PCB đồng dày là gì? Ưu điểm, ứng dụng và quy trình sản xuất

PCB đồng dày (Thick Copper PCB / Heavy Copper PCB) là loại bo mạch in sử dụng lớp đồng có độ dày lớn hơn PCB thông thường. PCB đồng dày được thiết kế để đáp ứng các ứng dụng yêu cầu dòng điện cao, khả năng tản nhiệt tốt, độ bền cơ học cao và giảm tổn hao trên đường mạch.

Trong khi PCB thông thường thường sử dụng đồng 1 oz (khoảng 35 µm), PCB đồng dày có thể sử dụng 2 oz, 3 oz, 4 oz, 5 oz, 6 oz, 10 oz hoặc cao hơn, tùy cấu trúc PCB và khả năng sản xuất.

PCB đồng dày được sử dụng phổ biến trong nguồn công suất, biến tần, bộ điều khiển động cơ, thiết bị công nghiệp, năng lượng mặt trời, xe điện, bộ sạc và các hệ thống điện công suất lớn.

PCB đồng dày là gì?

Độ dày lớp đồng trên PCB thường được biểu thị bằng đơn vị oz (ounce).

Một số giá trị phổ biến:

Trong đó:

• 1 oz: PCB đồng tiêu chuẩn.

• 2 oz – 3 oz: PCB đồng dày phổ biến.

• 4 oz – 6 oz: PCB công suất cao.

• 10 oz trở lên: PCB Heavy Copper cho các ứng dụng đặc biệt.

Độ dày đồng càng lớn thì khả năng dẫn dòng của đường mạch càng cao, đồng thời điện trở của đường dẫn giảm.

PCB đồng dày khác PCB thông thường như thế nào?

Điểm khác biệt lớn nhất nằm ở độ dày lớp copper.

Ví dụ một PCB thông thường:

Copper 1 oz
──────────────
FR-4
──────────────
Copper 1 oz

Trong khi PCB đồng dày có thể sử dụng:

Copper 3 oz
══════════════
FR-4
══════════════
Copper 3 oz

Lớp đồng dày hơn cho phép thiết kế các đường mạch có khả năng chịu dòng điện lớn hơn.

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng chỉ cần tăng độ dày đồng là PCB có thể chịu mọi mức dòng điện. Khả năng chịu dòng còn phụ thuộc vào:

• Chiều rộng đường mạch.

• Độ dày copper.

• Nhiệt độ môi trường.

• Nhiệt độ tăng cho phép.

• Chiều dài đường mạch.

• Copper ở lớp ngoài hay lớp trong.

• Khả năng tản nhiệt của PCB.

• Via và kết nối giữa các lớp.

Ưu điểm của PCB đồng dày

1. Khả năng dẫn dòng cao

Đây là ưu điểm quan trọng nhất của PCB đồng dày.

Khi lớp đồng dày hơn, tiết diện dẫn điện của đường mạch tăng lên. Nhờ đó PCB có thể đáp ứng các đường nguồn và đường công suất lớn hơn.

PCB đồng 2 oz hoặc 3 oz thường phù hợp với các thiết kế yêu cầu dòng cao hơn PCB 1 oz.

2. Giảm điện trở đường mạch

Điện trở của đường dẫn phụ thuộc vào vật liệu, chiều dài và tiết diện.

Khi tăng độ dày copper, tiết diện đường dẫn tăng và điện trở có thể giảm.

Điều này giúp giảm:

• Sụt áp.

• Tổn hao công suất.

• Nhiệt phát sinh trên đường mạch.

3. Tản nhiệt tốt hơn

Đồng có khả năng dẫn nhiệt tốt. Lớp copper dày có thể giúp truyền nhiệt từ khu vực công suất ra vùng copper lớn hơn hoặc tới các cấu trúc tản nhiệt thích hợp.

Đặc biệt hữu ích đối với:

• MOSFET công suất.

• IGBT.

• Diode công suất.

• Bộ chỉnh lưu.

• IC nguồn.

• Bộ điều khiển động cơ.

4. Độ bền cao

Lớp đồng dày giúp PCB có kết cấu chắc chắn hơn ở những khu vực cần đường dẫn công suất lớn.

PCB Heavy Copper có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp và các thiết bị yêu cầu độ tin cậy cao.

Ứng dụng của PCB đồng dày

PCB đồng dày được sử dụng trong nhiều lĩnh vực điện tử công suất.

Nguồn công suất

Các bộ nguồn công suất cao thường yêu cầu đường dẫn dòng lớn.

PCB đồng 2 oz, 3 oz hoặc cao hơn có thể được sử dụng cho:

• Switching Power Supply.

• AC-DC Power Supply.

• DC-DC Converter.

• UPS.

• Bộ nguồn công nghiệp.

Biến tần và điều khiển động cơ

PCB đồng dày được sử dụng trong:

• Inverter.

• Motor Controller.

• Servo Controller.

• Bộ điều khiển động cơ DC.

• Bộ điều khiển động cơ AC.

Các đường mạch công suất cần được thiết kế với chiều rộng và độ dày copper phù hợp với dòng điện.

Năng lượng mặt trời

Trong hệ thống Solar và Renewable Energy, PCB đồng dày có thể được sử dụng trong:

• Solar Inverter.

• MPPT Controller.

• Battery Management System.

• Bộ chuyển đổi DC-DC.

• Bộ sạc pin công suất lớn.

Xe điện và bộ sạc

PCB đồng dày cũng được ứng dụng trong:

• EV Charger.

• Battery Charger.

• Motor Controller.

• Power Distribution.

• Battery Management System.

Thiết bị công nghiệp

Một số thiết bị công nghiệp yêu cầu PCB có khả năng chịu dòng và nhiệt cao như:

• Máy hàn.

• Bộ điều khiển công suất.

• Thiết bị gia nhiệt.

• Motor Driver.

• Industrial Power Supply.

• Thiết bị tự động hóa.

PCB đồng 2 oz, 3 oz và 4 oz khác nhau thế nào?

PCB đồng 2 oz

2 oz tương đương khoảng 70 µm.

Đây là lựa chọn phổ biến khi PCB cần chịu dòng cao hơn PCB 1 oz nhưng chưa cần Heavy Copper quá lớn.

Ứng dụng:

• Nguồn.

• LED công suất.

• Motor Driver.

• Mạch công nghiệp.

PCB đồng 3 oz

3 oz tương đương khoảng 105 µm.

Đây là lựa chọn phù hợp cho các thiết kế yêu cầu đường nguồn rộng và khả năng dẫn dòng cao.

PCB đồng 4 oz

4 oz tương đương khoảng 140 µm.

Thường được sử dụng cho các thiết kế công suất cao hơn và cần kiểm soát nhiệt tốt.

PCB đồng 5 oz – 10 oz

Đây là nhóm Heavy Copper PCB, phù hợp với những ứng dụng đặc biệt yêu cầu khả năng dẫn dòng rất cao.

Khi sử dụng copper từ 5 oz trở lên, thiết kế và quy trình sản xuất PCB cần được kiểm soát kỹ hơn.

PCB đồng dày có cần đường mạch rộng không?

Có.

Độ dày copper và chiều rộng đường mạch đều ảnh hưởng đến khả năng chịu dòng.

Ví dụ:

Copper 1 oz
────────────────────────
        TRACE

Copper 3 oz
════════════════════════
        TRACE

Copper 5 oz
████████████████████████
        TRACE

Tuy nhiên, không nên xác định chiều rộng trace chỉ dựa vào độ dày copper.

Khi thiết kế cần xem xét:

Current → Copper Thickness → Trace Width → Temperature Rise

Đối với đường công suất lớn, nên tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế PCB phù hợp và xác nhận khả năng sản xuất với nhà máy.

Via trên PCB đồng dày

Một vấn đề cần chú ý là via.

Khi dòng điện đi từ lớp trên xuống lớp dưới, dòng điện phải đi qua via. Vì vậy, một đường mạch sử dụng copper 3 oz nhưng chỉ có một via nhỏ có thể trở thành điểm giới hạn dòng điện.

Có thể sử dụng:

• Nhiều via song song.

• Via lớn hơn.

• Via stitching.

• Copper-filled via trong một số thiết kế đặc biệt.

• Via array cho vùng công suất.

Ví dụ:

TOP COPPER
════════════════════
████████████████████
   ● ● ● ● ● ●
   ● ● ● ● ● ●
════════════════════
BOTTOM COPPER

Các via song song giúp tăng khả năng truyền dòng và truyền nhiệt giữa các lớp.

PCB đồng dày cần lưu ý gì khi thiết kế?

1. Chiều rộng đường mạch

Đường công suất cần được tính toán dựa trên dòng điện thực tế và nhiệt độ tăng cho phép.

2. Khoảng cách cách điện

Khi điện áp cao, cần quan tâm đến:

• Clearance.

• Creepage.

• Điện áp làm việc.

• Điện áp chịu đựng.

Không nên chỉ tăng copper thickness mà bỏ qua khoảng cách cách điện.

3. Via

Đối với dòng lớn, nên thiết kế nhiều via song song thay vì chỉ sử dụng một via nhỏ.

4. Pad và footprint

Copper dày có thể ảnh hưởng đến quá trình hàn và nhiệt khi sản xuất.

Các linh kiện công suất cần được thiết kế footprint phù hợp với quy trình sản xuất thực tế.

5. Khả năng sản xuất

Không phải nhà máy PCB nào cũng sản xuất được mọi mức copper thickness.

Trước khi thiết kế PCB 4 oz, 6 oz hoặc 10 oz, nên xác nhận với nhà sản xuất về:

• Copper thickness.

• Minimum trace/space.

• Via size.

• Hole plating.

• PCB thickness.

• Số lớp.

• Stackup.

• Surface finish.

Quy trình sản xuất PCB đồng dày

Quy trình cơ bản gồm:

Thiết kế → Kiểm tra Gerber → Xác nhận vật liệu → Ép lớp → Khoan → Mạ đồng → Khắc mạch → Xử lý bề mặt → Kiểm tra → Test

Đối với PCB Heavy Copper, quá trình mạ và tạo hình đường mạch cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo độ dày copper và kích thước đường mạch theo yêu cầu.

PCB đồng dày có giá cao hơn không?

Có.

PCB đồng dày thường có giá cao hơn PCB 1 oz do:

• Lượng copper sử dụng nhiều hơn.

• Quy trình sản xuất phức tạp hơn.

• Thời gian xử lý có thể dài hơn.

• Yêu cầu máy móc và quy trình phù hợp.

• Yêu cầu kiểm tra cao hơn đối với PCB công suất.

Tuy nhiên, nếu thiết bị yêu cầu dòng điện lớn thì việc sử dụng PCB đồng dày có thể giúp giảm kích thước đường dây, giảm tổn hao và tăng độ tin cậy của sản phẩm.

Có thể đặt sản xuất PCB đồng dày theo Gerber không?

Có.

Để sản xuất PCB đồng dày, khách hàng nên cung cấp:

• File Gerber.

• File Drill.

• Số lớp PCB.

• Độ dày PCB.

• Độ dày copper từng lớp.

• Loại vật liệu.

• Surface Finish.

• Solder Mask.

• Yêu cầu impedance nếu có.

• Yêu cầu kiểm tra điện nếu cần.

Nếu PCB có đường công suất lớn, nên cung cấp thêm thông tin về dòng điện thiết kế để kiểm tra khả năng sản xuất.

So sánh độ dày copper PCB

PCB đồng dày phù hợp với những ai?

PCB đồng dày phù hợp với các doanh nghiệp và kỹ sư thiết kế:

• Nguồn công suất.

• Bộ điều khiển động cơ.

• Biến tần.

• Solar inverter.

• EV Charger.

• Battery system.

• Máy hàn.

• Thiết bị công nghiệp.

• Thiết bị công suất cao.

Nếu thiết kế của bạn chỉ là mạch Arduino, ESP32, vi điều khiển, relay hoặc mạch digital thông thường, PCB 1 oz thường đã đáp ứng tốt và giúp tối ưu chi phí.

Kết luận

PCB đồng dày là lựa chọn phù hợp cho các thiết kế yêu cầu dòng điện cao, tổn hao thấp, khả năng tản nhiệt tốt và độ tin cậy cao.

Các mức 2 oz, 3 oz và 4 oz phù hợp với nhiều ứng dụng điện tử công suất, trong khi 5 oz, 6 oz, 10 oz hoặc cao hơn thường được sử dụng cho các thiết kế Heavy Copper chuyên dụng.

Khi thiết kế PCB đồng dày, cần đồng thời xem xét độ dày copper, chiều rộng trace, via, nhiệt độ, clearance, creepage và khả năng sản xuất thực tế.

Nếu bạn đang cần sản xuất PCB đồng 2 oz, 3 oz, 4 oz hoặc Heavy Copper, hãy chuẩn bị Gerber và thông số kỹ thuật để kiểm tra khả năng sản xuất trước khi đặt hàng.

Câu hỏi thường gặp về PCB đồng dày

PCB đồng dày là gì?

PCB đồng dày là PCB sử dụng lớp copper có độ dày lớn hơn PCB tiêu chuẩn, thường từ 2 oz trở lên, nhằm đáp ứng yêu cầu về dòng điện và công suất cao.

PCB 2 oz dày bao nhiêu?

PCB copper 2 oz có độ dày danh nghĩa khoảng 70 µm.

PCB 3 oz dày bao nhiêu?

PCB copper 3 oz có độ dày danh nghĩa khoảng 105 µm.

PCB đồng dày có chịu được dòng lớn không?

Có, nhưng khả năng chịu dòng còn phụ thuộc vào chiều rộng và chiều dài đường mạch, độ dày copper, nhiệt độ môi trường và mức tăng nhiệt cho phép.

PCB đồng dày có tản nhiệt tốt hơn không?

Lớp copper dày có thể hỗ trợ truyền nhiệt tốt hơn, nhưng hiệu quả tản nhiệt còn phụ thuộc vào diện tích copper, via nhiệt, cấu trúc PCB và phương án tản nhiệt tổng thể.

Có thể sản xuất PCB đồng 10 oz không?

Có thể, nhưng PCB 10 oz thuộc nhóm Heavy Copper và cần xác nhận trước với nhà sản xuất về khả năng sản xuất, stackup, trace/space, via và độ dày PCB.

PCB đồng dày có đắt hơn PCB thường không?

Có. Chi phí thường cao hơn do lượng copper lớn hơn và quy trình sản xuất phức tạp hơn.

Có thể kết hợp đồng dày và đồng thường trên cùng PCB không?

Có thể trong một số cấu trúc PCB đặc biệt. Việc lựa chọn stackup và phương pháp sản xuất cần được nhà sản xuất xác nhận trước.

Có thể đặt PCB đồng dày theo file Gerber không?

Có. Gerber là một trong những định dạng phổ biến để sản xuất PCB. Với PCB đồng dày, cần cung cấp thêm thông tin về độ dày copper từng lớp và yêu cầu kỹ thuật liên quan.