1. Τι είναι το φύλλο χαλκού;
Το φύλλο χαλκού είναι ένα λεπτό, συνεχές μεταλλικό φύλλο. Πρόκειται για ένα ηλεκτροαποτιθέμενο υλικό αρνητικού τύπου. Το φύλλο επικαλύπτεται στη βάση της πλακέτας. Λειτουργεί ως αγωγός στην πλακέτα. Συνδέεται καλά με τα μονωτικά στρώματα. Παίρνει μάσκα συγκόλλησης και άλλα προστατευτικά στρώματα. Μετά τη χάραξη, ο εναπομείνας χαλκός σχηματίζει το σχέδιο του κυκλώματος. Στην πρώιμη παραγωγή, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν τυλιγμένο φύλλο χαλκού. Αυτό σημαίνει ότι τα μπλοκ χαλκού ισοπεδώνονται σε λεπτά φύλλα.
Πόσο παχύ είναι το φύλλο χαλκού σε μια πλακέτα PCB;
2. Μονάδα για πάχος χαλκού: oz
Το πάχος χαλκού PCB δίνεται συνήθως σε oz (ουγγιά). Η ουγγιά είναι μονάδα βάρους. Η σχέση μεταξύ ουγγιάς και γραμμαρίου είναι:
1 ουγγιά ≈ 28,35 g.
Στη βιομηχανία PCB, 1 oz σημαίνει το βάρος 1 oz χαλκού που κατανέμεται ομοιόμορφα σε 1 τετραγωνικό πόδι (ft²). Αυτό το ομοιόμορφο στρώμα έχει ένα συγκεκριμένο πάχος. Το πάχος αυτό είναι περίπου 35 μm. Χρησιμοποιώντας έναν τύπο:
1 oz = 28,35 g / ft².
Παρακάτω παρουσιάζω τον υπολογισμό βήμα προς βήμα, ώστε το αποτέλεσμα να είναι σαφές:
- Πάρτε 1 ουγγιά μάζα: 28,35 g.
- Πυκνότητα χαλκού: 8,93 g/cm³.
- 1 ft² = 929,03 cm².
Πάχος σε cm = μάζα / (πυκνότητα × επιφάνεια)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm
= 28,35 / 82973,558 ≈ 0,00341721 cm.
Μετατροπή σε μικρόμετρα (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10.000 μm = 34,17 μm.
Έτσι, 1 ουγγιά χάλκινο φύλλο ≈ 34,17 μm. Αυτή η τιμή συνήθως στρογγυλοποιείται και αναφέρεται ως 35 μm. Σε βρετανικές μονάδες, 34,17 μm = 0,03417 mm. Ένα mil = 0,0254 mm, άρα πάχος ≈ 1,345 mil. Οι άνθρωποι συχνά λένε 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1.35 mil.
3. Κοινές τιμές πάχους χαλκού
Οι συνήθεις τιμές πάχους χαλκού που χρησιμοποιούνται στα PCB είναι:
- 0.5 oz ≈ 17.5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Τυπικά μονόκλινα και PCB διπλής όψης χρησιμοποιήστε περίπου 35 μm (1 oz) χαλκός. Ορισμένες πλακέτες χρησιμοποιούν 50 μm ή 70 μm χαλκός επίσης. Για πολυστρωματικές πλακέτες, τα εξωτερικά στρώματα είναι συχνά 35 μm (1 oz). Τα εσωτερικά στρώματα είναι συχνά 17,5 μm (0,5 oz).
Οι πλακέτες από παχύ χαλκό ξεκινούν από περίπου 3 ουγγιές και άνω. Αυτές οι πλακέτες χρησιμοποιούνται σε προϊόντα υψηλού ρεύματος ή υψηλής τάσης, όπως τα τροφοδοτικά.
4. Ικανότητα μεταφοράς ρεύματος για διαφορετικά πάχη χαλκού
Παρακάτω παρατίθεται ένας πρακτικός πίνακας που δείχνει την τυπική χωρητικότητα ρεύματος για ταινίες χαλκού διαφορετικού πάχους και πλάτους. Ο πίνακας παραθέτει το ρεύμα (A) και το απαιτούμενο πλάτος (mm) για πάχη χαλκού 70 μm, 50 μm, και 35 μm. Η παράμετρος πάχους δοκιμής στον πίνακα είναι t = 10 (πρόκειται για μια δειγματική τιμή αναφοράς που χρησιμοποιείται στον πίνακα πηγής).
Σημείωση: Όταν χρησιμοποιείτε φύλλο χαλκού ως αγωγό για υψηλό ρεύμα, είναι σύνηθες να μειώνετε τις τιμές του πίνακα κατά 50% για μια ασφαλή επιλογή. Αυτό σημαίνει ότι επιλέξτε ένα πλάτος που αντιστοιχεί περίπου στο μισό του αναγραφόμενου ρεύματος, αν θέλετε ένα περιθώριο ασφαλείας.
| Ρεύμα (A) / Πλάτος (mm) για 70 μm | Ρεύμα (A) / Πλάτος (mm) για 50 μm | Ρεύμα (A) / Πλάτος (mm) για 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 |
Και πάλι, επιλέξτε ένα ασφαλές περιθώριο. Ένας κοινός κανόνας είναι να μειώνετε αυτές τις τιμές του πίνακα κατά 50% όταν σχεδιάζετε για παραγωγή.
5. Άλλες πρακτικές σημειώσεις για τον χαλκό ως αγωγό
- Εάν χρησιμοποιείτε φύλλο χαλκού ως αγωγό μεγάλης λωρίδας, πρέπει να ελέγξετε την ικανότητα ρεύματος. Για παράδειγμα, πάρτε ένα τυπικό πάχος 0,03 mm (30 μm). Εάν η ταινία χαλκού έχει πλάτος W (mm) και μήκος L (mm), η αντίσταση DC μπορεί να προσεγγιστεί από: Ο τύπος αυτός παρέχει μια γρήγορη εκτίμηση για ελέγχους σχεδιασμού.
- Η χωρητικότητα ρεύματος χαλκού εξαρτάται επίσης από τα εξαρτήματα στην πλακέτα, τον αριθμό και τους τύπους των εξαρτημάτων και την ψύξη. Έτσι, η πραγματική χωρητικότητα ρεύματος εξαρτάται τόσο από τη γεωμετρία του χαλκού όσο και από τις θερμικές συνθήκες.
- Ένας πρακτικός κανόνας είναι: χωρητικότητα ρεύματος ≈ 0,15 × W (A). Πρόκειται για μια εμπειρική εκτίμηση που χρησιμοποιείται σε ορισμένες περιπτώσεις. Είναι απλός και συντηρητικός για πολλές πλακέτες.
6. Παράδειγμα: περιοχή και πυκνότητα ρεύματος
Πάρτε μια κοινή περίπτωση: πάχος χαλκού 35 μm και πλάτος ίχνους 1 mm. Το εμβαδόν της διατομής είναι:
- Εμβαδόν = πάχος × πλάτος = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Εάν χρησιμοποιήσετε έναν κανόνα πυκνότητας ρεύματος 30 A/mm², τότε το ρεύμα ανά 1 mm πλάτους ≈ 30 × 0,035 = 1,05 A. Άρα περίπου 1 A ανά mm πλάτους ίχνους σύμφωνα με αυτόν τον κανόνα.
7. Τύποι IPC για ακριβέστερη αύξηση ρεύματος και θερμοκρασίας
IPC-2152 και IPC-D-275 δίνουν πιο ακριβή μοντέλα. Το κείμενο περιλαμβάνει τους τύπους IPC-D-275 σε κοινή μορφή:
- Για εσωτερικά ίχνη: (ΔT^0,5453) × (A^0,7349)
- Για εξωτερικά ίχνη: (ΔT^0,4281) × (A^0,6732)
Σε αυτούς τους τύπους:
- I είναι το ρεύμα σε αμπέρ.
- ΔT είναι η επιτρεπόμενη αύξηση της θερμοκρασίας σε °C.
- A είναι η επιφάνεια διατομής σε mil² (ή άλλες μονάδες ανάλογα με τον τρόπο εφαρμογής του τύπου). Χρησιμοποιήστε σταθερές μονάδες όταν εφαρμόζετε τους τύπους.
Χρησιμοποιήστε μεθόδους IPC εάν χρειάζεστε ακριβές επιτρεπόμενο ρεύμα για δεδομένη αύξηση της θερμοκρασίας.
8. Πάχος χαλκού και διηλεκτρικό ταίριασμα
Στο σχεδιασμό PCB, η “αντιστοίχιση πάχους χαλκού - διηλεκτρικού” σημαίνει ότι επιλέγετε μαζί το πάχος του χαλκού και το διηλεκτρικό της πλακέτας. Αυτό γίνεται για να ικανοποιήσετε τις ηλεκτρικές ανάγκες, τις θερμικές ανάγκες και τις μηχανικές ανάγκες. Σημεία κλειδιά:
8.1 Βάρος χαλκού (πάχος χαλκού)
- Μονάδα: oz/ft² (για παράδειγμα, 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Αποτελέσματα:
- Μεταφορά ρεύματος: ο παχύτερος χαλκός μεταφέρει περισσότερο ρεύμα.
- Απώλεια: σε υψηλές συχνότητες, το φαινόμενο του δέρματος έχει σημασία. Ο παχύτερος χαλκός μπορεί να μειώσει την απώλεια αγωγών σε ορισμένες περιπτώσεις.
- Θερμική: ο παχύτερος χαλκός βοηθά στην εξάπλωση της θερμότητας.
- Χάραξη: ο παχύτερος χαλκός κάνει τη λεπτή χάραξη πιο δύσκολη. Το ελάχιστο πλάτος και η απόσταση των ιχνών μπορεί να αυξηθούν.
- Κόστος: ο παχύτερος χαλκός κοστίζει περισσότερο.
8.2 Διηλεκτρικό υλικό
Βασικές διηλεκτρικές ιδιότητες:
- Διηλεκτρική σταθερά (Dk ή εr): επηρεάζει την ταχύτητα του σήματος και τη σύνθετη αντίσταση.
- Εφαπτομένη απώλειας (Df): επηρεάζει την απώλεια υψηλής συχνότητας.
- Πάχος (H): με το πάχος του χαλκού, το H αποφασίζει τη σύνθετη αντίσταση και τη χωρητικότητα.
- CTE και Tg: θερμική αξιοπιστία.
Κοινά υλικά: fr4 για γενική χρήση, fr4 με υψηλή Τg και ειδικά υλικά υψηλών συχνοτήτων (π.χ. Rogers).
8.3 Κανόνες αντιστοίχισης
- Για τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης, ένας κοινός τύπος μικροταινίας είναι: (87 / sqrt(εr_eff + 1,41)) * ln(5,98H / (0,8W + T)) όπου Z0 είναι η σύνθετη αντίσταση, εr_eff είναι η αποτελεσματική διηλεκτρική σταθερά, H είναι το πάχος του διηλεκτρικού, W είναι το πλάτος της διαδρομής, T είναι το πάχος του χαλκού.
- Αν το πάχος του χαλκού αυξηθεί, η σύνθετη αντίσταση μειώνεται για το ίδιο πλάτος και διηλεκτρικό. Επομένως, πρέπει να αυξήσετε το πλάτος ή να αυξήσετε το πάχος του διηλεκτρικού για να διατηρήσετε την ίδια σύνθετη αντίσταση.
- Για σήματα υψηλής συχνότητας, το βάθος του δέρματος έχει σημασία. Το πάχος του χαλκού πρέπει να είναι τουλάχιστον πολλαπλάσιο του βάθους του δέρματος στην υψηλότερη συχνότητα ενδιαφέροντος. Για πολύ υψηλές συχνότητες, η τραχύτητα της επιφάνειας έχει επίσης σημασία. Χρησιμοποιήστε χαλκό με χαμηλή τραχύτητα αν χρειάζεστε χαμηλές απώλειες.
- Για επίπεδα ισχύος και μεγάλο ρεύμα, χρησιμοποιήστε παχύτερο χαλκό (≥ 2 oz) και εξετάστε το ενδεχόμενο θερμικά αγώγιμων διηλεκτρικών ή πλακετών με μεταλλικό πυρήνα για τη διαχείριση της θερμότητας.
8.4 Κατασκευασιμότητα
- Ο παχύς χαλκός (≥ 3 oz) χρειάζεται μεγαλύτερους κανόνες ίχνους/αποστάσεις για να αποφευχθούν προβλήματα χάραξης.
- Τα λεπτά διηλεκτρικά απαιτούν αυστηρό έλεγχο του πάχους του χαλκού. Οι διακυμάνσεις επηρεάζουν την αντίσταση.
9. Πίνακας επιλογής (σύντομος οδηγός)
| Σενάριο εφαρμογής | Συνιστώμενο βάρος χαλκού | Συνιστώμενο διηλεκτρικό υλικό | Αντιστοίχιση Λόγος |
|---|---|---|---|
| Ψηφιακή τεχνολογία υψηλής ταχύτητας (>5 Gbps) | 0,5 oz - 1 oz | FR4 χαμηλής Df / Rogers RO4000 | Λεπτή δρομολόγηση, χαμηλές απώλειες, ευκολότερος έλεγχος σύνθετης αντίστασης. |
| Μονάδες ισχύος/υψηλού ρεύματος | 2 oz - 6 oz+ | FR4 Υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας / υψηλής θερμικής αγωγιμότητας | Υψηλότερη χωρητικότητα ρεύματος και καλύτερη απαγωγή θερμότητας. |
| RF / μικροκύματα (>10 GHz) | 0,5 oz (χαμηλή τραχύτητα) | Rogers RO3000 / Τεφλόν (PTFE) | Εξαιρετικά χαμηλές απώλειες και βελτιστοποιημένα επιφανειακά εφέ για RF. |
| Γενικά ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης | 1 ουγγιά | πρότυπο FR4 | Ισορροπημένο κόστος και ώριμη διαδικασία. |
| Πλακέτες HDI υψηλής πυκνότητας | 0,5 oz - 1 oz | FR4 Υλικά υψηλής Τg/χαμηλής CTE | Λεπτά ίχνη και αξιόπιστη απόδοση λέιζερ μέσω. |
10. Πρακτικές συμβουλές
- Αναφέρετε πρώτα τις ανάγκες σας: ρεύμα, ταχύτητα σήματος, σύνθετη αντίσταση, θερμότητα.
- Σχεδιάστε τη στοίβαξη με τα κατάλληλα εργαλεία.
- Κάντε προσομοίωση σύνθετης αντίστασης με υλικό Dk και πάχος χαλκού.
- Ρωτήστε τον κατασκευαστή της πλακέτας για τις ανοχές πάχους χαλκού και τις επιλογές διηλεκτρικού.
- Για περιπτώσεις υψηλής συχνότητας, μετρήστε τα υλικά Dk και Df, εάν είναι δυνατόν.
Σημείωση: Το ονομαστικό βάρος του χαλκού (όπως 1 oz) είναι το αρχικό πάχος πριν από τη χάραξη. Μετά τη χάραξη το ίχνος μπορεί να έχει κωνικές πλευρές. Για πραγματικούς ελέγχους σύνθετης αντίστασης χρησιμοποιήστε είτε το μέσο πάχος είτε την καθοδήγηση του σπιτιού της πλακέτας.
