Skutečná tloušťka mědi na DPS se liší od předpokládané

V souvislosti s tloušťkou mědi na desce plošných spojů se používá několik výrazů, které mohou při nedostatečném vysvětlení způsobit určité nejasnosti. Někdo například uvádí 15 μm (0,6 mils) pro tloušťku mědi s údajem 0,5 oz., ale přitom by to mělo být 18 μm (0,7 mils). Jak to vlastně je?

Na obr. 1 je diskutovaná tloušťka mědi označena jako „t“. Nejdříve si vysvětlíme důvod, proč výrobci měděných fólií uvádějí tloušťku pomocí hmotnosti, navíc v imperiálních jednotkách – uncích.

Obr. 1 Parametr „t“ ukázaný v řezu vnitřního plošného spoje (stripline) představuje diskutovanou tloušťku (Zdroj: Z-zero Z-solver)

Hmotnost v uncích jako míra tloušťky měděné fólie

Kdyby se vás někdo zeptal, jak jste vysoký, a vy jste odpověděl 90 kg, považoval by vás za blázna. Ale v elektronice je hmotnost v uncích (oz) stále ještě používaná jako míra tloušťky mědi.

Používání unce pro tloušťku má svůj historický původ v odvětví průmyslu, které se zabývalo zlatými fóliemi. Představuje množství kovu, které je rozprostřeno na jednu čtvereční stopu (square foot – sq. ft).

Dnešní měděné fólie jsou tak podobně vyráběny a prodávány s ohledem na hmotnost a má to svůj dobrý důvod. V obou případech se používají imperiální jednotky pro hmotnost − unce (oz) a plochu − square foot (sq. ft).

Pro vyjádření v metrické soustavě platí přibližně tyto vztahy:
1 oz = 0,028 kg
1 sq. ft = 0,093 m²

Nominální tloušťka

Určení tloušťky měděné fólie (rolled / electro-deposited) pomocí hmotnosti je přesnější než při použití dotykových měřidel. Protože topografie zpracované mědi se dost liší a protože hustota mědi je známá, zvážení měděné fólie o rozměrech 1 × 1 ft je nejlepší způsob k určení průměrné tloušťky měděné fólie. Zde je potřeba upozornit na to, že formálně se tloušťka uvádí v uncích (oz), ale ve skutečnosti je to hmotnost v uncích na jednu čtvereční stopu (sq. ft). Tabulka 1 ukazuje několik příkladů tlouštěk měděné fólie podle hmotnosti s odpovídajícími hodnotami nominálních tlouštěk a tlouštěk po zpracování podle standardu IPC. Tak například měď 1 oz. je silná 34,3 μm (0,00135"), což je její nominální tloušťka.

Někdy se udává trochu jiná nominální hodnota, ale výrobci desek se drží standardu IPC-4562A (Metal Foil for Printed Board Applications). Pokud váš dodavatel laminátu nebo mědi udává jiné hodnoty, je dobré použít tento standard pro kontrolu a porovnání. EDA softwarové nástroje používají rovněž nominální hodnoty při vytváření složení vrstev desky (stackup) častěji než hodnoty udávané výrobcem.

Tolerance tloušťky

Spojitost mezi tloušťkou mědi a její hmotností (oz/sq. ft) se stává zajímavější, pokud se vezmou v úvahu tolerance popsané ve standardu IPC-4562A. Ten říká, že minimální tloušťka by neměla být více než o 10 % nižší než nominální hodnota (viz tabulka 1). Výrobci měděných fólií toho využívají k tomu, že drží hmotnost mědi nad 90 % nominální hodnoty a šetří tak náklady, protože dodávají fólii ve stále ještě dovolené tloušťce, ale menší než nominální. Obr. 2 ukazuje všechny hodnoty tloušťky pro měď 1 oz.

Obr. 2 Variace tloušťky měděné fólie 1 oz., včetně tloušťky, kterou většina návrhářů desek předpokládá. Assumed (předpokládaná), Nominal, With Tol. (s tolerancí), After Fab (po výrobě desky)

Tloušťka po výrobě desky

Po výrobě desky (After Fabrication), včetně leptání a čištění, je konečná tloušťka mědi v průměru o 5 μm (0,2 mils) menší než předpokládaná (1,4 mils) u mědi s hmotností 1 oz (viz obr. 2). Tabulka 1 ukazuje, že měď 0,5 oz bude mít konečnou tloušťku kolem 15 μm (6 mils). Výrobce desek může mít různý proces leptání a tím i trochu odlišný výsledek od uvedeného.

Jedno porovnání pro zajímavost – aluminiová fólie (alobal) používaná v kuchyni je silná asi 15 μm (0,6 mils), takže je zhruba stejná jako měděná fólie 0,5 oz.

Používání nesprávné tloušťky mědi

Používání nepřesné hodnoty tloušťky mědi má několik negativních dopadů, i když se jedná o velmi malé hodnoty. Jedním problémem jsou nesprávné výsledky při analýze signálové integrity a přeslechů, kterou návrháři desek provádějí. Rozdíly běžně nejsou veliké, ale v případě signálů s milivolty a pikosekundami již hrají velkou roli. Ovlivněna bude i diferenciální impedance spojů.

Druhým problémem může být jiná výsledná tloušťka desky plošných spojů, než je očekávána. Na čtyřvrstvé desce není ještě rozdíl veliký, ale na dvacetivrstvé desce s mědí 1 oz. se už deska může lišit v tloušťce o více než desetinu milimetru.

Celý článek na toto téma je k dispozici na webových stránkách autora [1].