Khi bạn muốn tăng khả năng dẫn dòng/chịu dòng (current carrying capacity) của một đường mạch (trace) mà không tăng độ rộng, thì việc tăng độ dày lớp đồng là một giải pháp (“copper weight / copper thickness”). Thông thường khi nói về độ dày đồng (copper thickness) trên mạch PCB, các nhà sản xuất mạch in sẽ cung cấp cho chúng ta một vài lựa chọn thông dụng như 1oz, 2oz… Việc lựa chọn độ dày đồng quá mỏng dễ gây cháy đường mạch, hay quá dày lại khiến công đoạn ăn mòn (etching) tiêu tốn nhiều hóa chất ảnh hưởng đến giá thành bo mạch. Qua bài viết này, các bạn hãy cùng Hatakey tìm hiểu các tiêu chuẩn, cách đo, và cách quy đổi về độ dày đồng để tối ưu cho thiết kế nhé.
1. Độ dày đồng (Copper Thickness) là gì
Chúng ta có thể định nghĩa đơn giản độ dày đồng là chiều cao lớp đồng trên bo mạch PCB. Nó thường được biểu diễn qua 3 đơn vị khác nhau:
- Micrometers (µm)
- Mils (1 mil = 0.001 inches)
- Ounces per square foot (oz/ft²)
Đơn vị “Oz” (Ounces) được đặt ra như một tiêu chuẩn công nghiệp bởi các nhà sản xuất mạch in PCB để chỉ khối lượng đồng trải đều trên diện tích 1 ft² (1 foot ~ 12 inch/0.3048 m).
1oz/ft² ~ 0.035 mm ~ 1.37 mil. Nghĩa là một lớp đồng chuẩn 1 oz sẽ có độ dày khoảng 0.035 mm (35 µm).
Hình 1. Bo mạch PCB 2 lớp thông thường với độ dày lớp đồng 1oz (0.035 mm)
2. Làm sao để xác định độ dày lớp đồng
Độ dày đồng thường được xác định ở 2 bối cảnh trước và sau khi gia công hoàn thiện mạch PCB.
- Khi bạn lựa chọn độ dày lớp đồng của bo mạch PCB là 1oz. Nhà sản xuất sẽ sử dụng các tầm phíp được ép lớp sẵn với độ dày lớp đồng là 1 oz.
- Sau khi chế tạo, thường độ dày này sẽ được tăng lên do đồng được mạ trong quá trình hình thành Via. Nhà máy thường đo độ dày đồng bằng cách phân tích mặt cắt ngang của bo mạch dưới kính hiển vi hoặc các thiết bị đo độ dày bề mặt chuyên dụng như Profilometer. Thông thường sai lệch này sẽ nằm trong khoảng 10%.
Hình 2. Lớp đồng trên mạch PCB trước và sau quá trình ăn mòn.
3. Các thông số độ dày đồng thông thường cho mạch PCB
Dưới đây là một số kích thước độ dày đồng thường dùng khi gia công mạch PCB:
- 0.5 oz (17 µm): thường sử dụng cho các lớp bên trong của mạch PCB nhiều lớp hoặc các mạch đặc biệt như mạch dẻo FPC
- 1 oz (35 µm): Tiêu chuẩn thông thường của phần lớp các mạch PCB
- 2 oz (70 µm): Thường sử dụng cho các mạch nguồn, tự động hóa, công nghiệp
- Từ 3 oz (105 µm) trở lên: Thường cho các thiết kế mạch yêu cầu khả năng chịu dòng cao
Bảng 1. Độ dày đồng theo tiêu chuẩn IPC-6012
4. Số lớp mạch ảnh hưởng đến độ dày đồng như thế nào
Sự khác biệt về độ dày đồng giữa lớp ngoài và lớp trong có thể thấy rõ khi chuyển từ mạch in 2 lớp sang mạch in nhiều lớp. Thông thường, độ dày 1 oz đồng được sử dụng cho 2 lớp ngoài cùng của bo mạch, và nếu là bo mạch nguồn nhỏ gọn, chúng ta có thể sử dụng 2 oz. Các lớp đồng ở giữa (bên trong) sử dụng độ dày 0.5 oz để tiết kiệm không gian và đảm bảo khả năng sản xuất.
Càng nhiều lớp, lượng đồng sử dụng trong bo mạch càng nhiều, và lớp đồng càng dày đòi hỏi lớp điện môi K dày hơn và cao hơn để cách điện. Khoảng cách giữa các lớp càng lớn sẽ dẫn đến sự không tương thích trở kháng và làm tăng tổng chi phí của toàn bo mạch. Tuy nhiên, nhìn chung, chúng ta sẽ có được khả năng tản nhiệt và dẫn nhiệt tốt hơn.
Hình 3. Ví dụ về layer stackup cho mạch 6 lớp.
5. Việc lựa chọn “độ dày đồng” (Copper thickness) ảnh hưởng đến thiết kế như thế nào?
- Khả năng chịu dòng: Độ dày đồng quyết định mức dòng lớn mà đường mạch có thể chịu được mà không bị quá nhiệt. Với bo mạch công suất, nếu chỉ dùng lớp đồng mỏng sẽ dễ làm đường mạch bị nóng, sụt áp hoặc thậm chí cháy. Độ dày đồng có thể được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn IPC-2152
- Hỗ trợ quản lý nhiệt: Lớp đồng dày giúp lan tỏa nhiệt từ linh kiện ra khắp tấm PCB, giúp bo mạch ổn định hơn khi thiết bị hoạt động lâu hoặc chịu dòng lớn. Ngoài ra, đồng dày cũng làm PCB cứng và bền hơn — ưu điểm cho mạch công nghiệp, automotive, môi trường khắc nghiệt…
- Tính toàn vẹn của tín hiệu và trở kháng: Độ dày đồng, cùng với chiều rộng (width), độ dài (length) và khoảng cách (spacing) giữa các dây dẫn ảnh hưởng đến trở kháng, nhiễu, chất lượng truyền tín hiệu — đặc biệt với mạch high-speed, RF, hoặc mạch nhiều lớp.
- Cơ tính & độ bền vật lý: Lớp đồng dày giúp đặc tính cơ học của bo mạch tốt hơn — ít cong vênh, ít gãy, chịu stress tốt hơn, đặc biệt đối với mạch công suất, kích thước mạch lớn, nhiều lớp.
- Chi phí & khả năng chế tạo: Lớp đồng càng dày đẫn đến chi phí sản xuất càng cao: tốn vật liệu, quá trình mạ/ăn mòn tốn thời gian, công nghệ phức tạp hơn. Ngoài ra, nếu đồng dày yêu cầu kích thước dây nhỏ, độ chính xác cao thì rất khó sản xuất.
6. Cân bằng lượng đồng trên mạch
Sự phân bố đồng không đồng đều trên toàn bộ bo mạch có thể gây ra các vấn đề trong quá trình gia công chế tạo. Vấn đề này còn nghiêm trọng hơn trong quá trình mạ và ăn mòn. Sự chênh lệch về mật độ đồng giữa các khu vực trên bo mạch có thể dẫn đến cong vênh bảng mạch… Do vậy, việc điều chỉnh sự phân bố đồng trên toàn bộ PCB sao cho cả hai mặt và các vùng khác nhau đều được phủ đồng đều là rất quan trọng.
Mỗi nhà sản xuất PCB đều có các thuật toán riêng để phân tích sự phân bố đồng trong dữ liệu mạch (artwork) mà khách hàng cung cấp. Đội ngũ kỹ sư công nghệ của nhà máy sẽ xác định lượng đồng cần bổ sung để đạt được độ mạ đồng đồng đều trên toàn bộ bề mặt. Lượng đồng bổ sung này được thêm vào dưới dạng các chấm hoặc các hình vuông nhỏ… nhằm đảm bảo khả năng chế tạo của bo mạch.
Hình 4. Việc sử dụng các chấm đồng xung quanh BGA giúp cân bằng mật độ đồng trên mạch.
7. Phủ đồng (Copper Pour) là gì
Phủ đồng về cơ bản là tạo một vùng đồng lớn, liên tục, lấp đầy các khoảng trống chưa sử dụng trên mạch PCB. Thay vì để các vùng không được định tuyến như một lớp nền trần, người ta “phủ” đồng lên các vùng này và liên kết với nhau thành một mạng lưới cụ thể và thường được nối đất. Việc phủ đồng phục vụ nhiều mục đích:
- Về mặt điện, nó làm giảm trở kháng tổng thể của các đường dẫn trở về và cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu bằng cách tạo ra một mặt phẳng tham chiếu rộng.
- Nó cũng giúp quản lý nhiệt. Một vùng đồng lớn hơn có thể tản nhiệt ra khỏi các linh kiện và tản nhiệt hiệu quả hơn.
- Về mặt sản xuất, việc sử dụng đổ đồng giúp giảm thiểu lượng đồng phải được ăn mòn trong quá trình gia công chế tạo.
8. Kết Luận
Độ dày đồng có vẻ như là một thông số kỹ thuật nhỏ mà chúng ta phải chọn khi đặt mạch PCB. Nhưng trên thực tế, nó quyết định khả năng chịu dòng điện của bo mạch, khả năng tản nhiệt cũng như độ tin cậy của bo mạch khi sử dụng thực tế. Đối với người thiết kế, việc hiểu các quy đổi đơn vị và tiêu chuẩn IPC là rất quan trọng. Vì vậy, khi bạn đặt mạch PCB, đừng chỉ lựa chọn độ dày đồng 1oz theo mặc định, mà hãy tự hỏi thiết kế của tôi liệu có cần nhiều đồng hơn để xử lý dòng điện hay tản nhiệt không? Đồng dày hơn có ảnh hưởng đến trở kháng hay khả năng sản xuất không nhé.
Nếu bạn cần đặt mạch PCB với các độ dày đồng đa dạng và giá thành rẻ nhất hãy liên hệ đặt mạch qua Hatakey nhé!