Yleensä valmiin vakiomallisen piirilevyn paksuus on 0,8–1,6 mm. Yleisin oletuspaksuus on 1,6 mm (noin 63 mil). Monet liittimien standardit on myös suunniteltu juuri tätä 1,6 mm:n paksuutta varten. Miten siis tämä paksuusstandardi syntyi?
Piirilevyteollisuuden alkuvaihe
Piirilevyjen kehityshistoriasta voidaan nähdä, että elektroniputkien aikakaudella piirilevyteollisuus oli vielä alkuvaiheessa. Koska elektroniputket tuottivat paljon lämpöä, ne olivat suuria eikä niitä ollut helppo asentaa piirilevylle. Ne vaativat myös tiettyä mekaanista lujuutta. Tuolloin elektroniikkatuotteet valmistettiin pääosin käsin.
Osoitteessa PCB-pohjamateriaalit, tämä liittyi myös epoksihartsien kehittämiseen piirilevyjen alustoiksi. Tuolloin piirilevyjen perusmateriaalit, kuparifolio ja muut asiaan liittyvät valmistusprosessit eivät olleet vielä edenneet teolliseen tuotantoon.
1920-luvulla piirisuunnittelijat valmistivat piirilevyjä bakeliitista (fenolihartsista), kipsilevystä, pahvista ja jopa ohuista puulevyistä. Nämä levyt näyttivät samankaltaisilta kuin piirilevyt tai kokeilulevyt. Materiaaliin porattiin reikiä, ja sen jälkeen tasaiset kuparilangat kiinnitettiin levyyn niiteillä tai pulteilla, jolloin muodostui kytkentäpiiri.
1920-luvulla Signalin valmistama TRF-radio rakennettiin puisen koekytkentälevyn avulla.
Fenolihartsin nousu ja leviäminen
Näistä hartseista bakeliitti syntetisoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1872 saksalaisen kemistin Adolf von Baeyerin (1835–1917) toimesta. Vuonna 1907 amerikkalainen kemisti Leo Hendrik Baekeland (1863–1944) paransi fenolihartsin valmistusprosessia ja teki siitä käytännöllisen ja teollisesti käyttökelpoisen. Vuonna 1910 hän perusti General Bakelite Company -yhtiön ja antoi tälle materiaalille nimen “bakeliitti”.”
1900-luvun alkupuolella Baekelandin fenolihartsin pohjalta aloitettiin fenolihartsin teollinen tuotanto Saksassa, Isossa-Britanniassa, Ranskassa, Japanissa ja muissa maissa. Fenolihartsia alettiin käyttää laajalti myös radioiden säätimissä, levysoittimissa, piirilevyissä (ei painetuissa piirilevyissä) ja tuotteiden koteloissa.
Fenolilaminaatti vauhditti piirilevyjen kehitystä
Vuonna 1927 Formican valmistamaa laminaattia käytettiin kotiradioissa ja meriradioissa. Samana vuonna Formica löysi tavan lisätä koristepaperia litografisen prosessin avulla, joten laminaattiin voitiin valmistaa puunsyykuvioita ja marmorikuvioita. Kun laminaatista tuli entistä värikkäämpää ja koristeellisempaa, myös monissa työpöydissä käytettiin fenolilaminaattia pintamateriaalina.
Fenolilaminaatti on vahva polymeerimateriaali, jolla on hyvät eristysominaisuudet. Se kestää myös lämpöä, vettä ja kemikaaleja sekä pystyy johtamaan suhteellisen suurta virtaa. Vaikka sitä ei alun perin kehitetty piirilevyjä varten, sen mekaaninen lujuus oli huomattavasti parempi kuin kipsilevyllä, pahvilla ja ohuilla puulevyillä. Niinpä siitä tuli vähitellen tärkeä perusmateriaali elektroniikan piirilevyille.
Mutta fenolilaminaatille reikien poraaminen ja kaikkien elektroniikkakomponenttien liittäminen oli silti erittäin vaikeaa, ja se oli jopa hankalampaa kuin koekortin käyttö. Myöhemmin keksittiin menetelmä, jossa kuparifolio kiinnitettiin fenolilaminaatin pinnalle ja johtokuvio syövytettiin siihen. Vuonna 1913 brittiläinen keksijä Bury kehitti menetelmän, jossa metallifolio päällystettiin syövytystä estävällä suojakerroksella ja muodostettiin sitten johtavat kuviot syövyttämällä. Tätä pidetään modernin piirilevyvalmistuksen tärkeänä perustana.
Kun piirilevyjen välisten liitäntöjen tarve kasvoi jatkuvasti, markkinoille tulivat myös piirilevyliittimet.
Miten 1,6 mm:n levypaksuuden standardi syntyi
Tuolloin fenolihartsilaminaattia käytettiin laajalti 1/16 tuuman (noin 63 mil tai 1,6 mm) paksuisena. Niinpä myös varhaiset piirilevyjen väliset liittimet, urat ja vastaavat tuotteet suunniteltiin 1/16 tuuman piirilevyn paksuuden mukaan.
Toimitusketjun kehittyessä vakiintui kattava standardijärjestelmä, jonka perustana oli 1/16 tuumaa (noin 1,6 mm). Vaikka piirilevyjen materiaalit ja valmistusprosessit muuttuivatkin huomattavasti, 1,6 mm:n levypaksuus säilyi edelleen ja siitä tuli vähitellen piirilevyteollisuuden vakiopaksuus.
Nykyaikaiset piirilevyjen paksuusstandardit
Nykyään substraattimateriaalit ovat paljon monipuolisempia, mutta 1,6 mm (tai 63 mil) on edelleen monien piirilevytehtaiden käyttämä oletuspaksuus
valmiille piirilevyille. Myös vakiopaksuusalue on laajentunut välille 0,8–1,6 mm.
(Noudata levyvalmistajan omia standardeja. Jotkut valmistajat käyttävät paksuuksia 0,6–2,5 mm.)
Jos joudut valmistamaan ohuempia tai paksumpia piirilevyjä, kuten 0,4 mm:n tai 3,0 mm:n paksuisia levyjä (esimerkiksi 20-kerroksisia levyjä), tästä aiheutuu ylimääräisiä materiaalikustannuksia. Tämä on siis otettava huomioon piirilevyn suunnittelussa.
PCB:n kuparin paksuus ja virrankantokyky
Piirilevyjen suunnittelussa ja valmistuksessa kuparin paksuuden mittayksikkönä käytetään usein OZ:ta. 1 oz:n kuparin paksuus tarkoittaa, että 1 neliötuuman alueella oleva kuparifolio painaa 1 unssin ja sen fyysinen paksuus on noin 35 μm.
Eri paksuisen ja leveän kuparifolion virrankantokyky on esitetty alla:
| Kuparin paksuus | Virta (A) | Leveys (mm) | Virta (A) | Leveys (mm) | Virta (A) | Leveys (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 |
Koska kuparipäällystetyn piirilevyn kuparifolion paksuus on rajallinen, virrankantokyky on otettava huomioon nauhamaisissa kuparijohtimissa, joiden on kuljetettava suurta virtaa. Käytetään esimerkkinä tyypillistä kuparifolion paksuutta 0,03 mm: jos kuparifoliota käytetään nauhamaisena johtimena, jonka leveys on W (mm) ja pituus L (mm), sen vastus on:
Kuparifolion virrankantokyky riippuu myös piirilevylle asennettujen komponenttien tyypistä ja lukumäärästä sekä lämmönpoisto-olosuhteista. Turvallisuussyistä kuparifolion virrankantokyky voidaan yleensä arvioida seuraavan empiirisen kaavan avulla:
Kuinka laskea piirilevyn kuparikaistan leveys ja virta
Menetelmä piirilevyn kupariliuskan leveyden ja sen kuljettaman virran laskemiseksi:
Yleensä piirilevyn kuparifolion paksuus on 35 μm. Kun johtimen leveys on 1 mm, johtimen poikkipinta-ala on 0,035 mm². Yleensä virrantiheydeksi otetaan 30 A/mm², joten jokainen 1 mm:n leveys voi kuljettaa noin 1 A:n virtaa.
IPC-standardissa esitetään myös lämpötilan nousua, kuparin paksuutta ja pinta-alaa A koskevat kaavat:
I = 0,0647(DT^0,4281)(A^0,6732) IPC-D-275:n ulkoisille johtimille
