Densidad de Corriente de Cobre para Simulaciones, Utilizando Reglas de Diseño de PCB Rápidas y Sencillas

En mi artículo anterior, Inicio Rápido del Analizador de PDN en una PCB para Controlador de Motor, MattPVD hizo la pregunta, "¿Cómo se determina una densidad de corriente aceptable?" Tengo que admitir que pasé mucho tiempo intentando responder esta exacta pregunta cuando estaba creando la simulación para la placa. ¿Qué densidad de corriente es aceptable? El IPC tiene pautas escondidas en sus documentos, pero tienes que pagar para acceder a esos documentos, lo que significa que no es un consejo que todos puedan utilizar.

En mi mente, la densidad de corriente de una pista se reduce principalmente a restricciones térmicas. Esto es exactamente lo mismo que en un circuito integrado de alta corriente; el factor limitante va a ser más comúnmente cuán caliente se pondrá con la disipación térmica y la carga que se le aplique. Esto dependerá completamente de la implementación específica de la placa, así que desafortunadamente, no creo que una regla estricta o un conjunto de pautas vayan a ser óptimos para cualquier diseño.

En lugar de centrarme en directrices específicas, quiero compartir cómo aplico reglas prácticas de diseño de PCBs para estimar una densidad de corriente de cobre razonable para un diseño dado. Aunque herramientas de simulación térmica como Ansys IcePak pueden proporcionar percepciones precisas, utilizar herramientas como PDN Analyzer ofrece una manera efectiva de evaluar si tu diseño va por buen camino antes de comprometerse a pruebas en el mundo real o herramientas de simulación más costosas. Este enfoque ayuda a validar la dirección de tu diseño, especialmente cuando estás empujando los límites del rendimiento.

¿Por Qué Importa la Densidad de Corriente?

Un calculador de densidad de corriente ayuda a determinar el calor generado en las pistas de cobre. Áreas más pequeñas de cobre resultan en una mayor resistencia, lo que lleva a un aumento de la caída de voltaje y calor a medida que aumenta la corriente. Calcular adecuadamente la densidad de corriente es esencial para gestionar el calor en tu diseño de PCB y asegurar un rendimiento confiable.

Si tu pista se calienta demasiado, podría:

• Deslaminar la placa (causar el fallo del sustrato)
• Desprenderse de la placa (soltarse)
• Causar el apagado térmico de partes cercanas en el mismo conductor de cobre
• Derretir/romper la pista
• Reducir considerablemente la vida de los componentes en la placa

Ninguno de estos son resultados deseables, por lo que queremos asegurarnos de que la densidad de corriente en nuestras placas va a estar dentro de márgenes sensatos.

¿Cómo podemos determinar la densidad de corriente máxima del cobre?

Probablemente haya mejores maneras de determinar la densidad de corriente que esta. Sin embargo, si solo estás verificando la coherencia de tu diseño, esto debería darte un valor lo suficientemente bueno con el que trabajar.

Si sabes cuánta corriente necesitas conducir a través del cobre de tu PCB, cuál es probablemente la temperatura ambiente máxima de servicio y la temperatura máxima que puede alcanzar tu traza, puedes usar las fórmulas de IPC-2221 para calcular el ancho de traza apropiado. Ah, te oigo decir, “¿No es todo el punto de esto porque no tenemos acceso a la literatura de IPC?” Bueno, afortunadamente, ¡muchos calculadores en línea de ancho de traza tienen estas fórmulas!

Estoy usando el calculador en el sitio web de Advanced Circuits website, y como no estoy ubicado en EE. UU., Liberia o Myanmar, usaré métricas para estos cálculos. Puedes usar las unidades que más te alegren.

Para este ejemplo, voy a decir que necesitamos conducir 30A en el PCB, en una capa externa. Esta restricción de la capa externa es importante por 2 razones:

1. Muchos fabricantes de PCB utilizan una densidad de corriente de cobre más delgada en las capas internas,
2. las capas internas están aisladas por el PCB, y por lo tanto, no se enfriarán tan eficazmente como las capas externas. 

Quiero simular esta placa en PDN Analyzer, pero para usar las comprobaciones de corriente que ofrece el software, necesito saber primero la densidad de corriente. Espero que mi placa se use a una temperatura máxima de servicio de 45°C. Deberías considerar cuán caliente estará el interior de tu carcasa si estás usando una, y también deberías tener en cuenta el clima de los diversos países en los que tu placa podría ser utilizada. Quiero que mi temperatura máxima se mantenga por debajo de 130°C, que es la temperatura de transición vítrea (Tg) de mi placa. La temperatura de transición vítrea es el punto por encima del cual tu placa comienza a ablandarse y será mucho más propensa a delaminarse o fallar. También voy a usar una densidad de corriente de cobre estándar de 35μm de espesor, pero si tu placa lo requiere, puedes obtener densidades de corriente de cobre más pesadas/gruesas y placas con Tg más alto de la mayoría de los proveedores como opciones estándar.

Con este conjunto de entradas, voy a calcular el ancho mínimo absoluto de traza que podría usar. Utilizar este ancho de traza probablemente resultará en una vida útil corta para el PCB, y hará que su producto falle de maneras interesantes y creativas en servicio.

Podemos entonces usar este ancho mínimo de traza para calcular el límite superior absoluto de la densidad de corriente que queremos en la placa. Simplemente multiplica el ancho de la traza por el grosor de la placa. Dado que este artículo trata sobre reglas rápidas y sucias para el diseño de PCBs, simplemente usaremos la Calculadora de Google para hacer el cálculo así no tenemos que preocuparnos por las conversiones de unidades.

Simplemente busca (8.93mm*35um) a mm2 en Google.

Ahora sabemos que necesitamos 0.31255mm2 de área de cobre para conducir 35A si queremos calentar la placa hasta su temperatura de transición vítrea. Lo que necesitamos para el PDN Analyzer, sin embargo, es la densidad de corriente en amperios/mm2. Por lo tanto, simplemente dividimos la corriente que asumimos por el área que calculamos—entonces 35/0.31255—para obtener 111.98A/mm2.

Por supuesto, este es nuestro límite absoluto, y sería una locura que nuestro diseño lo utilizara. Si tu diseño supera el límite de corriente que calculas aquí, probablemente necesite un poco de revisión.

¿Cómo podemos determinar una densidad de corriente sensata?

Si queremos que el producto dure mucho tiempo, también necesitamos averiguar qué densidad de corriente de cobre queremos que cumpla la gran mayoría de la placa. Es probable que algunas áreas que superen esta densidad de corriente estén bien, especialmente si están rodeadas por muchas áreas de densidad de corriente más baja. Recuerda que el cobre es un muy buen conductor de calor, así como de corriente, por lo que una pequeña sección de alta densidad de corriente puede calentarse, pero también puede conducir ese calor hacia los vertidos de cobre vecinos. Estaría contento con que el estrechamiento de una pista que entra en un CI, por ejemplo, tenga una densidad de corriente más alta de lo que calculamos aquí, siempre y cuando el resto de la pista sea sensato.

Utilizando el mismo método que usamos antes para calcular el ancho de la pista, podemos calcular nuestra densidad de corriente deseada de cobre simplemente cambiando el aumento máximo de temperatura a algo un poco más sensato. Voy a intentar mantener todas mis pistas por debajo de 65°C, parece una buena temperatura y debería evitar que los IC conectados se calienten demasiado. Con una temperatura ambiente de 45°C, esto solo me deja con un aumento de temperatura permisible de 20°C en lugar de los 85°C que calculamos originalmente.

¡Eso es mucho más cobre! El área total es ahora de 0.7525 mm2, dándonos un mucho más sensato 46.5A/mm2 para usar en propósitos de simulación.

Un Pequeño Consejo sobre Simulación

Estos números van a variar, dependiendo de las necesidades específicas de tu proyecto. No uses simplemente mis números, ya que pueden no ser apropiados para tu diseño específico.

La mayoría de tus semejantes consideran que 55°C es extremadamente caliente al tocarlo. Les resulta demasiado incómodo mantener su piel en contacto. Si realizas muchas soldaduras, probablemente tendrás un umbral mucho más alto para considerar algo demasiado caliente. Esto vale la pena mencionarlo porque si tu producto va a tener el área conductora que estás diseñando expuesta al tacto humano, quizás quieras considerar mantener la temperatura del trazo por debajo de 55°C para que los usuarios no se quejen de que tu producto los está quemando.

Si tienes grandes áreas de tu placa que apenas superan la densidad de corriente, es probable que se sobrecalienten. Necesitas hacer un juicio sobre qué balance de áreas calientes y frías en tu placa es adecuado. Si simulas una placa que tiene el 30% de su área cubierta con un trazo que estará a 60°C bajo carga, a una temperatura ambiente de 25°C, tu placa en sí probablemente estará cerca de los 50°C en general con esa carga, por lo que tu temperatura ambiente puede necesitar ser reconsiderada.

Si tienes conectados capacitores electrolíticos al área de cobre que va a tener temperaturas más altas, es posible que quieras revisar su hoja de datos para conocer la temperatura máxima de servicio o la reducción de la vida útil a determinada temperatura. Un capacitor electrolítico de aluminio barato que podría durar años a temperaturas ambiente, podría sobrevivir tan solo 500 horas a 85°C. Eso es menos de un mes, y probablemente tus clientes/usuarios esperan que su dispositivo dure más que eso.

Si sientes que realmente estás llevando al límite tus simulaciones, deberías realizar una evaluación más extensa de tu diseño en Ansys IcePak o llevar a cabo pruebas extensivas en el mundo real. Una cámara térmica y una lata de pintura en aerosol negra son más baratas que IcePak, pero en las pruebas del mundo real, puede ser más difícil simular una variedad de condiciones sin cámaras ambientales costosas. Los metales reflejan longitudes de onda térmicas, así que para obtener una lectura precisa, rocía toda tu placa con pintura en aerosol negra antes de probarla con una cámara térmica.

Conclusión

Mi forma de calcular una densidad de corriente aceptable podría caer bajo algunas de las reglas de diseño de PCBs más rudimentarias, pero debería darte una idea de si tu diseño va por buen camino. Las implicaciones térmicas de trazas con alta corriente/temperatura pueden ser variadas para toda tu placa de circuito y deberían ser consideradas. Debido a este hecho, no recomendaría buscar una densidad de corriente estándar de oro para mantenerse por debajo en todos tus PCBs. 

Si estás diseñando placas de alta potencia, tu densidad de corriente aceptable probablemente sea mucho mayor que la de una red de distribución de energía que suministra microcontroladores o dispositivos lógicos.

El diseño específico de tu dispositivo, el entorno operativo y las opciones de carcasa afectarán en gran medida qué densidad de corriente es aceptable para tu diseño. Espero que esta guía te ayude a determinar cuál es un límite aceptable, para que puedas usar una herramienta como PDN Analyzer para verificar la cordura de tu diseño antes de prototiparlo.