Capacidad de conducción de corriente de las vías en una PCB: ¿Qué tan caliente es "demasiado caliente"?

Una pregunta muy común de los diseñadores, particularmente de los diseñadores nuevos que están aprendiendo acerca de los estándares industriales, es acerca de la capacidad de la conducción de corriente de los conductores en una PCB. La capacidad de conducción de corriente de las trazas y las vías son puntos legítimos del diseño en los que hay que enfocarse al diseñar una nueva placa que trabaje con corrientes altas. El objetivo es mantener las temperaturas de los conductores debajo de un límite apropiado, lo cual también ayuda a mantener frescos los demás componentes de la placa.

A pesar de que la capacidad de conducción de corriente recomendada en las trazas ha sido muy investigada y se encuentra bien documentada en los estándares IPC 2152, las vías en las tarjetas multiplaca han recibido mucha menos atención. Algunos buenos samaritanos han estado ocupados investigando estas preguntas centradas en la capacidad de transporte de corriente en las vías y los límites de temperatura, y cómo estos se comparan con la temperatura de una traza típica llevando la misma corriente. Adentrémonos en el estado actual de las demandas térmicas en las vías de un PCB, y cómo estos se comparan con las de las trazas internas y externas en un PCB.

¿Qué es la capacidad de conducción de corriente en una vía?

Todas tus trazas tienen una capacidad de transporte de corriente específica, la cual puede ser determinada utilizando el peso del cobre y el incremento deseado de temperatura utilizando el nomograma del IPC 2152. El objetivo de redimensionar trazas es lograr que tus placas y componentes se mantengan en una temperatura operacional segura. Las reglas para redimensionar trazas son en general aplicables a las vías, aunque quizás haya ciertas reservas tomadas por los diseñadores con respecto a una temperatura segura de vía. Incluso, he visto diseñadores novatos preocupándose por la fundición de una vía en el caso de que la temperatura aumentase demasiado. A pesar de que tus vías no se calentarán hasta este punto, es importante comparar la temperatura de tus vías con la de las trazas y planos a los que están conectadas.

OneUno podría suponer que la vía, al estar conectada a cada terminal de una traza caliente con una alta corriente, tendrá una temperatura como máximo de la traza conectada a ésta. Esto pareciera tener sentido; las trazas conectadas y cualquiera de los planos cercanos pueden calentarse mucho con altas corrientes (bajo peso de cobre a ~5-10 A), entonces ¿el calor no se acumularía en la vía? Además, uno podría concluir que las trazas en una capa superficial estarían más frescas que las trazas en una capa interior, por lo que ¿no causaría esto que la vía adquiera una temperatura mayor dado que pasa a través de las capas interiores? Estas preguntas circundan temas importantes relacionados a la fiabilidad de las vías, particularmente las micro vías.

En efecto, la situación real puede ser hasta contraria a nuestra intuición. En primer lugar, las trazas en la capa superficial serán más calientes que aquellas de una capa interna. Esto se debe a que la conductividad térmica del FR4 (aproximadamente 0.25 W/m⋅K) es un orden de magnitud más alta que la del aire; hay opciones alternativas de sustratos que proveen una conductividad térmica más elevada. Esto implica que el sustrato actúa como un sumidero de calor para los conductores que pasan a través del sustrato. Esto es también aplicable a las vías, lo cual explica por qué las vías tienden a estar más frías que las trazas conectadas a ellas.

Resultados Experimentales

Un artículo reciente publicado por Douglas Brooks y Johannes Adam en el Signal Integrity Journal contiene algunas medidas experimentales de la temperatura en trazas y vías que transportan alta corriente. Por lo que yo conozco, estas mediciones nos proveen de la primera comparación de la temperatura en las trazas diseñadas conforme a los estándares IPC 2152 con una vía conectadas a ellas. Estas mediciones y los resultados de simulaciones se muestran en las tablas debajo.

Por supuesto, esto es mucho menor a lo estipulado por la regla de "menos de 0.5 A" vista en algunos foros. Estas reglas "a ojo" tienden a ser conservativas por demás, por lo que está bien seguirlas en la mayoría de los casos. Sin embargo, si necesitas suministrar una corriente DC alta, quizás sea peor el atravesar planos con un número excesivo de vías. Ten esto en cuenta cuando elijas el número de vías necesario para suministrar energía. Si eliges un límite menos conservativo de 1A por vía, y necesitas suministrar 5A instantáneamente, entonces 5 vías grandes con un chapado grueso estaría bien, siempre que la temperatura de tus vías no aumente mucho cerca de algún componente. El peligro aquí no es el de una temperatura alta; yo diría que es más la oscilación de la temperatura. Si hay una oscilación repetida entre temperaturas muy altas y bajas, la vía podría eventualmente sufrir una fatiga, y posteriormente una falla.

Análisis

Aquí, podemos ver que las trazas finas tienden estar más calientes que las vías conectadas a ellas, con una diferencia en la temperatura de unos grados Celsius. Esto puede ser atribuido a las diferencias en la conductividad térmica entre la traza expuesta al aire, y la vía. En efecto, el calor es disipado más rápidamente en la vía que en la traza fina.

Los resultados presentados más arriba muestran una contradicción al argumento de la conductividad térmica que mencioné anteriormente. Cuando la traza se hace más ancha (200 mils), la traza estará menos caliente que la vía, a pesar de que la diferencia entre sus temperaturas sean muy pocos grados Celsius. El flujo de calor saliente de la traza depende del área superficial expuesta, y la conductividad térmica del medio. En este caso, en el que la traza ancha tiene una gran área superficial expuesta, el calor se disipa más rápido de la traza que de la vía. Esto causa que la traza tenga una temperatura menor de equilibrio. Esta relación la podemos resumir bonitamente de la siguiente forma:

• Cuando la traza es fina, la vía actúa como un pequeño sumidero de calor para la traza.
• Cuando la traza es ancha, la traza actúa como un pequeño sumidero de calor para la vía.

Hay otros puntos a considerar en este análisis. En primer lugar, no hemos considerado los planos de capas, y estos planos actuarán como un gran sumidero de calor, reduciendo aún más la temperatura de los conductores. Además, los sustratos alternativos con una alta conductividad térmica (por ejemplo, los cerámicos o PCBs de núcleo metálico) absorberán aún más calor de los conductores, logrando una menor temperatura de equilibrio para todos los conductores.

El Veredicto

Siempre que las trazas de tu PCB estén dimensionadas acorde a los anchos mínimos de traza especificados en el estándar IPC 2152, y tus vías tengan un chapado lo suficientemente grueso, en general no tendrás que preocuparte acerca de un incremento de temperatura en tus vías. El calor en exceso del interior de las vías se disipará en el sustrato y las trazas cercanas. En el caso en el que tus trazas sean muy anchas, éstas tendrán una mayor superficie a través de las cuales podrán disipar el calor en comparación a las vías. En este caso, el calor se libera las trazas a una mayor tasa que la liberación en las vías, por lo que las trazas lograrán una menor temperatura de equilibrio. Esto fue confirmado en el estudio experimental de Douglas Brooks y Johannes Adam en SIJ.

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