۱. ورق مسی چیست؟
ورق مسی یک ورق فلزی نازک و پیوسته است. این یک مادهٔ الکترودیپوزیتشدهٔ نوع منفی است. این ورق روی پایهٔ برد مدار چاپی (PCB) آبکاری میشود. این ورق بهعنوان هادی روی برد عمل میکند. این ورق بهخوبی به لایههای عایق میچسبد. این ورق ماسک لحیم و سایر لایههای محافظ را میپذیرد. پس از حکاکی، مس باقیمانده الگوی مدار را تشکیل میدهد. در تولید اولیه، افراد از ورق مسی نوردشده استفاده میکردند. این بدان معناست که بلوکهای مس به ورقهای نازک صاف میشوند.
پس، ضخامت ورق مسی روی یک برد مدار چقدره؟
۲. واحد ضخامت مس: اونس
ضخامت مس PCB معمولاً بر حسب اونس (oz) بیان میشود. اونس یک واحد وزن است. رابطه بین اونس و گرم عبارت است از:
۱ اونس ≈ ۲۸٫۳۵ گرم.
در صنعت PCB، ۱ اونس به معنای وزن ۱ اونس مس است که بهطور یکنواخت روی یک فوت مربع (ft²) پخش شده است. آن لایهٔ یکنواخت دارای ضخامت مشخصی است. این ضخامت حدود ۳۵ میکرومتر است. با استفاده از یک فرمول:
۱ اونس = ۲۸٫۳۵ گرم بر فوت مربع.
در زیر محاسبات را گام به گام نشان میدهم تا نتیجه واضح باشد:
- یک اونس جرم: ۲۸٫۳۵ گرم.
- چگالی مس: ۸٫۹۳ گرم بر سانتیمتر مکعب.
- ۱ فوت مربع = ۹۲۹٫۰۳ سانتیمتر مربع.
ضخامت به سانتیمتر = جرم / (چگالی × مساحت)
= ۲۸٫۳۵ / (۸٫۹۳ × ۹۲۹٫۰۳) سانتیمتر
= ۲۸٫۳۵ / ۸۲۹۷۳٫۵۵۸ ≈ ۰٫۰۰۳۴۱۷۲۱ سانتیمتر.
تبدیل به میکرومتر (μm): 0.00341721 سانتیمتر = 0.00341721 × 10,000 میکرومتر = 34.17 میکرومتر.
پس ۱ اونس ورق مسی ≈ ۳۴.۱۷ میکرومتر. این مقدار معمولاً گرد شده و به صورت ۳۵ میکرومتر. در واحدهای امپریال، ۳۴٫۱۷ میکرومتر برابر با ۰٫۰۳۴۱۷ میلیمتر است. یک میل برابر با ۰٫۰۲۵۴ میلیمتر است، بنابراین ضخامت تقریباً ۱٫۳۴۵ میل است. مردم اغلب میگویند ۱ اونس ≈ ۳۵ میکرومتر ≈ ۱٫۳۵ میل.
۳. مقادیر رایج ضخامت مس
مقادیر رایج ضخامت مس مورد استفاده در PCBها عبارتند از:
- ۰.۵ اونس ≈ ۱۷.۵ میکرومتر
- ۱ اونس ≈ ۳۵ میکرومتر
- ۲ اونس ≈ ۷۰ میکرومتر
- ۳ اونس ≈ ۱۰۵ میکرومتر
معمولی تک- و بردهای مدار چاپی دو رو حدوداً استفاده کنید ۳۵ میکرومتر (۱ اونس) مس. برخی از بردها استفاده میکنند ۵۰ میکرومتر یا ۷۰ میکرومتر مس هم. برای بردهای چندلایه، لایههای بیرونی اغلب ۳۵ میکرومتر (۱ اونس). لایههای داخلی اغلب ۱۷.۵ میکرومتر (۰.۵ اونس).
بردهای مسضخیم از حدود ۳ اونس و بالاتر. این بردها در محصولات جریان بالا یا ولتاژ بالا، مانند منابع تغذیه، استفاده میشوند.
۴. ظرفیت حمل جریان برای ضخامتهای مختلف مس
در زیر جدولی کاربردی آمده است که ظرفیت جریان نامی نوارهای مسی با ضخامت و عرضهای مختلف را نشان میدهد. این جدول جریان (آمپر) و عرض مورد نیاز (میلیمتر) را برای ضخامتهای مسی فهرست میکند. ۷۰ میکرومتر, ۵۰ میکرومتر, ، و ۳۵ میکرومتر. پارامتر ضخامت آزمون در جدول برابر با t = 10 است (این یک مقدار مرجع نمونه است که در جدول منبع استفاده میشود).
توجه: وقتی از ورق مسی بهعنوان هادی جریان بالا استفاده میکنید، معمولاً مقادیر جدول را با 50% برای یک انتخاب ایمن. این بدان معناست که اگر میخواهید حاشیهٔ اطمینان داشته باشید، عرضی را انتخاب کنید که تقریباً معادل نیمی از جریان فهرستشده باشد.
| جریان (آمپر) / عرض (میلیمتر) برای ۷۰ میکرومتر | جریان (آمپر) / عرض (میلیمتر) برای ۵۰ میکرومتر | جریان (آمپر) / عرض (میلیمتر) برای ۳۵ میکرومتر |
|---|---|---|
| ۶.۰۰ A — ۲.۵۰ میلیمتر | ۵.۱۰ A — ۲.۵۰ میلیمتر | ۴.۵۰ A — ۲.۵۰ میلیمتر |
| ۵.۱۰ A — ۲.۰۰ میلیمتر | ۴.۳۰ A — ۲.۰۰ میلیمتر | ۴.۰۰ A — ۲.۰۰ میلیمتر |
| ۴.۲۰ A — ۱.۵۰ میلیمتر | ۳.۵۰ A — ۱.۵۰ میلیمتر | 3.20 A — 1.50 mm |
| ۳.۶۰ A — ۱.۲۰ میلیمتر | ۳.۰۰ A — ۱.۲۰ میلیمتر | ۲.۷۰ A — ۱.۲۰ میلیمتر |
| 3.20 A — 1.00 mm | ۲.۶۰ A — ۱.۰۰ میلیمتر | ۲.۳۰ A — ۱.۰۰ میلیمتر |
| ۲.۸۰ A — ۰.۸۰ میلیمتر | ۲.۴۰ A — ۰.۸۰ میلیمتر | ۲.۰۰ A — ۰.۸۰ میلیمتر |
| ۲.۳۰ A — ۰.۶۰ میلیمتر | ۱.۹۰ A — ۰.۶۰ میلیمتر | ۱.۶۰ A — ۰.۶۰ میلیمتر |
| ۲.۰۰ A — ۰.۵۰ میلیمتر | ۱.۷۰ A — ۰.۵۰ میلیمتر | ۱.۳۵ A — ۰.۵۰ میلیمتر |
| ۱.۷۰ A — ۰.۴۰ میلیمتر | ۱.۳۵ A — ۰.۴۰ میلیمتر | ۱.۱۰ A — ۰.۴۰ میلیمتر |
| ۱.۳۰ A — ۰.۳۰ میلیمتر | ۱.۱۰ A — ۰.۳۰ میلیمتر | 0.80 A — 0.30 میلیمتر |
| 0.90 A — 0.20 میلیمتر | 0.70 A — 0.20 میلیمتر | 0.55 A — 0.20 میلیمتر |
| 0.70 A — 0.15 میلیمتر | 0.50 A — 0.15 میلیمتر | 0.20 A — 0.15 میلیمتر |
دوباره، یک حاشیهٔ ایمن انتخاب کنید. یک قاعدهٔ رایج این است که هنگام طراحی برای تولید، مقادیر این جدول را ۵۰۱TP3T کاهش دهید.
۵. سایر نکات عملی در مورد مس به عنوان یک رسانا
- اگر از ورق مسی بهعنوان یک هادی نوارطولانی استفاده میکنید، باید ظرفیت جریان آن را بررسی کنید. برای مثال، ضخامت معمولی را در نظر بگیرید. 0.03 میلیمتر (30 میکرومتر). اگر نوار مسی دارای عرض W (میلیمتر) و طول L (میلیمتر) باشد، مقاومت DC را میتوان با تقریب به صورت زیر محاسبه کرد: R ≈ 0.0005 × L / W (اوم). این فرمول برآورد سریعی برای بررسیهای طراحی ارائه میدهد.
- ظرفیت جریان مس همچنین به قطعات روی برد، تعداد و انواع آنها و سیستم خنککنندگی بستگی دارد. بنابراین ظرفیت جریان واقعی هم به هندسه مس و هم به شرایط حرارتی وابسته است.
- یک قاعدهٔ عملی سرانگشتی این است: ظرفیت جریان ≈ ۰٫۱۵ × W (A). این یک برآورد تجربی است که در برخی موارد استفاده میشود. برای بسیاری از بردها ساده و محافظهکارانه است.
۶. مثال: مساحت و چگالی جریان
یک مورد رایج را در نظر بگیرید: ضخامت مس ۳۵ میکرومتر و عرض ردیابی ۱ میلیمتر. مساحت مقطع عرضی عبارت است از:
- مساحت = ضخامت × عرض = 0.035 میلیمتر × 1 میلیمتر = 0.035 میلیمتر².
اگر از قاعده تراکم جریان استفاده کنید ۳۰ A/mm², سپس جریان در هر عرض ۱ میلیمتر ≈ ۳۰ × ۰٫۰۳۵ = ۱٫۰۵ A. بنابراین طبق آن قاعدهٔ سرانگشتی تقریباً ۱ A در هر میلیمتر عرض ردّ است.
۷. فرمولهای IPC برای جریان و افزایش دمای دقیقتر
IPC-2152 و IPC-D-275 مدلهای دقیقتری ارائه دهید. متن فرمولهای IPC-D-275 را در شکلی رایج شامل میشود:
- برای ردهای داخلی: I = 0.0150 × (ΔT^0.5453) × (A^0.7349)
- برای ردهای خارجی: I = 0.0647 × (ΔT^0.4281) × (A^0.6732)
در این فرمولها:
- من در آمپر جاری هستم.
- ΔT افزایش دمای مجاز به °C است.
- A مساحت مقطع عرضی به میلیمتر مربع (یا واحدهای دیگر بسته به نحوهٔ کاربرد فرمول) است. هنگام بهکارگیری فرمولها از واحدهای یکسان استفاده کنید.
اگر برای افزایش دمای مشخص به جریان مجاز دقیق نیاز دارید، از روشهای IPC استفاده کنید.
۸. ضخامت مس و تطبیق دیالکتریک
در طراحی PCB، “ضخامت مس — تطبیق دیالکتریک” به این معناست که شما ضخامت مس و ضریب دیالکتریک برد را با هم انتخاب میکنید. این کار برای تأمین نیازهای الکتریکی، حرارتی و مکانیکی انجام میشود. نکات کلیدی:
۸.۱ وزن مس (ضخامت مس)
- واحد: اونس بر فوت مربع (برای مثال، ۰.۵ اونس، ۱ اونس، ۲ اونس، ۳ اونس).
- ۱ اونس ≈ ۳۵ میکرومتر ≈ ۱٫۳۵ میل.
- اثرات:
- حمل جریان: مس ضخیمتر جریان بیشتری را حمل میکند.
- اتلاف: در فرکانسهای بالا، اثر پوستی اهمیت دارد. مس ضخیمتر میتواند در برخی موارد اتلاف رسانا را کاهش دهد.
- ترمال: مس ضخیمتر به پخش حرارت کمک میکند.
- حکاکی: مس ضخیمتر کار حکاکی ظریف را دشوارتر میکند. حداقل عرض و فاصلهی ردیفها ممکن است افزایش یابد.
- هزینه: مس ضخیمتر گرانتر است.
۸.۲ مادهٔ دیالکتریک
خواص دیالکتریک کلیدی:
- ثابت دیالکتریک (Dk یا εr): بر سرعت سیگنال و امپدانس تأثیر میگذارد.
- تانژانت تلفات (Df): بر تلفات فرکانس بالا تأثیر میگذارد.
- ضخامت (H): در ضخامت مسی، H تعیینکننده امپدانس و ظرفیت است.
- CTE و Tg: قابلیت اطمینان حرارتی.
مواد رایج: افآر۴ برای کاربرد عمومی، FR4 با Tg بالا، و مواد ویژه فرکانس بالا (مانند راجرز).
۸.۳ قواعد تطبیق
- برای کنترل امپدانس، فرمول رایج میکرواستریپ به صورت زیر است: Z₀ ≈ (87 / sqrt(εr_eff + 1.41)) * ln(5.98H / (0.8W + T)) که در آن Z₀ امپدانس، εr_eff ثابت دیالکتریک مؤثر، H ضخامت دیالکتریک، W عرض رد و T ضخامت مس است.
- اگر ضخامت مس افزایش یابد، امپدانس برای همان عرض و دیالکتریک کاهش مییابد. بنابراین برای حفظ همان امپدانس باید عرض یا ضخامت دیالکتریک را افزایش دهید.
- برای سیگنالهای فرکانس بالا، عمق پوست اهمیت دارد. ضخامت مس باید حداقل چند برابر عمق پوست در بالاترین فرکانس مورد نظر باشد. برای فرکانسهای بسیار بالا، زبری سطح نیز اهمیت دارد. اگر به تلفات کم نیاز دارید، از مس با زبری کم استفاده کنید.
- برای بردهای قدرت و جریان زیاد، از مس ضخیمتر (حداقل ۲ اونس) استفاده کنید و برای مدیریت حرارت، بردهای دیالکتریک یا دارای هسته فلزی با هدایت حرارتی را در نظر بگیرید.
۸.۴ قابلیت ساخت
- مس ضخیم (≥ ۳ اونس) به قواعد مسیر و فاصلهگذاری بزرگتری نیاز دارد تا از مشکلات حککاری جلوگیری شود.
- دیالکتریکهای نازک نیازمند کنترل دقیق بر ضخامت مس هستند. تغییرات بر امپدانس تأثیر میگذارند.
۹. جدول انتخاب (راهنمای کوتاه)
| سناریوی کاربرد | وزن پیشنهادی مس | ماده دیالکتریک پیشنهادی | دلیل تطبیق |
|---|---|---|---|
| دیجیتال پرسرعت (>۵ گیگابیت بر ثانیه) | ۰.۵ اونس – ۱ اونس | FR4 کم-Df / راجرز RO4000 | مسیریابی دقیق، تلفات کم، کنترل امپدانس آسانتر. |
| ماژولهای قدرت / جریان بالا | ۲ اونس – ۶ اونس و بیشتر | FR4 مواد با Tg بالا / هدایت حرارتی بالا | ظرفیت جریان بالاتر و دفع حرارت بهتر. |
| فرکانس رادیویی / مایکروویو (>۱۰ گیگاهرتز) | ۰.۵ اونس (زبری کم) | راجرز RO3000 / تفلون (PTFE) | اتلاف فوقالعاده کم و اثرات سطحی بهینهشده برای RF. |
| الکترونیک مصرفی عمومی | یک اونس | استاندارد FR4 | هزینهی متعادل و فرآیند بالغ. |
| بردهای HDI با چیدمان متراکم | ۰.۵ اونس – ۱ اونس | مواد FR4 با دمای انتقال حرارتی بالا / ضریب انبساط حرارتی کم | ردیابی دقیق و عملکرد قابلاعتماد ویای لیزری. |
۱۰. توصیههای عملی
- ابتدا نیازهای خود را بیان کنید: جریان، سرعت سیگنال، امپدانس، حرارت.
- با ابزار مناسب، چیدمان لایهها را برنامهریزی کنید.
- شبیهسازی امپدانس را با ماده Dk و ضخامت مس انجام دهید.
- از کارخانه تخته درباره تلرانسهای ضخامت مس و گزینههای دیالکتریک آن سؤال کنید.
- برای موارد فرکانس بالا، در صورت امکان ضرایب Dk و Df ماده را اندازهگیری کنید.
توجه: وزن اسمی مس (مثلاً ۱ اونس) ضخامت اولیه قبل از حک است. پس از حک، مسیر ممکن است دارای دیوارههای باریکشده باشد. برای بررسیهای دقیق امپدانس از ضخامت متوسط یا دستورالعملهای کارخانه برد استفاده کنید.
