I. Сначала разберемся: Зачем выбирать толстую медную печатную плату? (Введение на 30 секунд)

Толстые медные печатные платы, проще говоря, это печатные платы с толщиной медной фольги ≥ 3 унции (1 унция ≈ 35μм). Они обычно встречаются в сценариях «высокой мощности, высокой теплоотдачи», таких как промышленные источники питания, новые энергетические транспортные средства и медицинское оборудование — например, зарядные сваи для новых энергетических транспортных средств должны выдерживать большие скачки тока. Обычные тонкие медные платы склонны к перегреву и выгоранию. Толстая медь действует как «шоссе в цепи», быстро рассеивая ток и тепло, а также улучшая механическую прочность печатной платы (устойчивость к изгибу, устойчивость к вибрации). Однако толстая медь — это не «чем толще, тем лучше». Неправильный дизайн может привести к таким проблемам, как «неравномерное рассеивание тепла, плохая пайка и рост затрат». Это основная проблема, на которой мы сосредоточимся сегодня: как соответствовать требованиям к производительности, обеспечивая при этом технологичность (DFM)?

II. Ключевые соображения при проектировании толстых медных печатных плат (первый шаг к избежанию ловушек)

1. Выбор толщины медной фольги: Не слепо гонитесь за «чем толще, тем лучше». Основной принцип: номинальный ток определяет толщину меди. Упрощенная формула: Допустимый ток (А) ≈ Толщина медной фольги (унции) × Ширина трассы (мм) × 0,8 (Температура окружающей среды ≤40℃). Пример: медная фольга 3 унции + трасса шириной 3 мм может выдерживать приблизительно 7,2 А тока, что достаточно для большинства промышленных источников питания. Подводный камень: медь толщиной более 10 унций может вызвать изгиб печатной платы и трудности при сверлении. Если нет особых требований (например, аэрокосмическое оборудование), отдавайте предпочтение основным спецификациям 3-6 унций.

2. Дизайн трасс: Избегайте «нагрева узкой горловины» и обеспечивайте плавный поток тока. Ширина трассы: Толстые медные трассы не должны быть слишком узкими! Для медной фольги 3 унции минимальная рекомендуемая ширина трассы ≥0,3 мм (0,1 мм достаточно для обычной тонкой меди). Ширина должна увеличиваться пропорционально току (например, для медной фольги 6 унций, несущей ток 10 А, рекомендуемая ширина ≥5 мм).

Переход трассы: Избегайте резкого сужения/расширения (например, резкого падения с 5 мм до 1 мм). Используйте «плавный переход» (длина ≥ 3 раза больше разницы в ширине), в противном случае образуется «узкое место тока», вызывающее локальный перегрев и выгорание. Оптимизация теплоотвода: Под устройствами высокой мощности (например, MOSFET) используйте «меднение + тепловые переходы» (диаметр перехода 0,8-1,2 мм, расстояние 2-3 мм), чтобы тепло быстро отводилось к плоскости земли/питания.

3. Конструкция переходов: «Фатальный недостаток» толстых медных плат — обратите пристальное внимание! Диаметр перехода: Медный слой на стенке перехода толстой медной платы должен соответствовать толщине медной фольги. Стандартный диаметр перехода 0,4 мм недостаточен для меднения медной фольги 3 унции. Рекомендуется минимальный диаметр перехода ≥0,8 мм (с толщиной медной стенки ≥20μм).

Количество переходов: Не используйте один переход на путях с высоким током! Например, если медная фольга 3 унции несет ток 5 А, рекомендуется использовать 2-3 перехода параллельно (каждый переход может выдерживать приблизительно 2-3 А тока), чтобы предотвратить перегрев и плавление перехода.

Открытие паяльной маски: Вокруг перехода следует предусмотреть достаточные отверстия паяльной маски (на 0,2-0,3 мм больше диаметра перехода), чтобы предотвратить засорение перехода при пайке, что повлияет на теплоотвод и проводимость.

III. DFM-дизайн для толстых медных печатных плат: предоставление фабрикам возможности «производить с меньшим количеством доработок»

Суть DFM (Design for Manufacturability) заключается в том, что «дизайн должен адаптироваться к производственным процессам». DFM для толстых медных печатных плат фокусируется на решении «технологических проблем, вызванных толстой медью»:

1. Травление медной фольги: Избежание неравномерного травления. Минимальная ширина линии/расстояние: Для медной фольги 3 унции минимальная ширина линии ≥ 0,3 мм, а минимальное расстояние между линиями ≥ 0,3 мм (0,1 мм достаточно для тонкой меди); для медной фольги 6 унций рекомендуется ширина линии/расстояние ≥ 0,4 мм, в противном случае во время травления, вероятно, возникнут «неточные ширины линий» и «короткие замыкания».
2. Укладка меди с отверстиями: Для укладки меди большой площади используйте «сетчатую укладку меди» (расстояние между сетками 2-3 мм, ширина линии 0,2-0,3 мм), чтобы избежать усадки медной фольги во время травления, что может вызвать изгиб печатной платы; если требуется сплошная укладка меди, следует предусмотреть «слоты для отвода тепла» (ширина 0,5 мм, расстояние 10-15 мм).

2. Процесс ламинирования: Чтобы предотвратить «расслоение и образование пузырей», последовательность ламинирования должна быть следующей: Толстую медную фольгу следует размещать на «внешнем слое» или «рядом с внешним слоем», чтобы избежать защемления посередине и предотвратить рассеивание тепла; толщина медной фольги многослойной платы должна быть симметричной (например, 3 унции для верхнего слоя и 3 унции для нижнего слоя), в противном случае после ламинирования произойдет деформация. Выбор подложки: Отдавайте предпочтение подложкам с высоким Tg (Tg≥170℃), таким как FR-4 Tg170 или PI, чтобы избежать размягчения и расслоения подложки во время высокотемпературной пайки (температура пайки толстых медных плат обычно на 10-20℃ выше, чем у тонкой меди).

3. Процесс пайки: Выбор «высокотеплопроводящих» устройств, подходящих для толстой меди: Отдавайте предпочтение «корпусам высокой мощности» (например, TO-220, D2PAK), чтобы избежать пайки небольших корпусных устройств на толстую медь, где тепло не может рассеиваться и припой расплавится. Конструкция площадок: Площадки на толстой меди должны быть на 0,2-0,3 мм больше, чем обычные площадки. Например, площадки для резистора 0805 обычно имеют размеры 0,8×1,2 мм, но для толстой меди рекомендуется 1,0×1,5 мм, чтобы обеспечить прочное паяное соединение. Параметры оплавления: Толстая медь поглощает больше тепла, поэтому температуру оплавления следует соответствующим образом увеличить (на 5-10℃ выше, чем для тонкой меди), а время выдержки увеличить на 10-15 секунд, чтобы избежать «холодных паяных соединений».

4. Контроль затрат: Скрытая ценность DFM (Design for Manufacturing) — избежание избыточного проектирования: Например, используйте медную фольгу 1-2 унции в областях, где не требуется высокий ток, и используйте толстую медь только на критических путях, чтобы снизить материальные затраты; Стандартизированные размеры: Используйте стандартные для завода толщины плат (например, 1,6 мм, 2,0 мм) как можно больше. Специальные толщины плат (например, 3,0 мм и выше) увеличат сложность обработки и стоимость; Ранняя коммуникация: Подтвердите технологические возможности с производителем печатных плат перед проектированием (например, максимальная толщина меди, минимальный диаметр отверстия, точность травления), чтобы избежать конструкций, которые невозможно изготовить после завершения.

IV. Резюме:

Дизайн толстой медной печатной платы: «3 основных элемента»
Соответствие толщины меди току: Избегайте слепого увеличения толщины; выбирайте основные спецификации 3-6 унций в соответствии с требованиями к току; Снижение рисков за счет деталей: Плавные переходы трасс, параллельные переходы и соответствие ширины/расстояния трасс; Приоритет DFM: Учитывайте процессы травления, ламинирования и пайки при проектировании, чтобы уменьшить доработку. Дизайн толстой медной печатной платы может показаться сложным, но, овладев двумя основными элементами «проводимости тока» и «совместимости с технологическим процессом», можно избежать большинства ловушек.