1. Đồng lá là gì?
Tấm đồng là một tấm kim loại mỏng, liên tục. Đây là vật liệu được mạ điện, loại âm. Tấm đồng được mạ lên bề mặt của bảng mạch in (PCB). Nó hoạt động như một dây dẫn trên bảng mạch. Nó kết dính tốt với các lớp cách điện. Nó có thể được phủ lớp chống hàn và các lớp bảo vệ khác. Sau khi ăn mòn, phần đồng còn lại tạo thành mẫu mạch. Trong giai đoạn sản xuất ban đầu, người ta sử dụng tấm đồng cuộn. Điều đó có nghĩa là các khối đồng được ép phẳng thành các tấm mỏng.
Vậy, độ dày của lá đồng trên bảng mạch in (PCB) là bao nhiêu?
2. Đơn vị đo độ dày đồng: oz
Độ dày đồng trên bảng mạch in (PCB) thường được đo bằng đơn vị ounce (oz). Ounce là một đơn vị đo khối lượng. Mối quan hệ giữa ounce và gram là:
1 oz ≈ 28,35 g.
Trong ngành công nghiệp PCB, 1 oz có nghĩa là trọng lượng của 1 oz đồng được phân bố đều trên 1 foot vuông (ft²). Lớp đồng đó có độ dày nhất định. Độ dày đó khoảng 35 μm. Sử dụng công thức:
1 oz = 28,35 g/ft².
Dưới đây, tôi sẽ trình bày các bước tính toán chi tiết để kết quả được rõ ràng:
- Lấy 1 oz khối lượng: 28,35 g.
- Độ dày của đồng: 8,93 g/cm³.
- 1 ft² = 929,03 cm².
Độ dày (cm) = khối lượng / (độ đặc × diện tích)
= 28,35 / (8,93 × 929,03) cm
= 28,35 / 82.973,558 ≈ 0,00341721 cm.
Chuyển đổi sang micromet (μm): 0,00341721 cm = 0,00341721 × 10.000 μm = 34,17 μm.
Vậy 1 oz lá đồng ≈ 34,17 micromet. Giá trị này thường được làm tròn và trích dẫn là 35 micromet. Trong đơn vị đo lường đế quốc, 34,17 μm = 0,03417 mm. Một mil = 0,0254 mm, do đó độ dày ≈ 1,345 mil. Người ta thường nói 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
3. Các giá trị độ dày đồng thông dụng
Các giá trị độ dày đồng thông dụng được sử dụng trong mạch in (PCB) là:
- 0,5 oz ≈ 17,5 μm
- 1 oz ≈ 35 μm
- 2 oz ≈ 70 μm
- 3 oz ≈ 105 μm
Thông thường, đơn và Bo mạch in hai mặt sử dụng khoảng 35 μm (1 oz) Đồng. Một số bảng mạch sử dụng 50 micromet hoặc 70 micromet Đồng cũng vậy. Đối với bảng mạch đa lớp, các lớp ngoài thường là 35 μm (1 oz). Các lớp bên trong thường là 17,5 μm (0,5 oz).
Bảng đồng dày có giá khởi điểm khoảng 3 ounce và các loại khác. Các bảng mạch này được sử dụng trong các sản phẩm có dòng điện cao hoặc điện áp cao, chẳng hạn như bộ nguồn.
4. Khả năng chịu dòng điện cho các độ dày đồng khác nhau
Dưới đây là bảng tham khảo thực tế thể hiện khả năng chịu dòng điện điển hình của các dải đồng có độ dày và chiều rộng khác nhau. Bảng liệt kê dòng điện (A) và chiều rộng yêu cầu (mm) cho các độ dày của đồng. 70 micromet, 50 micromet, và 35 micromet. Tham số độ dày thử nghiệm trong bảng là t = 10 (đây là giá trị tham khảo mẫu được sử dụng trong bảng nguồn).
Lưu ý: Khi sử dụng lá đồng làm vật dẫn cho dòng điện cao, thường cần điều chỉnh giảm các giá trị trong bảng theo 50% Để đảm bảo an toàn. Điều đó có nghĩa là bạn nên chọn chiều rộng tương ứng với khoảng một nửa dòng điện được liệt kê nếu muốn có biên độ an toàn.
| Dòng điện (A) / Chiều rộng (mm) cho 70 μm | Dòng điện (A) / Chiều rộng (mm) cho 50 μm | Dòng điện (A) / Chiều rộng (mm) cho 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 |
Một lần nữa, hãy chọn một biên an toàn. Một quy tắc phổ biến là giảm các giá trị bảng này đi 50% khi thiết kế cho sản xuất.
5. Một số lưu ý thực tế khác về đồng như một chất dẫn điện
- Nếu bạn sử dụng lá đồng làm dây dẫn dạng dải dài, bạn phải kiểm tra khả năng chịu dòng điện của nó. Ví dụ, lấy độ dày điển hình là 0,03 mm (30 μm). Nếu dải đồng có chiều rộng W (mm) và chiều dài L (mm), điện trở DC có thể được ước tính bằng công thức: R ≈ 0.0005 × L / W (ohm) Công thức này cung cấp một ước tính nhanh cho việc kiểm tra thiết kế.
- Khả năng chịu dòng điện của đồng cũng phụ thuộc vào các linh kiện trên bảng mạch, số lượng và loại linh kiện, cũng như hệ thống làm mát. Do đó, khả năng chịu dòng điện thực tế phụ thuộc cả vào hình dạng của đồng và điều kiện nhiệt độ.
- Một quy tắc thực tế là: Dung lượng dòng điện ≈ 0,15 × W (A). Đây là một ước tính dựa trên kinh nghiệm được sử dụng trong một số trường hợp. Nó đơn giản và thận trọng cho nhiều bo mạch.
6. Ví dụ: diện tích và mật độ dòng điện
Xem xét một trường hợp phổ biến: độ dày của đồng 35 micromet và chiều rộng đường vẽ 1 milimét. Diện tích mặt cắt ngang là:
- Diện tích = độ dày × chiều rộng = 0,035 mm × 1 mm = 0,035 mm².
Nếu bạn sử dụng quy tắc mật độ dòng điện là 30 A/mm², sau đó dòng điện trên mỗi 1 mm chiều rộng ≈ 30 × 0.035 = 1.05 A. Vì vậy, theo quy tắc ngón tay cái, khoảng 1 A trên mỗi mm chiều rộng đường dẫn.
7. Công thức IPC cho độ chính xác cao hơn về dòng điện và sự tăng nhiệt độ
IPC-2152 và IPC-D-275 Cung cấp các mô hình chính xác hơn. Văn bản bao gồm các công thức IPC-D-275 dưới dạng thông dụng:
- Đối với các đường dẫn nội bộ: I = 0.0150 × (ΔT^0.5453) × (A^0.7349)
- Đối với các đường dẫn bên ngoài: I = 0.0647 × (ΔT^0.4281) × (A^0.6732)
Trong các công thức này:
- Dòng điện I được đo bằng ampe.
- ΔT là mức tăng nhiệt độ cho phép tính bằng °C.
- A là diện tích mặt cắt ngang tính bằng mil² (hoặc các đơn vị khác tùy thuộc vào cách bạn áp dụng công thức). Hãy sử dụng các đơn vị nhất quán khi áp dụng các công thức.
Sử dụng phương pháp IPC nếu bạn cần xác định dòng điện cho phép chính xác cho một mức tăng nhiệt độ cụ thể.
8. Độ dày đồng và sự tương thích điện môi
Trong thiết kế PCB, “độ dày đồng — sự tương thích điện môi” có nghĩa là bạn chọn độ dày đồng và điện môi của bảng mạch cùng nhau. Điều này nhằm đáp ứng các yêu cầu về điện, nhiệt và cơ học. Các điểm chính:
8.1 Trọng lượng đồng (độ dày đồng)
- Đơn vị: oz/ft² (ví dụ: 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz).
- 1 oz ≈ 35 μm ≈ 1,35 mil.
- Tác động:
- Dẫn điện: Đồng dày hơn dẫn được dòng điện lớn hơn.
- Mất mát: Ở tần số cao, hiệu ứng da có ảnh hưởng đáng kể. Trong một số trường hợp, sử dụng đồng dày hơn có thể giảm thiểu mất mát trong dây dẫn.
- Nhiệt: Đồng dày hơn giúp tản nhiệt tốt hơn.
- Gravure: Đồng dày hơn làm cho việc khắc chi tiết trở nên khó khăn hơn. Độ rộng tối thiểu của đường vết và khoảng cách có thể tăng lên.
- Chi phí: Đồng dày hơn có giá cao hơn.
8.2 Vật liệu điện môi
Các tính chất điện môi chính:
- Hằng số điện môi (Dk hoặc εr): ảnh hưởng đến tốc độ tín hiệu và trở kháng.
- Hệ số tổn hao (Df): ảnh hưởng đến tổn hao ở tần số cao.
- Độ dày (H): Với độ dày của đồng, H quyết định điện trở và điện dung.
- CTE và Tg: độ tin cậy nhiệt.
Vật liệu thông dụng: FR4 Dùng cho mục đích chung, vật liệu FR4 có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg) và vật liệu cao tần đặc biệt (ví dụ: Rogers).
8.3 Quy tắc khớp
- Để kiểm soát trở kháng, công thức microstrip thông dụng là: Z0 ≈ (87 / √(εr_eff + 1.41)) * ln(5.98H / (0.8W + T)) trong đó Z0 là trở kháng, εr_eff là hằng số điện môi hiệu dụng, H là độ dày vật liệu điện môi, W là chiều rộng đường dẫn, T là độ dày đồng.
- Nếu độ dày của đồng tăng lên, trở kháng sẽ giảm đối với cùng một chiều rộng và độ dày lớp cách điện. Vì vậy, bạn phải tăng chiều rộng hoặc tăng độ dày lớp cách điện để duy trì cùng một trở kháng.
- Đối với tín hiệu tần số cao, độ sâu da là yếu tố quan trọng. Độ dày của đồng nên ít nhất gấp vài lần độ sâu da tại tần số cao nhất cần quan tâm. Đối với tần số rất cao, độ nhám bề mặt cũng là yếu tố quan trọng. Nên sử dụng đồng có độ nhám bề mặt thấp nếu cần giảm thiểu tổn hao.
- Đối với mạch điện áp cao và dòng điện lớn, hãy sử dụng đồng dày hơn (≥ 2 oz) và xem xét sử dụng bảng mạch có lớp cách điện dẫn nhiệt hoặc lõi kim loại để quản lý nhiệt.
8.4 Khả năng sản xuất
- Đồng dày (≥ 3 oz) cần các quy tắc khoảng cách/khoảng cách đường dẫn lớn hơn để tránh các vấn đề ăn mòn.
- Các vật liệu cách điện mỏng đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ độ dày của đồng. Sự biến đổi về độ dày ảnh hưởng đến trở kháng.
9. Bảng chọn (hướng dẫn nhanh)
| Trường hợp sử dụng | Khối lượng đồng khuyến nghị | Vật liệu điện môi được khuyến nghị | Lý do khớp |
|---|---|---|---|
| Tốc độ cao kỹ thuật số (>5 Gbps) | 0,5 oz – 1 oz | FR4 có hệ số giãn nở nhiệt thấp (low-Df) / Rogers RO4000 | Định tuyến chính xác, tổn hao thấp, kiểm soát trở kháng dễ dàng hơn. |
| Mô-đun nguồn / dòng điện cao | 2 oz – 6 oz trở lên | FR4 Vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg) và độ dẫn nhiệt cao | Khả năng chịu dòng điện cao hơn và khả năng tản nhiệt tốt hơn. |
| Tần số vô tuyến / vi sóng (>10 GHz) | 0,5 oz (độ nhám thấp) | Rogers RO3000 / Teflon (PTFE) | Mất mát cực thấp và hiệu ứng bề mặt được tối ưu hóa cho RF. |
| Thiết bị điện tử tiêu dùng | 1 ounce | FR4 tiêu chuẩn | Chi phí hợp lý và quy trình đã được hoàn thiện. |
| Bo mạch HDI mật độ cao | 0,5 oz – 1 oz | Vật liệu FR4 có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg) và hệ số giãn nở nhiệt thấp (low-CTE) | Dấu vết mịn và hiệu suất laser đáng tin cậy. |
10. Lời khuyên thực tế
- Trước tiên, hãy nêu rõ các yêu cầu của bạn: dòng điện, tốc độ tín hiệu, trở kháng, nhiệt độ.
- Xây dựng kế hoạch với các công cụ phù hợp.
- Thực hiện mô phỏng trở kháng với hằng số điện môi (Dk) của vật liệu và độ dày của đồng.
- Hỏi nhà sản xuất bảng mạch về độ dày đồng cho phép và các tùy chọn cách điện.
- Đối với các trường hợp có tần số cao, hãy đo các thông số Dk và Df của vật liệu nếu có thể.
Lưu ý: Trọng lượng đồng danh nghĩa (ví dụ: 1 oz) là độ dày ban đầu trước khi ăn mòn. Sau khi ăn mòn, đường dẫn có thể có các cạnh thu hẹp. Để kiểm tra trở kháng thực tế, hãy sử dụng độ dày trung bình hoặc hướng dẫn của nhà sản xuất bảng mạch.
