ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าของลายวงจร PCB: ความกว้าง น้ำหนักทองแดง และมาตรฐาน IPC-2221

ทุกเส้นทองแดงเปรียบเสมือนตัวต้านทานบางๆ ที่จะร้อนขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน หากเลือกขนาดที่เหมาะสม แผงวงจรจะทำงานได้อย่างเย็นสบายเป็นเวลาหลายปี แต่หากเลือกขนาดที่สั้นเกินไป เส้นทองแดงจะร้อนจัด ทำให้แผ่นลามิเนตเสื่อมสภาพ และอาจขาดได้เหมือนฟิวส์ คู่มือนี้จะตอบคำถามที่วิศวกรค้นหาจริงๆ เช่น เส้นทองแดงรับกระแสไฟฟ้าได้กี่แอมป์ ทองแดง 1 ออนซ์เท่ากับกี่มิลลิเมตร และเมื่อใดควรเปลี่ยนไปใช้ทองแดงที่มีความหนามากขึ้น และแสดงให้เห็นว่า Highleap Electronics เปลี่ยนตัวเลขเหล่านั้นให้เป็นแผงวงจรที่สามารถผลิตและประกอบได้อย่างน่าเชื่อถือได้อย่างไร

1. แผ่นทองแดงสามารถรับกระแสไฟฟ้าได้กี่แอมป์?

ไม่มีค่ากระแสสูงสุดตายตัวสำหรับลายวงจร ขีดจำกัดอยู่ที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่คุณยอมรับได้ เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงอย่างง่าย ลายวงจรขนาดกว้าง 1 มม. (ประมาณ 40 มิล) ในทองแดง 1 ออนซ์ บนชั้นนอก จะมีกระแสไหลผ่านประมาณ 2 แอมป์ ที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C (โดยคิดแบบอนุรักษ์นิยม) และประมาณ 4 แอมป์ ที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 30°C กระแสไฟฟ้าจะทำให้ลายวงจรมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามสัดส่วนของกระแสไฟฟ้ากำลังสองคูณด้วยความต้านทาน และลายวงจรจะปรับตัวให้เข้ากับตำแหน่งที่สามารถระบายความร้อนนั้นออกไปสู่ทองแดงโดยรอบ แผ่นลามิเนต และอากาศได้

คุณสมบัติสามประการของลายวงจรส่งผลต่อความต้านทานและอุณหภูมิที่เกิดขึ้น พื้นที่หน้าตัด – ความกว้างคูณความหนาของทองแดง – มีอิทธิพลมากที่สุด การเพิ่มความกว้างเป็นสองเท่าจะทำให้ความต้านทานลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง ความยาวจะเพิ่มความต้านทานและแรงดันตกคร่อมตามสัดส่วน แต่แทบจะไม่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงสุด และความต้านทานของทองแดงจะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.4% ต่อองศาเซลเซียส ดังนั้นลายวงจรที่ร้อนจึงมีความต้านทานสูงขึ้นเล็กน้อย ซึ่งจะส่งผลให้เกิดความร้อนมากขึ้น ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมสามประการกำหนดว่าความร้อนจะระบายออกได้ง่ายเพียงใด ได้แก่ ชั้นนอกเทียบกับชั้นใน อุณหภูมิแวดล้อมภายในตัวเครื่อง และการไหลเวียนของอากาศหรือแผ่นระบายความร้อน หากคุณยังใหม่กับวิธีการสร้างและกำหนดคุณสมบัติของลายวงจรบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) พื้นฐานของการออกแบบลายวงจร PCBจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งก่อนที่จะกำหนดขนาดสำหรับแหล่งจ่ายไฟ

2. ทองแดง 1 ออนซ์ มีความหนากี่มิลลิเมตร? (ดูตารางน้ำหนักทองแดง)

ทองแดง 1 ออนซ์มีความหนาประมาณ 35 ไมครอน ซึ่งเท่ากับ 0.035 มิลลิเมตร หรือประมาณ 1.37 มิล ความหนาของทองแดงมักระบุเป็นน้ำหนักต่อตารางฟุต ซึ่งเป็นวิธีการเก่าที่มักทำให้ผู้ที่เพิ่งเริ่มต้นสับสน ดังนั้นการแปลงหน่วยที่ควรจำไว้มีดังนี้:

เนื่องจากความจุไฟฟ้าสัมพันธ์กับพื้นที่หน้าตัด คุณจึงสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นโดยการขยายความกว้างของลายวงจรหรือโดยการใช้ทองแดงที่หนาขึ้น สำหรับแผงวงจรที่มีความหนาแน่นสูงการใช้ทองแดงขนาด 3 ออนซ์มักจะดูเรียบร้อยกว่าการเจาะพื้นที่สำหรับลายวงจรที่กว้างมาก และสำหรับงานที่ต้องการกำลังไฟสูง แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา แบบเต็มรูปแบบ นั้นถูกออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับงานนั้น

3. แผนภูมิแสดงความกว้างของลายวงจรเทียบกับกระแสไฟฟ้า (ทองแดง 1 ออนซ์ และ 2 ออนซ์)

สำหรับทองแดง 1 ออนซ์ในชั้นนอกสุดที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C อย่างระมัดระวัง ลายวงจรขนาด 1 A ต้องการความกว้างประมาณ 0.5 มม. (20 มิล) และลายวงจรขนาด 3 A ต้องการความกว้างประมาณ 1.8 มม. (70 มิล) ตารางด้านล่างเป็นเพียงจุดเริ่มต้นตามมาตรฐาน IPC-2221 ไม่ใช่สิ่งที่จะใช้แทนการคำนวณตามอุณหภูมิเป้าหมายของคุณเอง โดยทั่วไปแล้ว ลายวงจรในชั้นในต้องการความกว้างประมาณสองเท่าของตารางนี้

ความกว้างของวงจรจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เมื่อกระแสไฟฟ้าเกินไม่กี่แอมป์ การใช้ลายวงจรเดี่ยวจะไม่เหมาะสมอีกต่อไป และวิธีที่ดีกว่าคือการใช้ทองแดงหล่อหรือแผ่นทองแดง การวางลายวงจรขนานบนหลายชั้นแล้วเชื่อมต่อด้วยรูเจาะ หรือการใช้ทองแดงที่หนาขึ้น ซึ่งเป็นที่มาของการออกแบบทางวิศวกรรมเฉพาะด้านที่รองรับกระแสไฟฟ้าสูงด้วยทองแดงหนาเพื่อช่วยระบายความร้อนให้กับรางกระแสไฟฟ้าสูง

4. ความกว้างของลายวงจรภายในเทียบกับภายนอก: เหตุใดลายวงจรภายในจึงต้องกว้างกว่า

ลายวงจรภายในต้องการความกว้างประมาณสองเท่าของลายวงจรภายนอกเพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าเท่ากัน เนื่องจากถูกประกบด้วยแผ่นลามิเนตและไม่สามารถระบายความร้อนออกสู่อากาศได้ มาตรฐาน IPC-2221 จึงใช้ค่าคงที่ที่แตกต่างกันสำหรับทั้งสองกรณีด้วยเหตุผลนี้ – ลายวงจรภายนอกระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนออกสู่อากาศ ในขณะที่ลายวงจรภายในเป็นฉนวนความร้อนและเก็บความร้อนได้มากกว่าในความกว้างที่เท่ากัน

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติ: ความกว้างที่คุณตรวจสอบแล้วสำหรับชั้นนอกสุด อาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปโดยไม่รู้ตัว หากมีการเดินสายสัญญาณเดียวกันบนชั้นในของแผงวงจรหลายชั้น เมื่อคุณย้ายพลังงานระหว่างชั้น ควรออกแบบให้มีขนาดเหมาะสมกับชั้นใน และใช้ vias หลายตัวขนานกันในแต่ละจุดเปลี่ยนผ่าน เพื่อป้องกันไม่ให้การเปลี่ยนชั้นกลายเป็นจุดคอขวดที่ก่อให้เกิดความร้อนสูง