ตามทฤษฎีแล้ว ความสามารถในการรับกระแสของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB: Printed Circuit Board) ถูกกำหนดโดยพื้นที่หน้าตัดของลายทองแดงและค่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ นอกจากนี้ พื้นที่หน้าตัดของลายทองแดงยังแปรผันโดยตรงกับความกว้างของลายและความหนาของทองแดง ทีนี้จึงเกิดคำถามขึ้นมาว่า กฎนี้ใช้ได้กับความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการรับกระแสกับพื้นที่หน้าตัดของลายทองแดงด้วยหรือไม่ กล่าวคือ ความสามารถในการรับกระแสของลายทองแดงจะแปรผันโดยตรงกับพื้นที่หน้าตัดของมันหรือไม่ ภายใต้เงื่อนไขการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเท่ากันคือ 10°C ลายทองแดงกว้าง 10 mil ที่มีน้ำหนักทองแดง 1 oz สามารถทนกระแสได้สูงสุด 1 แอมป์ และเรามั่นใจได้ว่าลายทองแดงกว้าง 50 mil สามารถทนกระแสได้มากกว่า 1 แอมป์ แล้วค่ากระแสสูงสุดที่มันสามารถรับได้จริง ๆ คือเท่าไร 5 แอมป์ตามการคำนวณแบบคูณอย่างง่ายหรือไม่ ความจริงแล้วมันซับซ้อนกว่านั้นมาก ตามมาตรฐาน MIL-STD-275 มีการระบุว่ากระแสสูงสุดที่ลายทองแดงกว้าง 50 mil สามารถทนได้คือ 2.6 แอมป์
|
อุณหภูมิสูงขึ้น
|
10°C
|
20°C
|
30°C
|
|
ทองแดง
|
0.5 ออนซ์ |
1.0ออนซ์ |
2.0ออนซ์ |
0.5 ออนซ์ |
1.0ออนซ์ |
2.0ออนซ์ |
0.5 ออนซ์ |
1.0ออนซ์ |
2.0ออนซ์ |
|
ความกว้างของลายทองแดง (นิ้ว)
|
กระแสสูงสุด (แอมป์) |
| 0.01 |
0.5 |
1.0 |
1.4 |
0.6 |
1.2 |
1.6 |
0.7 |
1.5 |
2.2 |
| 0.015 |
0.7 |
1.2 |
1.6 |
0.8 |
1.3 |
2.4 |
1.0 |
1.6 |
3.0 |
| 0.02 |
0.7 |
1.3 |
2.1 |
1.0 |
1.7 |
3.0 |
1.2 |
2.4 |
3.6 |
| 0.025 |
0.9 |
1.7 |
2.5 |
1.2 |
2.2 |
3.3 |
1.5 |
2.8 |
4.0 |
| 0.03 |
1.1 |
1.9 |
3.0 |
1.4 |
2.5 |
4.0 |
1.7 |
3.2 |
5.0 |
| 0.05 |
1.5 |
2.6 |
4.0 |
2.0 |
3.6 |
6.0 |
2.6 |
4.4 |
7.3 |
| 0.075 |
2.0 |
3.5 |
5.7 |
2.8 |
4.5 |
7.8 |
3.5 |
6.0 |
10.0 |
| 0.1 |
2.6 |
4.2 |
6.9 |
3.5 |
6.0 |
9.9 |
4.3 |
7.5 |
12.5 |
| 0.2 |
4.2 |
7.0 |
11.5 |
6.0 |
10.0 |
11.0 |
7.5 |
13.0 |
20.5 |
| 0.25 |
5.0 |
8.3 |
12.3 |
7.2 |
12.3 |
20.0 |
9.0 |
15.0 |
24.0 |
อย่างไรก็ตาม ตารางข้างต้นได้ค่อย ๆ ถูกแทนที่ด้วยมาตรฐานทั่วไป IPC-2221 ว่าด้วยการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ ซึ่งใช้เป็นเอกสารอ้างอิงที่บนพื้นฐานของมัน aแผงวงจรพิมพ์ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำ
หน่วยวัดความหนาของทองแดง
ก่อนการอภิปรายอย่างจริงจัง จำเป็นต้องค้นหาข้อมูลเกี่ยวกับหน่วยที่ใช้สำหรับความหนาของทองแดง คือออนซ์ (oz) โดยทั่วไปแล้วออนซ์เป็นหน่วยที่ใช้วัดน้ำหนัก แต่ในการออกแบบแผงวงจรไฟฟ้า ออนซ์ถูกนำมาใช้เป็นหน่วยวัดความหนาของทองแดง เมื่อพูดถึงการแปลงค่าความหนาของทองแดงด้วยหน่วยออนซ์ จำเป็นต้องจดจำกฎบางประการไว้ เนื่องจากสเปกของทองแดงถูกวัดจากน้ำหนักของทองแดงต่อหนึ่งตารางฟุต 1oz ที่มักถูกกล่าวถึงจริง ๆ แล้วหมายถึง ทองแดงหนึ่งตารางฟุตมีน้ำหนัก 1oz ภายใต้เงื่อนไขเช่นนี้ ทองแดงยิ่งหนา น้ำหนักก็ยิ่งมากขึ้น เพราะน้ำหนักของทองแดงแปรผันโดยตรงกับความหนาของมัน ดังนั้น ความหนาของทองแดงจึงสามารถแสดงด้วยหน่วยน้ำหนักคือออนซ์ได้ นอกจากนี้ ออนซ์ยังสามารถแปลงเป็นหน่วยมิลลิเมตรหรือมิลได้ด้วย การแปลงค่าทั่วไปบางส่วนมีดังนี้:
0.5oz = 0.0007นิ้ว = 0.7มิล = 0.018มม.
1.0oz = 0.0014นิ้ว = 1.4มิล = 0.035มม.
2.0oz = 0.0034นิ้ว = 2.8มิล = 0.070มม.
ความสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่หน้าตัดของฟอยล์ทองแดงบนแผ่น PCB กับความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
ตามคำอธิบายในหมวด 6.2 ของมาตรฐาน IPC-2221 ซึ่งว่าด้วยข้อกำหนดของวัสดุนำไฟฟ้า ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ ตัวนำภายใน (internal conductors) และตัวนำภายนอก (external conductors) โดยกำหนดให้ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดของตัวนำภายในมีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของตัวนำภายนอก ตาราง 6-4 ใน IPC-2221 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่หน้าตัดของฟอยล์ทองแดง การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ และความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดของตัวนำภายนอกและตัวนำภายใน
นอกจากนี้ ยังได้สรุปสูตรแบบย่อโดยอ้างอิงจากตารางข้างต้นดังนี้:ฉัน= KΔT0.44A0.75
ในสูตรนี้ K คือค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไข ซึ่งเท่ากับ 0.024 สำหรับตัวนำภายใน และ 0.048 สำหรับตัวนำภายนอก ΔT คือค่าความแตกต่างของอุณหภูมิสูงสุด แสดงถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทองแดงที่ให้ความร้อนกับอุณหภูมิโดยรอบ โดยมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส (°C) A หมายถึงพื้นที่หน้าตัดของลายทองแดง โดยมีหน่วยเป็นมิลล์กำลังสอง (mil²)ฉันหมายถึงความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าปัจจุบัน โดยมีหน่วยเป็นแอมแปร์ (Amp)
เนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ ปัจจุบันมีเครื่องมือคำนวณความกว้างลายวงจรแบบออนไลน์ให้ผู้ออกแบบแผงวงจรได้ใช้งาน เป็นเครื่องมือที่สะดวกมาก เพียงกรอกค่ากระแสที่ต้องการและน้ำหนักทองแดง ก็จะได้ค่าความกว้างลายวงจรที่เหมาะสมสำหรับตัวนำภายในและตัวนำภายนอกเครื่องคำนวณความกว้างลายทองแดงบนแผ่น PCBและเครื่องคำนวณความกว้างลายทองแดง PCB ตามมาตรฐาน ANSI IPC-2221Aเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องมือที่เพิ่งแนะนำไปเมื่อสักครู่
ปัจจัยที่กำหนดความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุด
แม้ว่าสามารถใช้สูตรอย่างง่ายเพื่อคำนวณความสามารถในการรองรับกระแสสูงสุดได้โดยตรง แต่ในทางปฏิบัติกรณีกลับไม่ง่ายและไม่ตรงไปตรงมาเช่นนั้น นั่นเป็นเพราะว่านอกจากพื้นที่หน้าตัดและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นแล้ว ความสามารถในการรองรับกระแสของลายทองแดงยังขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่น ๆ เช่น จำนวนคอมโพเนนต์ แพด และเวียด้วย
สำหรับลายวงจรที่มีแผ่นแพดจำนวนมากกระจายอยู่ ลายวงจรที่ผ่านการชุบดีบุกจะมีความสามารถในการรองรับกระแสสูงกว่าลายวงจรปกติอย่างมาก ไม่ใช่เรื่องแปลกที่วิศวกรจะพบแผงวงจรที่มีลายวงจรระหว่างแพดไหม้ขาดเมื่อมีกระแสขนาดใหญ่ไหลผ่าน สาเหตุของปัญหานี้เกิดจากการที่มีครีมบัดกรีบนขาหรือขาของอุปกรณ์มากเกินไป ทำให้พื้นที่หน้าตัดเพิ่มขึ้น ในขณะที่ลายวงจรระหว่างแพดไม่ได้มีการปรับเปลี่ยนใด ๆ ดังนั้นทันทีที่เริ่มจ่ายไฟหรือมีการปรับเปลี่ยนลำดับบนลายวงจร ก็อาจทำให้เกิดกระแสกระชากชั่วขณะขนาดใหญ่มาก หรือแม้กระทั่งทำให้ลายวงจรระหว่างแพดไหม้ขาดได้
หนึ่งในวิธีแก้ปัญหานี้คือการเพิ่มความกว้างของลายทองแดง เมื่อไม่สามารถขยายความกว้างของลายทองแดงได้ สามารถเคลือบโซลเดอร์มาสก์บนลายทองแดงที่มีแนวโน้มจะไหม้ และควรพิมพ์ครีมประสานลงบนเทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT)กระบวนการ หลังจากการบัดกรีแบบรีโฟลว์แล้ว ความกว้างของลายวงจรจะเพิ่มขึ้น ทำให้ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นด้วย
โดยสรุปแล้ว แม้ว่าความสามารถในการรับกระแสของลายทองแดงบนแผ่น PCB จะสามารถหาได้จากตารางที่จัดทำโดย IPC หรือจากสูตรคำนวณ แต่สิ่งเหล่านี้ใช้ได้เฉพาะกับการคำนวณลายทองแดงแบบเส้นตรงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในการผลิตหรือประกอบแผงวงจรพิมพ์จริง จำเป็นต้องพิจารณาเรื่องฝุ่นหรือการปนเปื้อนอย่างรอบคอบ เนื่องจากมลภาวะเหล่านี้อาจทำให้บางส่วนของลายทองแดงขาดได้ ดังนั้น เมื่อเราออกแบบความสามารถในการรับกระแสสูงสุดไม่ว่าด้วยวิธีใดก็ตาม จะต้องมีการเพิ่มปัจจัยด้านความปลอดภัยเข้าไปเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาการรับโหลดเกิน
นอกจากนี้ ยังต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการเลี้ยวของลายทองแดง หากมีมุมแหลมเกิดขึ้นบนลายทองแดง อาจทำให้การส่งผ่านสัญญาณไม่ราบรื่น ซึ่งอาจส่งผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กหรือกับลายทองแดงที่มีความกว้างมาก แต่เมื่อเกี่ยวข้องกับความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าต่ำ ปัญหาต่าง ๆ อาจเกิดขึ้นได้
ความสามารถในการรับกระแสของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงขณะออกแบบแผ่นวงจรที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ อย่างไรก็ตาม การคำนวณเชิงทฤษฎีเพียงอย่างเดียวอาจไม่เพียงพอสำหรับการตัดสินใจที่มีประสิทธิผลเมื่อนำไปใช้ในสถานการณ์จริง นั่นคือเหตุผลที่การใช้มาตรฐานอุตสาหกรรมอย่าง IPC-2221 เป็นสิ่งจำเป็น เพื่อให้แน่ใจว่า PCB ของคุณทำงานได้ตามที่ออกแบบไว้ภายใต้สภาวะการใช้งานจริง
เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบ PCB ของคุณสามารถรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลองพิจารณาร่วมงานกับ PCBCart เราเชี่ยวชาญในการให้บริการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) คุณภาพสูงที่สอดคล้องกับมาตรฐานด้านความเชื่อมั่นและประสิทธิภาพในปัจจุบัน ขอใบเสนอราคาฟรีวันนี้ เพื่อวางรากฐานที่มั่นคงให้กับโปรเจกต์ถัดไปของคุณ!
ขอใบเสนอราคา PCB ของคุณตอนนี้
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บริการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา
•คู่มือการเลือกวัสดุแผงวงจรพิมพ์ใน PCBCart
•คู่มือการรับราคาการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ภายในไม่กี่วินาที
•แผงวงจรพิมพ์มาตรฐานคุณภาพสูงพร้อมประสบการณ์กว่า 20 ปี | PCBCart
