1. Mitä kuparifolio on?
Kuparifolio on ohut, yhtenäinen metallilevy. Se on sähköpinnoitettua, negatiivista materiaalia. Kalvo pinnoitetaan piirilevyn pohjalle. Se toimii levyn johtimena. Se kiinnittyy hyvin eristekerroksiin. Se kestää juotosmaskia ja muita suojakerroksia. Syövytyksen jälkeen jäljelle jäävä kupari muodostaa piirikuvion. Varhaisessa tuotannossa käytettiin rullattua kuparifoliota. Se tarkoittaa, että kuparilohkot litistetään ohuiksi levyiksi.
Kuinka paksu on piirilevyn kuparifolio?
2. Kuparin paksuuden yksikkö: oz
PCB-kuparin paksuus ilmoitetaan yleensä oz (unssina). Unssia on painoyksikkö. Unssin ja gramman suhde on:
1 oz ≈ 28,35 g.
Piirilevyteollisuudessa 1 oz tarkoittaa 1 oz kuparin painoa tasaisesti levitettynä 1 neliöjalalle (ft²). Tasaisella kerroksella on tietty paksuus. Tämä paksuus on noin 35 μm. Kaavaa käyttäen:
1 oz = 28,35 g / ft².
Alla näytän laskennan vaihe vaiheelta, jotta tulos on selkeä:
- Ota 1 unssin massa: 28,35 g.
- Kuparin tiheys: 8,93 g/cm³.
- 1 ft² = 929,03 cm².
Paksuus cm:nä = massa / (tiheys × pinta-ala)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm.
= 28,35 / 82973,558 ≈ 0,00341721 cm.
Muunna mikrometreiksi (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10 000 μm = 34,17 μm.
Joten 1 oz kuparifoliota ≈ 34,17 μm. Tämä arvo pyöristetään yleensä ja ilmoitetaan muodossa 35 μm. Englannin kruunun yksiköissä 34,17 μm = 0,03417 mm. Yksi mil = 0,0254 mm, joten paksuus ≈ 1,345 mil. Usein sanotaan 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil (millimetriä).
3. Yleiset kuparin paksuuden arvot
PCB:ssä käytetyt yleiset kuparin paksuusarvot ovat:
- 0.5 oz ≈ 17.5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Tyypilliset yhden ja kaksipuoliset piirilevyt käytä noin 35 μm (1 oz) kupari. Joissakin levyissä käytetään 50 μm tai 70 μm myös kuparia. Monikerroksisissa levyissä ulommat kerrokset ovat usein 35 μm (1 oz). Sisäkerrokset ovat usein 17,5 μm (0,5 oz).
Paksut kuparilevyt alkavat noin 3 oz ja sitä suuremmat. Näitä levyjä käytetään suurivirtaisissa tai suurjännitetuotteissa, kuten virtalähteissä.
4. Virransietokyky eri kuparin paksuuksilla
Alla on käytännönläheinen taulukko, josta käy ilmi paksuudeltaan ja leveydeltään eripaksuisten kupariliuskojen tyypillinen virrankapasiteetti. Taulukossa on lueteltu virta (A) ja tarvittava leveys (mm) seuraaville kuparipaksuuksille 70 μm, 50 μm, ja 35 μm. Taulukon testipaksuusparametrina on t = 10 (tämä on lähdetaulukossa käytetty viitearvo).
Huom: Kun kuparifoliota käytetään suuren virran johtimena, on tavallista, että taulukkoarvoja alennetaan seuraavasti 50% turvallinen valinta. Tämä tarkoittaa, että valitse leveys, joka vastaa noin puolta luetellusta virrasta, jos haluat varmuusmarginaalin.
| Virta (A) / leveys (mm) 70 μm:n osalta. | Virta (A) / leveys (mm) 50 μm:n osalta. | Virta (A) / leveys (mm) 35 μm:n osalta. |
|---|---|---|
| 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 |
Valitse jälleen turvallinen marginaali. Yleinen sääntö on vähentää näitä taulukkoarvoja 50%:llä, kun suunnittelet tuotantoa varten.
5. Muita käytännön huomioita kuparista johtimena
- Jos käytät kuparifoliota pitkänä nauhajohtimena, sinun on tarkistettava sen virtakapasiteetti. Otetaan esimerkiksi tyypillinen paksuus 0,03 mm (30 μm). Jos kupariliuskan leveys on W (mm) ja pituus L (mm), tasavirtavastus voidaan arvioida likimääräisesti seuraavasti: R ≈ 0,0005 × L / W (ohmia) Tämä kaava antaa nopean arvion suunnittelun tarkastuksia varten.
- Kuparivirtakapasiteetti riippuu myös piirilevyn osista, osien määrästä ja tyypistä sekä jäähdytyksestä. Todellinen virtakapasiteetti riippuu siis sekä kuparin geometriasta että lämpöolosuhteista.
- Käytännön nyrkkisääntö on: virran kapasiteetti ≈ 0,15 × W (A). Tämä on empiirinen arvio, jota käytetään joissakin tapauksissa. Se on yksinkertainen ja konservatiivinen monille levyille.
6. Esimerkki: pinta-ala ja virrantiheys
Otetaan yleinen tapaus: kuparin paksuus 35 μm ja jäljen leveys 1 mm. Poikkipinta-ala on:
- Pinta-ala = paksuus × leveys = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Jos käytetään virrantiheyden sääntöä 30 A/mm², niin virta 1 mm:n leveyttä kohti ≈ 30 × 0,035 = 1,05 A. Eli suurin piirtein 1 A mm:n jäljen leveyttä kohti tämän nyrkkisäännön mukaan.
7. IPC-kaavat tarkempaa virran ja lämpötilan nousua varten.
IPC-2152 ja IPC-D-275 antaa tarkempia malleja. Teksti sisältää IPC-D-275-kaavat yleisessä muodossa:
- Sisäisiä jälkiä varten: I = 0,0150 × (ΔT^0,5453) × (A^0,7349)
- Ulkoisia jälkiä varten: I = 0,0647 × (ΔT^0,4281) × (A^0,6732)
Näissä kaavoissa:
- I on virta ampeereina.
- ΔT on sallittu lämpötilan nousu °C:ssa.
- A on poikkipinta-ala millimetreinä² (tai muissa yksiköissä riippuen siitä, miten kaavaa sovelletaan). Käytä kaavoja soveltaessasi johdonmukaisia yksiköitä.
Käytä IPC-menetelmiä, jos tarvitset tarkan sallitun virran tietylle lämpötilan nousulle.
8. Kuparin paksuus ja dielektrinen sovitus
PCB-suunnittelussa “kuparin paksuus - dielektrinen sovitus” tarkoittaa, että valitset kuparin paksuuden ja levyn dielektrisen yhdessä. Näin vastataan sähköisiin, lämpö- ja mekaanisiin tarpeisiin. Tärkeimmät kohdat:
8.1 Kuparin paino (kuparin paksuus)
- Yksikkö: oz/ft² (esimerkiksi 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Vaikutukset:
- Virransieto: paksumpi kupari johtaa enemmän virtaa.
- Häviö: korkeilla taajuuksilla ihovaikutuksella on merkitystä. Paksumpi kupari voi joissakin tapauksissa vähentää johtimen häviöitä.
- Lämpö: paksumpi kupari auttaa lämmön leviämistä.
- Syövytys: paksumpi kupari vaikeuttaa hienosyövytystä. Jäljen vähimmäisleveys ja -väli voivat kasvaa.
- Kustannukset: paksumpi kupari maksaa enemmän.
8.2 Dielektrinen materiaali
Tärkeimmät dielektriset ominaisuudet:
- Dielektrisyysvakio (Dk tai εr): vaikuttaa signaalin nopeuteen ja impedanssiin.
- Häviötangentti (Df): vaikuttaa suurtaajuushäviöihin.
- Paksuus (H): kuparin paksuus, H ratkaisee impedanssin ja kapasitanssin.
- CTE ja Tg: terminen luotettavuus.
Yleiset materiaalit: fr4 yleiskäyttöön, korkean Tg fr4:n ja erityisten korkeataajuuksisten materiaalien (esim. Rogers) käyttöön.
8.3 Täsmäytyssäännöt
- Impedanssin säätöä varten yleinen mikroliuska kaava on: Z0 ≈ (87 / sqrt(εr_eff + 1,41)) * ln(5,98H / (0,8W + T)) missä Z0 on impedanssi, εr_eff on efektiivinen dielektrisyysvakio, H on dielektrisen materiaalin paksuus, W on johtimen leveys, T on kuparin paksuus.
- Jos kuparin paksuus kasvaa, impedanssi laskee samalla leveydellä ja dielektrisellä. Sinun on siis kasvatettava leveyttä tai kasvatettava dielektrisen paksuutta, jotta impedanssi pysyy samana.
- Korkeataajuisten signaalien osalta ihon syvyydellä on merkitystä. Kuparin paksuuden tulisi olla vähintään useita kertoja suurempi kuin ihon syvyys korkeimmalla kiinnostavalla taajuudella. Hyvin korkeilla taajuuksilla myös pinnan karheudella on merkitystä. Käytä matalan karheuden omaavaa kuparia, jos tarvitset pieniä häviöitä.
- Käytä tehotasojen ja suuren virran osalta paksumpaa kuparia (≥ 2 oz) ja harkitse lämpöä johtavia dielektrisiä tai metalliydinlevyjä lämmönhallintaa varten.
8.4 Valmistettavuus
- Paksu kupari (≥ 3 oz) tarvitsee suurempia jälki-/välisääntöjä syövytysongelmien välttämiseksi.
- Ohuet dielektriset aineet edellyttävät kuparin paksuuden tiukkaa hallintaa. Vaihtelut vaikuttavat impedanssiin.
9. Valintataulukko (lyhyt opas)
| Sovellusskenaario | Suositeltu kuparin paino | Suositeltu dielektrinen materiaali | Vastaava syy |
|---|---|---|---|
| Nopea digitaalinen (>5 Gbps) | 0,5 oz - 1 oz | low-Df FR4 / Rogers RO4000 | Hieno reititys, alhainen häviö, helpompi impedanssin säätö. |
| Tehomoduulit / suuri virta | 2 oz - 6 oz+ | FR4 Korkean Tg:n / korkean lämmönjohtavuuden materiaalit | Suurempi virtakapasiteetti ja parempi lämmönsiirto. |
| RF / mikroaallot (>10 GHz) | 0,5 oz (alhainen karheus) | Rogers RO3000 / Teflon (PTFE) | Erittäin alhainen häviö ja optimoidut pintaefektit RF:lle. |
| Yleinen kulutuselektroniikka | 1 oz | standardi FR4 | Tasapainoiset kustannukset ja kypsä prosessi. |
| Suuritiheyksiset HDI-levyt | 0,5 oz - 1 oz | FR4 Korkean Tg:n / matalan CTE:n materiaalit | Hienot jäljet ja luotettava laserin kautta suorituskyky. |
10. Käytännön neuvoja
- Ilmoita ensin tarpeesi: virta, signaalin nopeus, impedanssi, lämpö.
- Suunnittele pinoaminen oikeilla työkaluilla.
- Tee impedanssisimulointi materiaalin Dk ja kuparin paksuuden kanssa.
- Kysy levyvalmistajalta sen kuparin paksuuden toleransseista ja dielektrisistä vaihtoehdoista.
- Korkeataajuustapauksissa mitataan materiaalit Dk ja Df, jos mahdollista.
Huom: Kuparin nimellispaino (kuten 1 oz) on lähtöpaksuus ennen syövytystä. Syövytyksen jälkeen jälki voi olla kapenevilla sivuilla. Käytä todellisia impedanssitarkastuksia varten joko keskimääräistä paksuutta tai levytalon ohjeistusta.
