I. Đầu tiên, hãy hiểu: Tại sao nên chọn PCB đồng dày? (Giới thiệu 30 giây)
PCB đồng dày, nói một cách đơn giản, là các bảng mạch có độ dày lá đồng ≥ 3oz (1oz ≈ 35μm). Chúng thường được tìm thấy trong các tình huống "công suất cao, tản nhiệt cao" như bộ nguồn công nghiệp, xe năng lượng mới và thiết bị y tế—ví dụ, cọc sạc xe năng lượng mới cần chịu được dòng điện tăng cao. Các bảng đồng mỏng thông thường dễ bị quá nhiệt và cháy. Đồng dày hoạt động như một "đường cao tốc trong mạch", nhanh chóng tản dòng điện và nhiệt, đồng thời cải thiện độ bền cơ học của bảng mạch (khả năng chống uốn, chống rung). Tuy nhiên, đồng dày không phải là "càng dày càng tốt". Thiết kế không đúng cách có thể dẫn đến các vấn đề như "tản nhiệt không đều, hàn kém và chi phí tăng cao". Đây là vấn đề cốt lõi mà chúng ta sẽ tập trung vào ngày hôm nay: làm thế nào để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất đồng thời đảm bảo khả năng sản xuất (DFM)?
II. Các Yếu Tố Cần Xem Xét Chính trong Thiết Kế PCB Đồng Dày (Bước Đầu Tiên để Tránh Sai Lầm)
1. Lựa Chọn Độ Dày Lá Đồng: Đừng mù quáng theo đuổi "càng dày càng tốt". Nguyên tắc chính: Định mức dòng điện xác định độ dày đồng. Một công thức đơn giản là: Dòng điện cho phép (A) ≈ Độ dày lá đồng (oz) × Chiều rộng đường mạch (mm) × 0.8 (Nhiệt độ môi trường ≤40℃). Ví dụ: Lá đồng 3oz + đường mạch rộng 3mm có thể chịu được khoảng 7.2A dòng điện, đủ cho hầu hết các tình huống cung cấp điện công nghiệp. Sai lầm: Đồng vượt quá 10oz có thể gây ra hiện tượng uốn cong PCB và khó khoan. Trừ khi có các yêu cầu đặc biệt (chẳng hạn như thiết bị hàng không vũ trụ), hãy ưu tiên thông số kỹ thuật 3-6oz.
2. Thiết Kế Đường Mạch: Tránh "nút thắt cổ chai" và đảm bảo dòng điện chảy trơn tru. Chiều rộng đường mạch: Đường mạch đồng dày không nên quá hẹp! Đối với lá đồng 3oz, chiều rộng đường mạch tối thiểu được khuyến nghị là ≥0.3mm (0.1mm là đủ cho đồng mỏng thông thường). Chiều rộng nên tăng tỷ lệ thuận với dòng điện (ví dụ: đối với lá đồng 6oz mang dòng điện 10A, chiều rộng được khuyến nghị là ≥5mm).
Chuyển tiếp đường mạch: Tránh thu hẹp/mở rộng đột ngột (ví dụ: giảm đột ngột từ 5mm xuống 1mm). Sử dụng "chuyển tiếp dần dần" (chiều dài ≥ 3 lần chênh lệch chiều rộng), nếu không sẽ hình thành "nút thắt cổ chai dòng điện", gây ra quá nhiệt cục bộ và cháy. Tối ưu hóa tản nhiệt: Dưới các thiết bị công suất cao (chẳng hạn như MOSFET), hãy sử dụng "mạ đồng + via nhiệt" (đường kính via 0.8-1.2mm, khoảng cách 2-3mm) để cho phép nhiệt được dẫn nhanh chóng đến lớp ground/power plane.
3. Thiết kế Via: Một "lỗi chết người" của bảng đồng dày—hãy chú ý! Đường kính Via: Lớp đồng trên thành via của bảng đồng dày phải phù hợp với độ dày của lá đồng. Đường kính via tiêu chuẩn 0.4mm không đủ để mạ lá đồng 3oz. Nên sử dụng đường kính via tối thiểu ≥0.8mm (với độ dày thành đồng ≥20μm).
Số lượng Via: Không sử dụng một via duy nhất trên các đường dẫn dòng điện cao! Ví dụ: nếu lá đồng 3oz mang dòng điện 5A, nên sử dụng 2-3 via song song (mỗi via có thể chịu được khoảng 2-3A dòng điện) để ngăn via quá nhiệt và tan chảy.
Mở khẩu trang hàn: Nên cung cấp các lỗ mở khẩu trang hàn đủ lớn (lớn hơn đường kính via 0.2-0.3mm) xung quanh via để ngăn chặn thiếc hàn làm tắc via trong quá trình hàn, điều này sẽ ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt và độ dẫn điện.
III. Thiết Kế DFM cho PCB Đồng Dày: Giúp Các Nhà Máy "Sản Xuất Ít Phải Sửa Chữa"
Cốt lõi của DFM (Thiết kế để sản xuất) là "thiết kế phải thích ứng với quy trình sản xuất". DFM cho PCB đồng dày tập trung vào việc giải quyết "các thách thức về quy trình do đồng dày mang lại":
1. Khắc Lá Đồng: Tránh Khắc Không Đều. Chiều rộng/khoảng cách đường tối thiểu: Đối với lá đồng 3oz, chiều rộng đường tối thiểu ≥ 0.3mm và khoảng cách đường tối thiểu ≥ 0.3mm (0.1mm là đủ cho đồng mỏng); đối với lá đồng 6oz, nên sử dụng chiều rộng/khoảng cách đường ≥ 0.4mm, nếu không, "chiều rộng đường không chính xác" và "ngắn mạch" có khả năng xảy ra trong quá trình khắc.
2. Đặt Đồng với Các Lỗ Mở: Đối với việc đặt đồng diện tích lớn, hãy sử dụng "đặt đồng dạng lưới" (khoảng cách lưới 2-3mm, chiều rộng đường 0.2-0.3mm) để tránh co ngót lá đồng trong quá trình khắc, điều này có thể gây ra hiện tượng uốn cong PCB; nếu cần đặt đồng đặc, nên chừa "rãnh tản nhiệt" (chiều rộng 0.5mm, khoảng cách 10-15mm).
2. Quy Trình Cán: Để ngăn ngừa "tách lớp và nổi bọt", trình tự cán nên như sau: Lá đồng dày nên được đặt ở "lớp ngoài" hoặc "gần lớp ngoài" để tránh bị kẹp ở giữa và ngăn cản sự tản nhiệt; độ dày lá đồng của bảng nhiều lớp phải đối xứng (ví dụ: 3oz cho lớp trên cùng và 3oz cho lớp dưới cùng), nếu không sẽ xảy ra hiện tượng cong vênh sau khi cán. Lựa chọn chất nền: Ưu tiên các chất nền Tg cao (Tg≥170℃), chẳng hạn như FR-4 Tg170 hoặc chất nền PI, để tránh chất nền bị mềm và tách lớp trong quá trình hàn nhiệt độ cao (nhiệt độ hàn của bảng đồng dày thường cao hơn 10-20℃ so với đồng mỏng).
3. Quy Trình Hàn: Lựa chọn các thiết bị "độ dẫn nhiệt cao" phù hợp với đồng dày: Ưu tiên "gói công suất cao" (chẳng hạn như TO-220, D2PAK) để tránh hàn các thiết bị đóng gói nhỏ lên đồng dày, nơi nhiệt không thể tản ra và mối hàn sẽ tan chảy. Thiết kế Pad: Pad trên đồng dày nên lớn hơn pad thông thường 0.2-0.3mm. Ví dụ, pad cho điện trở 0805 thường là 0.8×1.2mm, nhưng đối với đồng dày, nên dùng 1.0×1.5mm để đảm bảo mối hàn chắc chắn. Thông số hàn reflow: Đồng dày hấp thụ nhiều nhiệt hơn, vì vậy nhiệt độ hàn reflow nên tăng lên một cách thích hợp (cao hơn 5-10℃ so với đồng mỏng) và kéo dài thời gian giữ nhiệt thêm 10-15 giây để tránh "mối hàn nguội".
4. Kiểm Soát Chi Phí: Giá trị tiềm ẩn của DFM (Thiết kế để sản xuất) - Tránh thiết kế quá mức: Ví dụ, sử dụng lá đồng 1-2oz ở những khu vực không cần dòng điện cao và chỉ sử dụng đồng dày ở các đường dẫn quan trọng để giảm chi phí vật liệu; Kích thước tiêu chuẩn: Sử dụng độ dày bảng tiêu chuẩn của nhà máy (ví dụ: 1.6mm, 2.0mm) càng nhiều càng tốt. Độ dày bảng đặc biệt (ví dụ: 3.0mm trở lên) sẽ làm tăng độ khó và chi phí xử lý; Giao tiếp sớm: Xác nhận khả năng quy trình với nhà sản xuất PCB trước khi thiết kế (ví dụ: độ dày đồng tối đa, đường kính lỗ tối thiểu, độ chính xác khắc) để tránh các thiết kế không thể sản xuất sau khi hoàn thành.
IV. Tóm Tắt:
Thiết Kế PCB Đồng Dày: "3 Yếu Tố Cốt Lõi"
Độ Dày Đồng Phù Hợp Dòng Điện: Tránh tăng độ dày một cách mù quáng; chọn các thông số kỹ thuật chính 3-6oz theo yêu cầu về dòng điện; Giảm thiểu rủi ro thông qua các chi tiết: Chuyển tiếp đường mạch dần dần, via song song và chiều rộng/khoảng cách đường mạch tuân thủ; Ưu tiên DFM: Xem xét các quy trình khắc, cán và hàn trong quá trình thiết kế để giảm thiểu việc sửa chữa. Thiết kế PCB đồng dày có vẻ phức tạp, nhưng bằng cách nắm vững hai yếu tố cốt lõi là "dẫn điện" và "tương thích quy trình", hầu hết các sai lầm có thể tránh được.
I. Đầu tiên, hãy hiểu: Tại sao nên chọn PCB đồng dày? (Giới thiệu 30 giây)
PCB đồng dày, nói một cách đơn giản, là các bảng mạch có độ dày lá đồng ≥ 3oz (1oz ≈ 35μm). Chúng thường được tìm thấy trong các tình huống "công suất cao, tản nhiệt cao" như bộ nguồn công nghiệp, xe năng lượng mới và thiết bị y tế—ví dụ, cọc sạc xe năng lượng mới cần chịu được dòng điện tăng cao. Các bảng đồng mỏng thông thường dễ bị quá nhiệt và cháy. Đồng dày hoạt động như một "đường cao tốc trong mạch", nhanh chóng tản dòng điện và nhiệt, đồng thời cải thiện độ bền cơ học của bảng mạch (khả năng chống uốn, chống rung). Tuy nhiên, đồng dày không phải là "càng dày càng tốt". Thiết kế không đúng cách có thể dẫn đến các vấn đề như "tản nhiệt không đều, hàn kém và chi phí tăng cao". Đây là vấn đề cốt lõi mà chúng ta sẽ tập trung vào ngày hôm nay: làm thế nào để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất đồng thời đảm bảo khả năng sản xuất (DFM)?
II. Các Yếu Tố Cần Xem Xét Chính trong Thiết Kế PCB Đồng Dày (Bước Đầu Tiên để Tránh Sai Lầm)
1. Lựa Chọn Độ Dày Lá Đồng: Đừng mù quáng theo đuổi "càng dày càng tốt". Nguyên tắc chính: Định mức dòng điện xác định độ dày đồng. Một công thức đơn giản là: Dòng điện cho phép (A) ≈ Độ dày lá đồng (oz) × Chiều rộng đường mạch (mm) × 0.8 (Nhiệt độ môi trường ≤40℃). Ví dụ: Lá đồng 3oz + đường mạch rộng 3mm có thể chịu được khoảng 7.2A dòng điện, đủ cho hầu hết các tình huống cung cấp điện công nghiệp. Sai lầm: Đồng vượt quá 10oz có thể gây ra hiện tượng uốn cong PCB và khó khoan. Trừ khi có các yêu cầu đặc biệt (chẳng hạn như thiết bị hàng không vũ trụ), hãy ưu tiên thông số kỹ thuật 3-6oz.
2. Thiết Kế Đường Mạch: Tránh "nút thắt cổ chai" và đảm bảo dòng điện chảy trơn tru. Chiều rộng đường mạch: Đường mạch đồng dày không nên quá hẹp! Đối với lá đồng 3oz, chiều rộng đường mạch tối thiểu được khuyến nghị là ≥0.3mm (0.1mm là đủ cho đồng mỏng thông thường). Chiều rộng nên tăng tỷ lệ thuận với dòng điện (ví dụ: đối với lá đồng 6oz mang dòng điện 10A, chiều rộng được khuyến nghị là ≥5mm).
Chuyển tiếp đường mạch: Tránh thu hẹp/mở rộng đột ngột (ví dụ: giảm đột ngột từ 5mm xuống 1mm). Sử dụng "chuyển tiếp dần dần" (chiều dài ≥ 3 lần chênh lệch chiều rộng), nếu không sẽ hình thành "nút thắt cổ chai dòng điện", gây ra quá nhiệt cục bộ và cháy. Tối ưu hóa tản nhiệt: Dưới các thiết bị công suất cao (chẳng hạn như MOSFET), hãy sử dụng "mạ đồng + via nhiệt" (đường kính via 0.8-1.2mm, khoảng cách 2-3mm) để cho phép nhiệt được dẫn nhanh chóng đến lớp ground/power plane.
3. Thiết kế Via: Một "lỗi chết người" của bảng đồng dày—hãy chú ý! Đường kính Via: Lớp đồng trên thành via của bảng đồng dày phải phù hợp với độ dày của lá đồng. Đường kính via tiêu chuẩn 0.4mm không đủ để mạ lá đồng 3oz. Nên sử dụng đường kính via tối thiểu ≥0.8mm (với độ dày thành đồng ≥20μm).
Số lượng Via: Không sử dụng một via duy nhất trên các đường dẫn dòng điện cao! Ví dụ: nếu lá đồng 3oz mang dòng điện 5A, nên sử dụng 2-3 via song song (mỗi via có thể chịu được khoảng 2-3A dòng điện) để ngăn via quá nhiệt và tan chảy.
Mở khẩu trang hàn: Nên cung cấp các lỗ mở khẩu trang hàn đủ lớn (lớn hơn đường kính via 0.2-0.3mm) xung quanh via để ngăn chặn thiếc hàn làm tắc via trong quá trình hàn, điều này sẽ ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt và độ dẫn điện.
III. Thiết Kế DFM cho PCB Đồng Dày: Giúp Các Nhà Máy "Sản Xuất Ít Phải Sửa Chữa"
Cốt lõi của DFM (Thiết kế để sản xuất) là "thiết kế phải thích ứng với quy trình sản xuất". DFM cho PCB đồng dày tập trung vào việc giải quyết "các thách thức về quy trình do đồng dày mang lại":
1. Khắc Lá Đồng: Tránh Khắc Không Đều. Chiều rộng/khoảng cách đường tối thiểu: Đối với lá đồng 3oz, chiều rộng đường tối thiểu ≥ 0.3mm và khoảng cách đường tối thiểu ≥ 0.3mm (0.1mm là đủ cho đồng mỏng); đối với lá đồng 6oz, nên sử dụng chiều rộng/khoảng cách đường ≥ 0.4mm, nếu không, "chiều rộng đường không chính xác" và "ngắn mạch" có khả năng xảy ra trong quá trình khắc.
2. Đặt Đồng với Các Lỗ Mở: Đối với việc đặt đồng diện tích lớn, hãy sử dụng "đặt đồng dạng lưới" (khoảng cách lưới 2-3mm, chiều rộng đường 0.2-0.3mm) để tránh co ngót lá đồng trong quá trình khắc, điều này có thể gây ra hiện tượng uốn cong PCB; nếu cần đặt đồng đặc, nên chừa "rãnh tản nhiệt" (chiều rộng 0.5mm, khoảng cách 10-15mm).
2. Quy Trình Cán: Để ngăn ngừa "tách lớp và nổi bọt", trình tự cán nên như sau: Lá đồng dày nên được đặt ở "lớp ngoài" hoặc "gần lớp ngoài" để tránh bị kẹp ở giữa và ngăn cản sự tản nhiệt; độ dày lá đồng của bảng nhiều lớp phải đối xứng (ví dụ: 3oz cho lớp trên cùng và 3oz cho lớp dưới cùng), nếu không sẽ xảy ra hiện tượng cong vênh sau khi cán. Lựa chọn chất nền: Ưu tiên các chất nền Tg cao (Tg≥170℃), chẳng hạn như FR-4 Tg170 hoặc chất nền PI, để tránh chất nền bị mềm và tách lớp trong quá trình hàn nhiệt độ cao (nhiệt độ hàn của bảng đồng dày thường cao hơn 10-20℃ so với đồng mỏng).
3. Quy Trình Hàn: Lựa chọn các thiết bị "độ dẫn nhiệt cao" phù hợp với đồng dày: Ưu tiên "gói công suất cao" (chẳng hạn như TO-220, D2PAK) để tránh hàn các thiết bị đóng gói nhỏ lên đồng dày, nơi nhiệt không thể tản ra và mối hàn sẽ tan chảy. Thiết kế Pad: Pad trên đồng dày nên lớn hơn pad thông thường 0.2-0.3mm. Ví dụ, pad cho điện trở 0805 thường là 0.8×1.2mm, nhưng đối với đồng dày, nên dùng 1.0×1.5mm để đảm bảo mối hàn chắc chắn. Thông số hàn reflow: Đồng dày hấp thụ nhiều nhiệt hơn, vì vậy nhiệt độ hàn reflow nên tăng lên một cách thích hợp (cao hơn 5-10℃ so với đồng mỏng) và kéo dài thời gian giữ nhiệt thêm 10-15 giây để tránh "mối hàn nguội".
4. Kiểm Soát Chi Phí: Giá trị tiềm ẩn của DFM (Thiết kế để sản xuất) - Tránh thiết kế quá mức: Ví dụ, sử dụng lá đồng 1-2oz ở những khu vực không cần dòng điện cao và chỉ sử dụng đồng dày ở các đường dẫn quan trọng để giảm chi phí vật liệu; Kích thước tiêu chuẩn: Sử dụng độ dày bảng tiêu chuẩn của nhà máy (ví dụ: 1.6mm, 2.0mm) càng nhiều càng tốt. Độ dày bảng đặc biệt (ví dụ: 3.0mm trở lên) sẽ làm tăng độ khó và chi phí xử lý; Giao tiếp sớm: Xác nhận khả năng quy trình với nhà sản xuất PCB trước khi thiết kế (ví dụ: độ dày đồng tối đa, đường kính lỗ tối thiểu, độ chính xác khắc) để tránh các thiết kế không thể sản xuất sau khi hoàn thành.
IV. Tóm Tắt:
Thiết Kế PCB Đồng Dày: "3 Yếu Tố Cốt Lõi"
Độ Dày Đồng Phù Hợp Dòng Điện: Tránh tăng độ dày một cách mù quáng; chọn các thông số kỹ thuật chính 3-6oz theo yêu cầu về dòng điện; Giảm thiểu rủi ro thông qua các chi tiết: Chuyển tiếp đường mạch dần dần, via song song và chiều rộng/khoảng cách đường mạch tuân thủ; Ưu tiên DFM: Xem xét các quy trình khắc, cán và hàn trong quá trình thiết kế để giảm thiểu việc sửa chữa. Thiết kế PCB đồng dày có vẻ phức tạp, nhưng bằng cách nắm vững hai yếu tố cốt lõi là "dẫn điện" và "tương thích quy trình", hầu hết các sai lầm có thể tránh được.
