Συνήθως, το πάχος ενός τυποποιημένου PCB σε τελική μορφή κυμαίνεται μεταξύ 0,8 mm και 1,6 mm. Το πιο συνηθισμένο προεπιλεγμένο πάχος πλακέτας είναι 1,6 mm (περίπου 63 mil). Πολλά πρότυπα συνδετήρων έχουν επίσης σχεδιαστεί για αυτό το μέγεθος των 1,6 mm. Πώς, λοιπόν, προέκυψε αυτό το πρότυπο πάχους;
Τα πρώτα στάδια της βιομηχανίας των πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB)
Από την ιστορία της εξέλιξης των πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι, κατά την εποχή των ηλεκτρονικών σωλήνων, η βιομηχανία των PCB βρισκόταν ακόμη σε αρχικό στάδιο. Επειδή οι ηλεκτρονικοί σωλήνες εκπέμπαν μεγάλη θερμότητα, ήταν μεγάλοι σε μέγεθος και δεν ήταν εύκολο να τοποθετηθούν σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Επίσης, απαιτούσαν ένα ορισμένο επίπεδο μηχανικής αντοχής. Εκείνη την εποχή, τα ηλεκτρονικά προϊόντα κατασκευάζονταν κυρίως με το χέρι.
Στο Υλικά βάσης PCB, αυτό είχε επίσης να κάνει με την ανάπτυξη εποξειδικών ρητινών για υποστρώματα PCB. Εκείνη την εποχή, τα υλικά βάσης των PCB, το φύλλο χαλκού και άλλες σχετικές διαδικασίες κατασκευής δεν είχαν ακόμη φτάσει στο στάδιο της βιομηχανικής παραγωγής.
Στη δεκαετία του 1920, οι σχεδιαστές κυκλωμάτων κατασκεύαζαν πλακέτες από βακελίτη (φαινολική ρητίνη), γυψοσανίδα, χαρτόνι, ακόμη και λεπτά φύλλα ξύλου. Αυτές οι πλακέτες έμοιαζαν με πλακέτες κυκλωμάτων ή πλακέτες δοκιμών. Έκαναν τρύπες στο υλικό και, στη συνέχεια, χρησιμοποιούσαν πριτσίνια ή μπουλόνια για να στερεώσουν επίπεδα καλώδια χαλκού στην πλακέτα και να σχηματίσουν ένα κύκλωμα διασύνδεσης.
Στη δεκαετία του 1920, το ραδιόφωνο TRF της εταιρείας Signal κατασκευαζόταν με ξύλινο πλαίσιο δοκιμών.
Η εμφάνιση και η εξάπλωση της φαινολικής ρητίνης
Μεταξύ αυτών των ρητινών, η βακελίτη συντέθηκε για πρώτη φορά το 1872 από τον Γερμανό χημικό Άντολφ φον Μπέιερ (1835–1917). Το 1907, ο Αμερικανός χημικός Λέο Χέντρικ Μπέκελαντ (1863–1944) βελτίωσε τη διαδικασία παραγωγής της φαινολικής ρητίνης και την κατέστησε πρακτική και βιομηχανικά αξιοποιήσιμη. Το 1910, ίδρυσε την εταιρεία General Bakelite Company και ονόμασε αυτό το υλικό “βακελίτη”.”
Στις αρχές του 20ού αιώνα, με βάση τη φαινολική ρητίνη του Baekeland, ξεκίνησε η βιομηχανική παραγωγή φαινολικής ρητίνης στη Γερμανία, το Ηνωμένο Βασίλειο, τη Γαλλία, την Ιαπωνία και άλλες χώρες. Η φαινολική ρητίνη άρχισε επίσης να χρησιμοποιείται ευρέως σε κουμπιά ραδιοφώνων, πικάπ, πλακέτες κυκλωμάτων (όχι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων) και περιβλήματα προϊόντων.
Τα φαινολικά ελάσματα έδωσαν ώθηση στην ανάπτυξη των PCB
Το 1927, το λαμινέ της Formica χρησιμοποιήθηκε σε οικιακά ραδιόφωνα και ναυτικά ραδιόφωνα. Την ίδια χρονιά, η Formica βρήκε έναν τρόπο να προσθέσει διακοσμητικό χαρτί χρησιμοποιώντας μια λιθογραφική διαδικασία, έτσι ώστε το πλαστικοποιημένο φύλλο να μπορεί να κατασκευαστεί με μοτίβα ξύλου και μάρμαρου. Καθώς το πλαστικοποιημένο φύλλο γινόταν πιο πολύχρωμο και πιο διακοσμητικό, πολλοί πάγκοι εργασίας χρησιμοποίησαν επίσης φαινολικό πλαστικοποιημένο φύλλο ως υλικό επιφάνειας.
Το φαινολικό ελάσμα είναι ένα ανθεκτικό πολυμερές υλικό με καλές μονωτικές ιδιότητες. Διαθέτει επίσης αντοχή στη θερμότητα, αντοχή στο νερό, αντοχή στα χημικά και την ικανότητα να μεταφέρει σχετικά μεγάλο ρεύμα. Παρόλο που αρχικά δεν είχε σχεδιαστεί για πλακέτες κυκλωμάτων, η μηχανική του αντοχή ήταν πολύ καλύτερη από αυτή των γυψοσανίδων, του χαρτονιού και των λεπτών ξύλινων σανίδων. Έτσι, σταδιακά εξελίχθηκε σε σημαντικό υλικό βάσης για τις ηλεκτρονικές πλακέτες κυκλωμάτων.
Ωστόσο, στο φαινολικό ελάσμα, η διάτρηση οπών και η σύνδεση όλων των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων παρέμενε πολύ δύσκολη, και ήταν ακόμη πιο επίπονη διαδικασία από τη χρήση πλακέτας δοκιμών. Αργότερα, επινοήθηκε μια μέθοδος προσάρτησης φύλλου χαλκού στην επιφάνεια του φαινολικού ελάσματος και χάραξης του σχεδίου των διαδρομών. Το 1913, ο Βρετανός εφευρέτης Bury ανέπτυξε μια διαδικασία κατά την οποία ένα μεταλλικό φύλλο επικαλύπτονταν με ένα υλικό αντίστασης στη χάραξη και στη συνέχεια σχηματίζονταν αγώγιμα σχέδια μέσω χάραξης. Αυτό θεωρείται σημαντική βάση για τη σύγχρονη κατασκευή πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB).
Καθώς η ανάγκη για διασύνδεση πλακετών αυξανόταν συνεχώς, εμφανίστηκαν και οι σύνδεσμοι πλακετών.
Πώς καθιερώθηκε το πρότυπο πάχους πλακέτας 1,6 mm
Εκείνη την εποχή, τα φύλλα φαινολικής ρητίνης χρησιμοποιούνταν ευρέως σε πάχος 1/16 ίντσας (περίπου 63 mil ή 1,6 mm). Έτσι, οι πρώτοι σύνδεσμοι πλακέτας-πλακέτας, οι υποδοχές και τα συναφή προϊόντα σχεδιάζονταν επίσης με βάση το πάχος πλακέτας των 1/16 ίντσας.
Καθώς η αλυσίδα εφοδιασμού συνέχιζε να βελτιώνεται, διαμορφώθηκε ένα ολοκληρωμένο πρότυπο σύστημα με βάση το 1/16 ίντσας (περίπου 1,6 mm). Ακόμη και αφού τα υλικά και οι διαδικασίες κατασκευής των PCB υπέστησαν σημαντικές αλλαγές, το πάχος 1,6 mm διατηρήθηκε και σταδιακά καθιερώθηκε ως το τυπικό πάχος στον κλάδο των PCB.
Σύγχρονα πρότυπα πάχους πλακετών PCB
Σήμερα, τα υλικά υποστρώματος είναι πολύ πιο ποικίλα, αλλά τα 1,6 mm (ή 63 mil) εξακολουθούν να αποτελούν το προεπιλεγμένο πάχος της τελικής πλακέτας
που χρησιμοποιείται από πολλά εργοστάσια κατασκευής PCB. Το τυπικό εύρος πάχους έχει επίσης διευρυνθεί από 0,8 mm έως 1,6 mm.
(Παρακαλούμε να ακολουθήσετε τα πρότυπα του εκάστοτε εργοστασίου κατασκευής πλακετών. Ορισμένα εργοστάσια χρησιμοποιούν πάχος από 0,6 mm έως 2,5 mm.)
Εάν χρειαστεί να κατασκευάσετε πλακέτες PCB μικρότερου ή μεγαλύτερου πάχους, όπως πλακέτες πάχους 0,4 mm ή 3,0 mm (για παράδειγμα, πλακέτες 20 στρωμάτων), θα απαιτηθεί επιπλέον κόστος υλικών. Επομένως, αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά το σχεδιασμό των PCB.
Πάχος χαλκού σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων και ικανότητα μεταφοράς ρεύματος
Στον σχεδιασμό και την κατασκευή πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), η μονάδα «OZ» χρησιμοποιείται συχνά ως μονάδα μέτρησης του πάχους του χαλκού. Πάχος χαλκού 1 oz σημαίνει ότι το φύλλο χαλκού σε επιφάνεια 1 τετραγωνικής ίντσας ζυγίζει 1 ουγγιά, ενώ το φυσικό πάχος του είναι περίπου 35 μm.
Η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος φύλλων χαλκού διαφόρων πάχους και πλάτους παρουσιάζεται παρακάτω:
| Πάχος χαλκού | Ρεύμα (A) | Πλάτος (mm) | Ρεύμα (A) | Πλάτος (mm) | Ρεύμα (A) | Πλάτος (mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 70 μm | 6.00 | 2.50 | 5.10 | 2.50 | 4.50 | 2.50 |
| 5.10 | 2.00 | 4.30 | 2.00 | 4.00 | 2.00 | |
| 4.20 | 1.50 | 3.50 | 1.50 | 3.20 | 1.50 | |
| 3.60 | 1.20 | 3.00 | 1.20 | 2.70 | 1.20 | |
| 3.20 | 1.00 | 2.60 | 1.00 | 2.30 | 1.00 | |
| 2.80 | 0.80 | 2.40 | 0.80 | 2.00 | 0.80 | |
| 2.30 | 0.60 | 1.90 | 0.60 | 1.60 | 0.60 | |
| 2.00 | 0.50 | 1.70 | 0.50 | 1.35 | 0.50 | |
| 1.70 | 0.40 | 1.35 | 0.40 | 1.10 | 0.40 | |
| 1.30 | 0.30 | 1.10 | 0.30 | 0.80 | 0.30 | |
| 0.90 | 0.20 | 0.70 | 0.20 | 0.55 | 0.20 | |
| 0.70 | 0.15 | 0.50 | 0.15 | 0.20 | 0.15 |
Επειδή το φύλλο χαλκού σε μια πλακέτα με επένδυση χαλκού έχει περιορισμένο πάχος, η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για τις λωρίδες χαλκού που πρέπει να μεταφέρουν μεγάλο ρεύμα. Χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα το τυπικό πάχος του φύλλου χαλκού των 0,03 mm, εάν το φύλλο χαλκού χρησιμοποιείται ως αγωγός σε μορφή λωρίδας με πλάτος W (mm) και μήκος L (mm), η αντίστασή του είναι:
Η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του φύλλου χαλκού εξαρτάται επίσης από τον τύπο και τον αριθμό των εξαρτημάτων που είναι τοποθετημένα στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, καθώς και από τις συνθήκες απαγωγής θερμότητας. Για λόγους ασφαλείας, η ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του φύλλου χαλκού μπορεί συνήθως να υπολογιστεί με τον εμπειρικό τύπο:
Πώς να υπολογίσετε το πλάτος του χαλκού και το ρεύμα σε ένα PCB
Μέθοδος υπολογισμού του πλάτους του χαλκού σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) και του ρεύματος που μεταφέρει:
Συνήθως, το πάχος του φύλλου χαλκού στα PCB είναι 35 μm. Όταν το πλάτος της διαδρομής είναι 1 mm, το εμβαδόν της διατομής της διαδρομής είναι 0,035 mm². Συνήθως, η πυκνότητα ρεύματος θεωρείται ότι είναι 30 A/mm², οπότε κάθε 1 mm πλάτους διαδρομής μπορεί να μεταφέρει περίπου 1 A.
Το πρότυπο IPC παρέχει επίσης τύπους που σχετίζονται με την αύξηση της θερμοκρασίας, το πάχος του χαλκού και την επιφάνεια Α:
I = 0,0647(DT0,4281)(A0,6732) για τις εξωτερικές διαδρομές του IPC-D-275
