovin a silnoproudých zařízení používejte silnější měď (≥ 2 oz) a zvažte tepelně vodivé dielektrické desky nebo desky s kovovým jádrem pro řízení tepla.
8.4 Vyrobitelnost
- Silná měď (≥ 3 oz) potřebuje větší pravidla pro stopu/rozteč, aby se předešlo problémům s leptáním.
- Tenká dielektrika vyžadují přísnou kontrolu tloušťky mědi. Odchylky ovlivňují impedanci.
9. Výběrová tabulka (stručný průvodce)
| Scénář aplikace | Doporučená hmotnost mědi | Doporučený dielektrický materiál | Odpovídající důvod |
|---|---|---|---|
| Vysokorychlostní digitální přenos (>5 Gb/s) | 0,5 oz - 1 oz | FR4 s nízkým Df / Rogers RO4000 | Jemné směrování, nízké ztráty, snadnější řízení impedance. |
| Výkonové moduly / vysoký proud | 2 oz - 6 oz+ | FR4 Materiály s vysokou Tg / vysokou tepelnou vodivostí | Vyšší proudová kapacita a lepší odvod tepla. |
| RF / mikrovlnné (>10 GHz) | 0,5 oz (nízká drsnost) | Rogers RO3000 / Teflon (PTFE) | Velmi nízké ztráty a optimalizované povrchové efekty pro RF. |
| Obecná spotřební elektronika | 1 oz | standard FR4 | Vyvážené náklady a vyspělost procesu. |
| Desky HDI s vysokou hustotou | 0,5 oz - 1 oz | FR4 Materiály s vysokou Tg / nízkou CTE | Jemné stopy a spolehlivý výkon laseru. |
10. Praktické rady
- Nejprve uveďte své potřeby: proud, rychlost signálu, impedance, teplo.
- Plánujte stohování pomocí vhodných nástrojů.
- Proveďte impedanční simulaci s materiálem Dk a tloušťkou mědi.
- Zeptejte se výrobce desek na tolerance tloušťky mědi a možnosti dielektrika.
- U vysokofrekvenčních případů změřte materiál Dk a Df, pokud je to možné.
Poznámka: Jmenovitá hmotnost mědi (např. 1 oz) je počáteční tloušťka před leptáním. Po leptání může mít stopa zúžené strany. Pro kontrolu skutečné impedance použijte buď průměrnou tloušťku, nebo vodítko v domě desky.
