Thông thường, độ dày của một bảng mạch in (PCB) tiêu chuẩn sau khi hoàn thiện nằm trong khoảng từ 0,8 mm đến 1,6 mm. Độ dày mặc định phổ biến nhất của bảng mạch là 1,6 mm (khoảng 63 mil). Nhiều tiêu chuẩn về đầu nối cũng được thiết kế dành cho kích thước 1,6 mm này. Vậy tiêu chuẩn độ dày này đã ra đời như thế nào?
Giai đoạn đầu của ngành công nghiệp PCB
Nhìn lại lịch sử phát triển của PCB, chúng ta có thể thấy rằng trong thời kỳ ống chân không, ngành công nghiệp PCB vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Do ống chân không tỏa ra rất nhiều nhiệt, nên chúng có kích thước lớn và không dễ lắp đặt lên bảng mạch in. Chúng cũng đòi hỏi một mức độ độ bền cơ học nhất định. Vào thời điểm đó, các sản phẩm điện tử chủ yếu được lắp ráp bằng tay.
Trong Vật liệu nền PCB, điều này cũng liên quan đến sự phát triển của nhựa epoxy dùng làm chất nền cho bảng mạch in (PCB). Vào thời điểm đó, các vật liệu nền PCB, lá đồng và các quy trình sản xuất liên quan khác vẫn chưa được đưa vào sản xuất công nghiệp.
Vào những năm 1920, các nhà thiết kế mạch điện đã chế tạo các bảng mạch từ bakelite (nhựa phenolic), tấm thạch cao, bìa cứng và thậm chí cả các tấm gỗ mỏng. Những tấm bảng này trông tương tự như bảng mạch in hoặc bảng thử nghiệm. Họ khoan lỗ trên vật liệu, sau đó sử dụng đinh tán hoặc bu-lông để gắn các dây đồng phẳng vào bảng và tạo thành mạch kết nối.
Vào những năm 1920, chiếc radio TRF do Signal sản xuất được chế tạo với một bảng mạch thử nghiệm bằng gỗ.
Sự ra đời và phổ biến của nhựa phenolic
Trong số các loại nhựa này, bakelite lần đầu tiên được tổng hợp vào năm 1872 bởi nhà hóa học người Đức Adolf von Baeyer (1835–1917). Năm 1907, nhà hóa học người Mỹ Leo Hendrik Baekeland (1863–1944) đã cải tiến quy trình sản xuất nhựa phenolic và biến nó thành một vật liệu thực tiễn và có thể ứng dụng trong công nghiệp. Năm 1910, ông thành lập Công ty General Bakelite và đặt tên cho vật liệu này là “Bakelite.”
Vào đầu thế kỷ 20, dựa trên loại nhựa phenolic của Baekeland, việc sản xuất công nghiệp nhựa phenolic đã được bắt đầu tại Đức, Anh, Pháp, Nhật Bản và các quốc gia khác. Nhựa phenolic cũng bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các núm điều khiển radio, bàn xoay đĩa, bảng mạch (không phải bảng mạch in) và vỏ sản phẩm.
Vật liệu laminate phenolic đã thúc đẩy sự phát triển của PCB
Năm 1927, vật liệu laminate do Formica sản xuất đã được ứng dụng trong các thiết bị radio gia dụng và radio hàng hải. Cùng năm đó, Formica đã tìm ra cách thêm giấy trang trí bằng quy trình in thạch bản, nhờ đó tấm laminate có thể được sản xuất với vân gỗ và hoa văn đá cẩm thạch. Khi tấm laminate trở nên đa dạng về màu sắc và trang trí hơn, nhiều bàn làm việc cũng sử dụng tấm laminate phenolic làm vật liệu bề mặt.
Tấm laminate phenolic là một vật liệu polymer có độ bền cao và khả năng cách điện tốt. Loại vật liệu này còn có khả năng chịu nhiệt, chống thấm nước, chống hóa chất và khả năng dẫn dòng điện tương đối lớn. Mặc dù ban đầu nó không được thiết kế dành cho bảng mạch điện tử, nhưng độ bền cơ học của nó vượt trội hơn hẳn so với tấm thạch cao, bìa cứng và các tấm gỗ mỏng. Do đó, nó dần trở thành vật liệu nền quan trọng cho các bảng mạch điện tử.
Tuy nhiên, trên tấm laminate phenolic, việc khoan lỗ và kết nối các linh kiện điện tử vẫn rất khó khăn, và điều này thậm chí còn phức tạp hơn so với việc sử dụng bảng thử nghiệm (breadboard). Sau đó, người ta đã phát minh ra phương pháp dán lá đồng lên bề mặt tấm laminate phenolic và khắc các đường mạch. Năm 1913, nhà phát minh người Anh Bury đã phát triển một quy trình phủ một lớp chất chống ăn mòn lên lá kim loại, sau đó tạo ra các mạch dẫn điện bằng cách ăn mòn. Điều này được coi là nền tảng quan trọng của ngành sản xuất PCB hiện đại.
Khi nhu cầu kết nối giữa các bo mạch ngày càng tăng, các đầu nối bo mạch cũng ra đời.
Tiêu chuẩn độ dày tấm 1,6 mm ra đời như thế nào
Vào thời điểm đó, tấm laminate nhựa phenolic được sử dụng rộng rãi với độ dày 1/16 inch (khoảng 63 mil, hoặc 1,6 mm). Do đó, các loại đầu nối giữa các bảng mạch, khe cắm và các sản phẩm liên quan ban đầu cũng được thiết kế dựa trên độ dày bảng mạch khoảng 1/16 inch.
Khi chuỗi cung ứng không ngừng được cải thiện, một hệ thống tiêu chuẩn hoàn chỉnh đã hình thành xoay quanh kích thước 1/16 inch (khoảng 1,6 mm). Ngay cả khi vật liệu và quy trình sản xuất PCB đã thay đổi đáng kể, độ dày 1,6 mm của bảng mạch vẫn được duy trì và dần dần trở thành độ dày tiêu chuẩn mặc định trong ngành công nghiệp PCB.
Các tiêu chuẩn hiện đại về độ dày của bảng mạch in (PCB)
Ngày nay, các loại vật liệu nền đã đa dạng hơn rất nhiều, nhưng 1,6 mm (hoặc 63 mil) vẫn là độ dày tiêu chuẩn của bảng mạch hoàn thiện
được nhiều nhà máy sản xuất PCB sử dụng. Phạm vi độ dày tiêu chuẩn cũng đã được mở rộng từ 0,8 mm đến 1,6 mm.
(Vui lòng tuân theo tiêu chuẩn riêng của nhà máy sản xuất bảng mạch. Một số nhà máy sử dụng độ dày từ 0,6 mm đến 2,5 mm.)
Nếu bạn cần sản xuất các bảng mạch in (PCB) mỏng hơn hoặc dày hơn, chẳng hạn như bảng mạch dày 0,4 mm hoặc 3,0 mm (ví dụ: bảng mạch 20 lớp), sẽ phát sinh chi phí vật liệu bổ sung. Do đó, điều này cần được tính đến trong quá trình thiết kế PCB.
Độ dày đồng trên bảng mạch in (PCB) và khả năng dẫn dòng điện
Trong thiết kế và sản xuất PCB, OZ thường được sử dụng làm đơn vị đo độ dày đồng. Độ dày đồng 1 oz có nghĩa là tấm đồng trên diện tích 1 inch vuông có trọng lượng 1 ounce, và độ dày thực tế là khoảng 35 μm.
Khả năng dẫn điện của lá đồng có các độ dày và chiều rộng khác nhau được trình bày dưới đây:
| Độ dày của đồng | Dòng điện (A) | Chiều rộng (mm) | Dòng điện (A) | Chiều rộng (mm) | Dòng điện (A) | Chiều rộng (mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 70 micromet | 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 |
Do lá đồng trên bảng mạch phủ đồng có độ dày hạn chế, nên cần phải xem xét khả năng dẫn dòng điện đối với các đường dẫn đồng dạng dải cần dẫn dòng điện lớn. Lấy độ dày lá đồng điển hình là 0,03 mm làm ví dụ, nếu lá đồng được sử dụng làm dây dẫn dạng dải có chiều rộng W (mm) và chiều dài L (mm), điện trở của nó là:
Khả năng dẫn dòng điện của lá đồng còn phụ thuộc vào loại và số lượng linh kiện được lắp trên bảng mạch in (PCB), cũng như vào điều kiện tản nhiệt. Để đảm bảo an toàn, khả năng dẫn dòng điện của lá đồng thường có thể được ước tính bằng công thức kinh nghiệm sau:
Cách tính chiều rộng đồng và cường độ dòng điện trên PCB
Phương pháp tính toán chiều rộng lớp đồng trên bảng mạch in (PCB) và cường độ dòng điện đi qua lớp đó:
Thông thường, độ dày lá đồng trên bảng mạch in (PCB) là 35 μm. Khi chiều rộng đường dẫn là 1 mm, diện tích mặt cắt ngang của đường dẫn là 0,035 mm². Thông thường, mật độ dòng điện được lấy là 30 A/mm², do đó mỗi 1 mm chiều rộng đường dẫn có thể dẫn được khoảng 1 A.
Tiêu chuẩn IPC cũng đưa ra các công thức liên quan đến sự tăng nhiệt độ, độ dày đồng và diện tích A:
I = 0,0647(DT⁰,⁴²⁸¹)(A⁰,⁶⁷³²) đối với các đường dẫn bên ngoài theo tiêu chuẩn IPC-D-275
