أولاً، فهم: لماذا تختار لوحة PCB نحاسية سميكة؟ (مقدمة لمدة 30 ثانية)
لوحات PCB النحاسية السميكة، ببساطة، هي لوحات دوائر كهربائية بسماكة رقائق نحاسية ≥ 3 أوقية (1 أوقية ≈ 35 ميكرومتر). توجد عادةً في سيناريوهات "الطاقة العالية، تبديد الحرارة العالية" مثل إمدادات الطاقة الصناعية، والمركبات الجديدة للطاقة، والمعدات الطبية - على سبيل المثال، تحتاج أكوام شحن المركبات الجديدة للطاقة إلى تحمل اندفاعات التيار العالية. الألواح النحاسية الرقيقة العادية عرضة لارتفاع درجة الحرارة والاحتراق. يعمل النحاس السميك كـ "طريق سريع في الدائرة"، حيث يبدد التيار والحرارة بسرعة، ويحسن أيضًا القوة الميكانيكية للوحة الدائرة (مقاومة الانحناء، مقاومة الاهتزاز). ومع ذلك، فإن النحاس السميك ليس "كلما كان أكثر سمكًا كان أفضل". يمكن أن يؤدي التصميم غير السليم إلى مشاكل مثل "تبديد الحرارة غير المتكافئ، واللحام الضعيف، وارتفاع التكاليف". هذه هي القضية الأساسية التي سنركز عليها اليوم: كيف نلبي متطلبات الأداء مع ضمان إمكانية التصنيع (DFM)؟
ثانيًا، اعتبارات رئيسية لتصميم لوحات PCB النحاسية السميكة (الخطوة الأولى لتجنب المخاطر)
1. اختيار سماكة الرقائق النحاسية: لا تتبع بشكل أعمى "كلما كان أكثر سمكًا كان أفضل". المبدأ الأساسي: يحدد تصنيف التيار سمك النحاس. صيغة مبسطة هي: التيار المسموح به (A) ≈ سمك الرقائق النحاسية (أوقية) × عرض المسار (مم) × 0.8 (درجة الحرارة المحيطة ≤40 درجة مئوية). مثال: يمكن لرقائق نحاسية 3 أوقية + مسار بعرض 3 مم تحمل ما يقرب من 7.2 أمبير من التيار، وهو ما يكفي لمعظم سيناريوهات إمداد الطاقة الصناعية. الخطر: يمكن أن يتسبب النحاس الذي يتجاوز 10 أوقية في انحناء لوحة PCB وصعوبات في الحفر. ما لم تكن هناك متطلبات خاصة (مثل معدات الفضاء)، أعط الأولوية لمواصفات 3-6 أوقية السائدة.
2. تصميم المسار: تجنب "تسخين الرقبة الضيقة" وضمان تدفق التيار السلس. عرض المسار: يجب ألا تكون المسارات النحاسية السميكة ضيقة جدًا! بالنسبة للرقائق النحاسية 3 أوقية، يوصى بحد أدنى لعرض المسار ≥0.3 مم (0.1 مم يكفي للنحاس الرقيق العادي). يجب أن يزداد العرض بما يتناسب مع التيار (على سبيل المثال، بالنسبة للرقائق النحاسية 6 أوقية التي تحمل تيارًا 10 أمبير، يوصى بالعرض ≥5 مم).
انتقال المسار: تجنب التضييق/التوسيع المفاجئ (على سبيل المثال، الانخفاض المفاجئ من 5 مم إلى 1 مم). استخدم "انتقالًا تدريجيًا" (الطول ≥ 3 أضعاف الفرق في العرض)، وإلا سيتشكل "عنق زجاجة التيار"، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة الموضعية والاحتراق. تحسين تبديد الحرارة: تحت الأجهزة عالية الطاقة (مثل MOSFETs)، استخدم "الطلاء النحاسي + الفتحات الحرارية" (قطر الفتحة 0.8-1.2 مم، تباعد 2-3 مم) للسماح للحرارة بالتوصيل بسرعة إلى مستوى الأرض/الطاقة.
3. تصميم الفتحة: "عيب قاتل" للألواح النحاسية السميكة - انتبه جيدًا! قطر الفتحة: يجب أن تتطابق الطبقة النحاسية على جدار الفتحة للوحة النحاسية السميكة مع سمك الرقائق النحاسية. قطر الفتحة القياسي 0.4 مم غير كافٍ لطلاء رقائق نحاسية 3 أوقية. يوصى بحد أدنى لقطر الفتحة ≥0.8 مم (بسمك جدار نحاسي ≥20 ميكرومتر).
عدد الفتحات: لا تستخدم فتحة واحدة على مسارات التيار العالي! على سبيل المثال، إذا كانت رقائق نحاسية 3 أوقية تحمل تيارًا 5 أمبير، فمن المستحسن استخدام 2-3 فتحات بالتوازي (يمكن لكل فتحة أن تتحمل ما يقرب من 2-3 أمبير من التيار) لمنع الفتحة من ارتفاع درجة الحرارة والذوبان.
فتح قناع اللحام: يجب توفير فتحات كافية لقناع اللحام (0.2-0.3 مم أكبر من قطر الفتحة) حول الفتحة لمنع اللحام من سد الفتحة أثناء اللحام، مما يؤثر على تبديد الحرارة والتوصيل.
ثالثًا، تصميم DFM للوحات PCB النحاسية السميكة: تمكين المصانع من "الإنتاج بأقل إعادة عمل"
جوهر DFM (تصميم التصنيع) هو "يجب أن يتكيف التصميم مع عمليات التصنيع". يركز DFM للوحات PCB النحاسية السميكة على حل "تحديات العملية التي تسببها النحاس السميك":
1. النقش على الرقائق النحاسية: تجنب النقش غير المتكافئ. الحد الأدنى لعرض الخط/التباعد: بالنسبة للرقائق النحاسية 3 أوقية، الحد الأدنى لعرض الخط ≥ 0.3 مم، والحد الأدنى لتباعد الخطوط ≥ 0.3 مم (0.1 مم يكفي للنحاس الرقيق)؛ بالنسبة للرقائق النحاسية 6 أوقية، يوصى بعرض خط/تباعد ≥ 0.4 مم، وإلا فمن المحتمل حدوث "عرض خط غير دقيق" و "دوائر قصيرة" أثناء النقش.
2. وضع النحاس مع الفتحات: لوضع النحاس على مساحة كبيرة، استخدم "وضع النحاس الشبكي" (تباعد الشبكة 2-3 مم، عرض الخط 0.2-0.3 مم) لتجنب انكماش الرقائق النحاسية أثناء النقش، مما قد يتسبب في انحناء لوحة PCB؛ إذا كان وضع النحاس الصلب مطلوبًا، فيجب حجز "فتحات تبديد الحرارة" (عرض 0.5 مم، تباعد 10-15 مم).
2. عملية التصفيح: لمنع "التقشر والفقاعات"، يجب أن يكون تسلسل التصفيح كما يلي: يجب وضع الرقائق النحاسية السميكة على "الطبقة الخارجية" أو "بالقرب من الطبقة الخارجية" لتجنب وضعها في المنتصف ومنع تبديد الحرارة؛ يجب أن يكون سمك الرقائق النحاسية للوحة متعددة الطبقات متماثلًا (على سبيل المثال، 3 أوقية للطبقة العلوية و 3 أوقية للطبقة السفلية)، وإلا سيحدث التواء بعد التصفيح. اختيار الركيزة: أعط الأولوية للركائز ذات درجة حرارة التحول الزجاجي العالية (Tg≥170 درجة مئوية)، مثل ركائز FR-4 Tg170 أو PI، لتجنب تليين الركيزة والتقشر أثناء اللحام بدرجة حرارة عالية (عادةً ما تكون درجة حرارة اللحام للألواح النحاسية السميكة أعلى بمقدار 10-20 درجة مئوية من درجة حرارة النحاس الرقيق).
3. عملية اللحام: اختيار الأجهزة ذات "التوصيل الحراري العالي" المناسبة للنحاس السميك: أعط الأولوية لـ "الحزم عالية الطاقة" (مثل TO-220، D2PAK) لتجنب لحام الأجهزة الصغيرة المعبأة على النحاس السميك، حيث لا يمكن للحرارة أن تتبدد وسوف يذوب اللحام. تصميم الوسادة: يجب أن تكون الوسادات الموجودة على النحاس السميك أكبر بمقدار 0.2-0.3 مم من الوسادات العادية. على سبيل المثال، عادةً ما تكون وسادات المقاوم 0805 0.8×1.2 مم، ولكن بالنسبة للنحاس السميك، يوصى باستخدام 1.0×1.5 مم لضمان وصلة لحام قوية. معلمات اللحام بالتدفق الانعكاسي: يمتص النحاس السميك حرارة أكبر، لذلك يجب زيادة درجة حرارة اللحام بالتدفق الانعكاسي بشكل مناسب (أعلى بمقدار 5-10 درجة مئوية من النحاس الرقيق)، وتمديد وقت الاحتفاظ بمقدار 10-15 ثانية لتجنب "وصلات اللحام الباردة."
4. التحكم في التكاليف: القيمة الخفية لـ DFM (تصميم التصنيع) - تجنب الإفراط في التصميم: على سبيل المثال، استخدم رقائق نحاسية 1-2 أوقية في المناطق التي لا تتطلب تيارًا عاليًا، واستخدم النحاس السميك فقط في المسارات الحرجة لتقليل تكاليف المواد؛ الأبعاد الموحدة: استخدم سماكات اللوحة القياسية للمصنع (على سبيل المثال، 1.6 مم، 2.0 مم) قدر الإمكان. ستزيد سماكات اللوحة الخاصة (على سبيل المثال، 3.0 مم وما فوق) من صعوبة المعالجة والتكلفة؛ الاتصال المبكر: قم بتأكيد قدرات العملية مع الشركة المصنعة للوحة PCB قبل التصميم (على سبيل المثال، أقصى سمك للنحاس، الحد الأدنى لقطر الفتحة، دقة النقش) لتجنب التصميمات التي لا يمكن تصنيعها بعد الاكتمال.
رابعًا، الملخص:
تصميم لوحة PCB النحاسية السميكة: "3 عناصر أساسية"
مطابقة سمك النحاس للتيار: تجنب زيادة السمك بشكل أعمى؛ حدد المواصفات السائدة 3-6 أوقية وفقًا لمتطلبات التيار؛ تخفيف المخاطر من خلال التفاصيل: انتقالات المسار التدريجي، الفتحات المتوازية، وعرض/تباعد المسار المتوافق؛ أولوية DFM: ضع في اعتبارك عمليات النقش والتصفيح واللحام أثناء التصميم لتقليل إعادة العمل. قد يبدو تصميم لوحة PCB النحاسية السميكة معقدًا، ولكن من خلال فهم العنصرين الأساسيين "لتوصيل التيار" و "توافق العملية"، يمكن تجنب معظم المخاطر.
أولاً، فهم: لماذا تختار لوحة PCB نحاسية سميكة؟ (مقدمة لمدة 30 ثانية)
لوحات PCB النحاسية السميكة، ببساطة، هي لوحات دوائر كهربائية بسماكة رقائق نحاسية ≥ 3 أوقية (1 أوقية ≈ 35 ميكرومتر). توجد عادةً في سيناريوهات "الطاقة العالية، تبديد الحرارة العالية" مثل إمدادات الطاقة الصناعية، والمركبات الجديدة للطاقة، والمعدات الطبية - على سبيل المثال، تحتاج أكوام شحن المركبات الجديدة للطاقة إلى تحمل اندفاعات التيار العالية. الألواح النحاسية الرقيقة العادية عرضة لارتفاع درجة الحرارة والاحتراق. يعمل النحاس السميك كـ "طريق سريع في الدائرة"، حيث يبدد التيار والحرارة بسرعة، ويحسن أيضًا القوة الميكانيكية للوحة الدائرة (مقاومة الانحناء، مقاومة الاهتزاز). ومع ذلك، فإن النحاس السميك ليس "كلما كان أكثر سمكًا كان أفضل". يمكن أن يؤدي التصميم غير السليم إلى مشاكل مثل "تبديد الحرارة غير المتكافئ، واللحام الضعيف، وارتفاع التكاليف". هذه هي القضية الأساسية التي سنركز عليها اليوم: كيف نلبي متطلبات الأداء مع ضمان إمكانية التصنيع (DFM)؟
ثانيًا، اعتبارات رئيسية لتصميم لوحات PCB النحاسية السميكة (الخطوة الأولى لتجنب المخاطر)
1. اختيار سماكة الرقائق النحاسية: لا تتبع بشكل أعمى "كلما كان أكثر سمكًا كان أفضل". المبدأ الأساسي: يحدد تصنيف التيار سمك النحاس. صيغة مبسطة هي: التيار المسموح به (A) ≈ سمك الرقائق النحاسية (أوقية) × عرض المسار (مم) × 0.8 (درجة الحرارة المحيطة ≤40 درجة مئوية). مثال: يمكن لرقائق نحاسية 3 أوقية + مسار بعرض 3 مم تحمل ما يقرب من 7.2 أمبير من التيار، وهو ما يكفي لمعظم سيناريوهات إمداد الطاقة الصناعية. الخطر: يمكن أن يتسبب النحاس الذي يتجاوز 10 أوقية في انحناء لوحة PCB وصعوبات في الحفر. ما لم تكن هناك متطلبات خاصة (مثل معدات الفضاء)، أعط الأولوية لمواصفات 3-6 أوقية السائدة.
2. تصميم المسار: تجنب "تسخين الرقبة الضيقة" وضمان تدفق التيار السلس. عرض المسار: يجب ألا تكون المسارات النحاسية السميكة ضيقة جدًا! بالنسبة للرقائق النحاسية 3 أوقية، يوصى بحد أدنى لعرض المسار ≥0.3 مم (0.1 مم يكفي للنحاس الرقيق العادي). يجب أن يزداد العرض بما يتناسب مع التيار (على سبيل المثال، بالنسبة للرقائق النحاسية 6 أوقية التي تحمل تيارًا 10 أمبير، يوصى بالعرض ≥5 مم).
انتقال المسار: تجنب التضييق/التوسيع المفاجئ (على سبيل المثال، الانخفاض المفاجئ من 5 مم إلى 1 مم). استخدم "انتقالًا تدريجيًا" (الطول ≥ 3 أضعاف الفرق في العرض)، وإلا سيتشكل "عنق زجاجة التيار"، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة الموضعية والاحتراق. تحسين تبديد الحرارة: تحت الأجهزة عالية الطاقة (مثل MOSFETs)، استخدم "الطلاء النحاسي + الفتحات الحرارية" (قطر الفتحة 0.8-1.2 مم، تباعد 2-3 مم) للسماح للحرارة بالتوصيل بسرعة إلى مستوى الأرض/الطاقة.
3. تصميم الفتحة: "عيب قاتل" للألواح النحاسية السميكة - انتبه جيدًا! قطر الفتحة: يجب أن تتطابق الطبقة النحاسية على جدار الفتحة للوحة النحاسية السميكة مع سمك الرقائق النحاسية. قطر الفتحة القياسي 0.4 مم غير كافٍ لطلاء رقائق نحاسية 3 أوقية. يوصى بحد أدنى لقطر الفتحة ≥0.8 مم (بسمك جدار نحاسي ≥20 ميكرومتر).
عدد الفتحات: لا تستخدم فتحة واحدة على مسارات التيار العالي! على سبيل المثال، إذا كانت رقائق نحاسية 3 أوقية تحمل تيارًا 5 أمبير، فمن المستحسن استخدام 2-3 فتحات بالتوازي (يمكن لكل فتحة أن تتحمل ما يقرب من 2-3 أمبير من التيار) لمنع الفتحة من ارتفاع درجة الحرارة والذوبان.
فتح قناع اللحام: يجب توفير فتحات كافية لقناع اللحام (0.2-0.3 مم أكبر من قطر الفتحة) حول الفتحة لمنع اللحام من سد الفتحة أثناء اللحام، مما يؤثر على تبديد الحرارة والتوصيل.
ثالثًا، تصميم DFM للوحات PCB النحاسية السميكة: تمكين المصانع من "الإنتاج بأقل إعادة عمل"
جوهر DFM (تصميم التصنيع) هو "يجب أن يتكيف التصميم مع عمليات التصنيع". يركز DFM للوحات PCB النحاسية السميكة على حل "تحديات العملية التي تسببها النحاس السميك":
1. النقش على الرقائق النحاسية: تجنب النقش غير المتكافئ. الحد الأدنى لعرض الخط/التباعد: بالنسبة للرقائق النحاسية 3 أوقية، الحد الأدنى لعرض الخط ≥ 0.3 مم، والحد الأدنى لتباعد الخطوط ≥ 0.3 مم (0.1 مم يكفي للنحاس الرقيق)؛ بالنسبة للرقائق النحاسية 6 أوقية، يوصى بعرض خط/تباعد ≥ 0.4 مم، وإلا فمن المحتمل حدوث "عرض خط غير دقيق" و "دوائر قصيرة" أثناء النقش.
2. وضع النحاس مع الفتحات: لوضع النحاس على مساحة كبيرة، استخدم "وضع النحاس الشبكي" (تباعد الشبكة 2-3 مم، عرض الخط 0.2-0.3 مم) لتجنب انكماش الرقائق النحاسية أثناء النقش، مما قد يتسبب في انحناء لوحة PCB؛ إذا كان وضع النحاس الصلب مطلوبًا، فيجب حجز "فتحات تبديد الحرارة" (عرض 0.5 مم، تباعد 10-15 مم).
2. عملية التصفيح: لمنع "التقشر والفقاعات"، يجب أن يكون تسلسل التصفيح كما يلي: يجب وضع الرقائق النحاسية السميكة على "الطبقة الخارجية" أو "بالقرب من الطبقة الخارجية" لتجنب وضعها في المنتصف ومنع تبديد الحرارة؛ يجب أن يكون سمك الرقائق النحاسية للوحة متعددة الطبقات متماثلًا (على سبيل المثال، 3 أوقية للطبقة العلوية و 3 أوقية للطبقة السفلية)، وإلا سيحدث التواء بعد التصفيح. اختيار الركيزة: أعط الأولوية للركائز ذات درجة حرارة التحول الزجاجي العالية (Tg≥170 درجة مئوية)، مثل ركائز FR-4 Tg170 أو PI، لتجنب تليين الركيزة والتقشر أثناء اللحام بدرجة حرارة عالية (عادةً ما تكون درجة حرارة اللحام للألواح النحاسية السميكة أعلى بمقدار 10-20 درجة مئوية من درجة حرارة النحاس الرقيق).
3. عملية اللحام: اختيار الأجهزة ذات "التوصيل الحراري العالي" المناسبة للنحاس السميك: أعط الأولوية لـ "الحزم عالية الطاقة" (مثل TO-220، D2PAK) لتجنب لحام الأجهزة الصغيرة المعبأة على النحاس السميك، حيث لا يمكن للحرارة أن تتبدد وسوف يذوب اللحام. تصميم الوسادة: يجب أن تكون الوسادات الموجودة على النحاس السميك أكبر بمقدار 0.2-0.3 مم من الوسادات العادية. على سبيل المثال، عادةً ما تكون وسادات المقاوم 0805 0.8×1.2 مم، ولكن بالنسبة للنحاس السميك، يوصى باستخدام 1.0×1.5 مم لضمان وصلة لحام قوية. معلمات اللحام بالتدفق الانعكاسي: يمتص النحاس السميك حرارة أكبر، لذلك يجب زيادة درجة حرارة اللحام بالتدفق الانعكاسي بشكل مناسب (أعلى بمقدار 5-10 درجة مئوية من النحاس الرقيق)، وتمديد وقت الاحتفاظ بمقدار 10-15 ثانية لتجنب "وصلات اللحام الباردة."
4. التحكم في التكاليف: القيمة الخفية لـ DFM (تصميم التصنيع) - تجنب الإفراط في التصميم: على سبيل المثال، استخدم رقائق نحاسية 1-2 أوقية في المناطق التي لا تتطلب تيارًا عاليًا، واستخدم النحاس السميك فقط في المسارات الحرجة لتقليل تكاليف المواد؛ الأبعاد الموحدة: استخدم سماكات اللوحة القياسية للمصنع (على سبيل المثال، 1.6 مم، 2.0 مم) قدر الإمكان. ستزيد سماكات اللوحة الخاصة (على سبيل المثال، 3.0 مم وما فوق) من صعوبة المعالجة والتكلفة؛ الاتصال المبكر: قم بتأكيد قدرات العملية مع الشركة المصنعة للوحة PCB قبل التصميم (على سبيل المثال، أقصى سمك للنحاس، الحد الأدنى لقطر الفتحة، دقة النقش) لتجنب التصميمات التي لا يمكن تصنيعها بعد الاكتمال.
رابعًا، الملخص:
تصميم لوحة PCB النحاسية السميكة: "3 عناصر أساسية"
مطابقة سمك النحاس للتيار: تجنب زيادة السمك بشكل أعمى؛ حدد المواصفات السائدة 3-6 أوقية وفقًا لمتطلبات التيار؛ تخفيف المخاطر من خلال التفاصيل: انتقالات المسار التدريجي، الفتحات المتوازية، وعرض/تباعد المسار المتوافق؛ أولوية DFM: ضع في اعتبارك عمليات النقش والتصفيح واللحام أثناء التصميم لتقليل إعادة العمل. قد يبدو تصميم لوحة PCB النحاسية السميكة معقدًا، ولكن من خلال فهم العنصرين الأساسيين "لتوصيل التيار" و "توافق العملية"، يمكن تجنب معظم المخاطر.
