Densité de courant du cuivre pour les simulations, en utilisant des règles de conception de PCB rapides et approximatives

Dans mon précédent article, Démarrage rapide du PDN Analyzer sur un PCB de pilote de moteur, MattPVD a posé la question : « Comment déterminer une densité de courant acceptable ? » Je dois avouer que j'ai passé beaucoup de temps à essayer de répondre exactement à cette question lorsque je créais la simulation pour la carte. Quelle densité de courant est acceptable ? L'IPC a des directives cachées dans leurs documents, mais vous devez payer pour y accéder, ce qui signifie que ce n'est pas un conseil que tout le monde peut utiliser.

À mon avis, la densité de courant d'une piste se résume principalement aux contraintes thermiques. C'est exactement la même chose qu'un circuit intégré à fort courant ; le facteur limitant est le plus souvent la chaleur générée par la dissipation thermique et la charge appliquée. Cela dépendra entièrement de la mise en œuvre spécifique de la carte, donc malheureusement, je ne pense pas qu'une règle stricte ou un ensemble de directives soit optimal pour tous les designs.

Plutôt que de me concentrer sur des directives spécifiques, je souhaite partager comment j'applique des règles de conception PCB pratiques pour estimer une densité de courant raisonnable dans le cuivre pour un design donné. Bien que des outils de simulation thermique comme Ansys IcePak puissent fournir des informations précises, l'utilisation d'outils comme PDN Analyzer offre un moyen efficace d'évaluer si votre design est sur la bonne voie avant de passer à des tests en conditions réelles ou à des outils de simulation plus coûteux. Cette approche aide à valider l'orientation de votre conception, en particulier lorsque vous poussez les limites de performance.

Pourquoi la densité de courant est-elle importante ?

Un calculateur de densité de courant aide à déterminer la chaleur générée dans les pistes de cuivre. Des zones de cuivre plus petites résultent en une résistance plus élevée, conduisant à une augmentation de la chute de tension et de la chaleur à mesure que le courant augmente. Calculer correctement la densité de courant est essentiel pour gérer la chaleur dans votre conception de PCB et assurer une performance fiable.

Si votre piste devient trop chaude, elle pourrait :

• Delaminer la carte (provoquer la défaillance du substrat)
• Se délaminer de la carte (se détacher)
• Provoquer l'arrêt thermique de pièces voisines sur le même conducteur en cuivre
• Fondre/casser la piste
• Réduire considérablement la durée de vie des composants sur la carte

Aucun de ces résultats n'est souhaitable, donc nous voulons nous assurer que la densité de courant sur nos cartes sera dans des marges raisonnables.

Comment pouvons-nous déterminer la densité de courant maximale du cuivre ?

Il existe probablement de meilleures méthodes pour déterminer la densité de courant que celle-ci. Cependant, si vous vérifiez simplement la cohérence de votre conception, cela devrait vous fournir une valeur suffisamment bonne pour travailler.

Si vous savez combien de courant vous devez faire passer à travers le cuivre de votre PCB, quelle est probablement la température ambiante maximale de service et la température maximale que votre piste peut atteindre, vous pouvez utiliser les formules de l'IPC-2221 pour calculer la largeur de piste appropriée. Ah, je vous entends dire, "N'est-ce pas tout le point de ceci parce que nous n'avons pas accès à la littérature IPC ?" Eh bien, heureusement, de nombreux calculateurs en ligne de largeur de piste ont ces formules !

Je vais utiliser le calculateur sur le site Web d'Advanced Circuits, et comme je ne suis pas situé aux États-Unis, au Libéria ou au Myanmar, j'utiliserai les unités métriques pour ces calculs. Vous pouvez utiliser les unités qui vous rendent le plus heureux.

Pour cet exemple, je vais dire que nous devons faire passer 30A sur le PCB, sur une couche externe. Cette contrainte de couche externe est importante pour 2 raisons :

1. De nombreux fabricants de PCB utilisent une densité de courant en cuivre plus fine sur les couches internes,
2. Les couches internes sont isolées par le PCB, et par conséquent, ne se refroidiront pas aussi efficacement que les couches externes. 

Je veux simuler cette carte dans PDN Analyzer, mais pour utiliser les vérifications de courant proposées par le logiciel, je dois d'abord connaître la densité de courant. Je prévois que ma carte soit utilisée à une température de service maximale de 45°C. Vous devriez considérer à quel point l'intérieur de votre boîtier sera chaud si vous en utilisez un, et vous devriez également prendre en compte le climat des différents pays dans lesquels votre carte pourrait être utilisée. Je veux que ma température maximale reste en dessous de 130°C, ce qui est la température de transition vitreuse (Tg) de ma carte. La température de transition vitreuse est le point au-dessus duquel votre carte commence à s'assouplir et sera bien plus susceptible de se délaminer ou de défaillir. Je vais aussi utiliser une densité de courant en cuivre standard de 35μm d'épaisseur, mais si votre carte le nécessite, vous pouvez obtenir des densités de courant en cuivre plus lourdes/épaisses et des cartes à Tg plus élevé de la plupart des fournisseurs en tant qu'options standard.

Avec cet ensemble d'entrées, je vais calculer la largeur de piste minimale absolue que je pourrais utiliser. Utiliser cette largeur de piste entraînera probablement une courte durée de vie pour le PCB, et causera à votre produit des défaillances de manière intéressante et créative en service.

Nous pouvons ensuite utiliser cette largeur de piste minimale pour calculer la limite supérieure absolue de la densité de courant que nous voulons sur le circuit. Multipliez simplement la largeur de la piste par l'épaisseur du circuit. Puisque cet article concerne les règles de conception de PCB rapides et sommaires, nous allons juste utiliser Google Calculatrice pour faire le calcul afin de ne pas avoir à nous embêter avec les conversions d'unités.

Cherchez simplement (8.93mm*35um) en mm2 sur Google.

Maintenant, nous savons que nous avons besoin de 0.31255mm2 de surface en cuivre pour conduire 35A si nous voulons chauffer le circuit jusqu'à sa température de transition vitreuse. Ce dont nous avons besoin pour l'analyseur PDN, cependant, est la densité de courant en ampères/mm2. Par conséquent, nous divisons simplement le courant que nous avons supposé par la surface que nous avons calculée—donc 35/0.31255—pour obtenir 111.98A/mm2.

Ceci est, bien sûr, notre limite absolue, et notre conception serait folle de l'utiliser. Si votre conception dépasse la limite de courant que vous calculez ici, elle a probablement besoin d'un peu de retravail.

Comment pouvons-nous déterminer une densité de courant raisonnable ?

Si nous voulons que le produit dure longtemps, nous devons également déterminer quelle densité de courant de cuivre nous voulons que la grande majorité du circuit respecte. Certaines zones dépassant cette densité de courant vont probablement être acceptables, surtout si elles sont entourées de nombreuses zones à densité de courant plus faible. N'oubliez pas que le cuivre est un très bon conducteur de chaleur ainsi que de courant, donc une petite section à haute densité de courant peut devenir chaude, mais elle peut aussi conduire cette chaleur vers les versements de cuivre voisins. Je serais content que le rétrécissement d'une piste entrant dans un CI, par exemple, ait une densité de courant plus élevée que celle que nous calculons ici, tant que le reste de la piste est raisonnable.

En utilisant la même méthode que celle que nous avons utilisée précédemment pour calculer la largeur de la piste, nous pouvons calculer notre densité de courant de cuivre désirée en changeant simplement l'augmentation maximale de température pour quelque chose d'un peu plus raisonnable. Je vais essayer de maintenir toutes mes pistes en dessous de 65°C, cela semble être une bonne température et devrait empêcher les CI connectés de devenir trop chauds. Avec une température ambiante de 45°C, cela ne me laisse qu'une augmentation de température admissible de 20°C plutôt que les 85°C que nous avions initialement calculés !

Cela représente beaucoup plus de cuivre ! La surface totale est maintenant de 0,7525 mm2, ce qui nous donne une densité beaucoup plus raisonnable de 46,5A/mm2 à utiliser à des fins de simulation.

Un petit conseil sur la simulation

Ces chiffres vont varier, selon les besoins spécifiques de votre projet. N'utilisez pas simplement mes chiffres, car ils peuvent ne pas être appropriés pour votre conception spécifique.

La plupart de vos semblables considèrent que 55°C, c'est brûlant lorsqu'ils y touchent ! C'est trop inconfortable pour eux de maintenir leur peau contre. Si vous faites beaucoup de soudure, vous aurez probablement un seuil beaucoup plus élevé pour considérer quelque chose comme trop chaud. Cela vaut la peine d'être mentionné parce que si votre produit aura la zone conductrice que vous concevez exposée au toucher humain, vous voudrez peut-être envisager de maintenir la température de la trace en dessous de 55°C pour que les utilisateurs ne se plaignent pas d'être brûlés par votre produit.

Si vous avez de grandes zones de votre carte qui passent tout juste en densité de courant, il est probable qu'elle surchauffe. Vous devez faire un jugement sur quel équilibre de zones chaudes et froides de votre carte est approprié. Si vous simulez une carte qui a 30% de sa surface couverte d'une trace qui sera à 60°C sous charge, à une température ambiante de 25°C, votre carte elle-même sera probablement proche de 50°C au total avec cette charge—donc votre température ambiante pourrait nécessiter une réévaluation.

Si vous avez des condensateurs électrolytiques connectés à la zone de cuivre qui va subir des températures élevées, vous voudrez peut-être vérifier leur fiche technique pour la température maximale de service, ou la dégradation de la durée de vie à la température. Un condensateur électrolytique en aluminium bon marché qui durerait des années à température ambiante peut seulement survivre aussi peu que 500 heures à 85°C. Cela fait moins d'un mois, et vos clients/utilisateurs s'attendent probablement à ce que leur appareil dure plus longtemps que cela.

Si vous avez l'impression de vraiment pousser les limites avec votre simulation, vous devriez faire une évaluation plus approfondie de votre conception dans Ansys IcePak ou effectuer des tests approfondis dans le monde réel. Une caméra thermique et une bombe de peinture noire coûtent moins cher qu'IcePak, mais dans les tests réels, il peut être plus difficile de simuler une variété de conditions sans chambres environnementales coûteuses. Les métaux réfléchissent les longueurs d'onde thermiques, donc pour obtenir une lecture précise, vaporisez toute votre carte avec de la peinture en aérosol noire avant de la tester avec une caméra thermique.

Conclusion

Ma manière de calculer une densité de courant acceptable pourrait relever de certaines des règles de conception de PCB les plus approximatives, mais cela devrait vous donner une idée de si votre conception est sur la bonne voie. Les implications thermiques des traces à courant/temperature élevés peuvent avoir un large impact sur l'ensemble de votre carte de circuit et doivent être prises en compte. De ce fait, je ne recommanderais pas de chercher une densité de courant standard à ne pas dépasser pour tous vos PCBs. 

Si vous concevez des cartes de haute puissance, votre densité de courant acceptable sera probablement bien supérieure à celle d'un réseau de distribution d'énergie qui alimente des microcontrôleurs ou des dispositifs logiques.

La disposition spécifique de votre appareil, son environnement d'exploitation et les options de boîtier affecteront grandement la densité de courant acceptable pour votre conception. J'espère que ce guide vous aidera à déterminer quelle est une limite acceptable, afin que vous puissiez utiliser un outil comme PDN Analyzer pour vérifier la cohérence de votre conception avant de la prototyper.