Calculateur IPC-2221 pour le courant et la température des pistes des circuits imprimés

La norme IPC-2221 comprend de nombreuses exigences en matière de conception et de fabrication de circuits imprimés. Plusieurs calculateurs en ligne basés sur cette norme ont été développés. Outre les calculs d'impédance et de bague annulaire, l'une des principales formules relatives à cette norme concerne l'élévation de la température, la largeur des pistes et le courant des pistes. Les normes IPC-2221 et IPC-2152 comprennent toutes deux des recommandations sur la conception pour la fiabilité thermique. Cependant, leur applicabilité ne fait pas l'unanimité.

Si vous avez choisi l'IPC-2221 comme indicateur de conformité, vous avez de la chance. Nous avons créé une application de calcul simple que vous pouvez utiliser pour estimer la largeur des pistes pour une limite de température donnée. Si vous utilisez Altium Designer, vous pouvez accéder à ces fonctionnalités dans l'éditeur de circuits imprimés lorsque vous travaillez sur votre routage. Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur la formule d'analyse thermique de l'IPC-2221 et notre calculateur.

Qu'est-ce que la norme IPC-2221 ?

L'IPC-2221 est une norme générique de qualification et de validation pour les circuits imprimés. Elle définit certaines contraintes de conception destinées à garantir la sécurité, la fiabilité et la fabrication des circuits imprimés. Ses critères sont génériques. Les critères plus spécifiques qui s'appliquent à différents types de cartes sont précisés dans la série de normes 2220.

L'IPC-2221 comporte deux sections décrivant la relation entre le comportement thermique et électrique des conducteurs d'un circuit imprimé :

• la section 6.2 - Exigences relatives aux matériaux conducteurs
• Annexe B

Ces deux sections contiennent deux graphiques établissant une relation entre la largeur d'une piste et le courant transporté par une piste. Elles sont le plus souvent citées dans le contexte de la norme IPC-2152. Vous pouvez les afficher pour les pistes internes et externes dans les articles liés. Il existe également une formule unique indiquée dans la section 6.2 de l'IPC-2221 reliant la section transversale (A en mils carrés) de la piste pour une élévation de température souhaitée au-dessus de la température ambiante (∆T en degrés Celsius) et au courant moyen (I en ampères) :

Cette formule est très simple et peut être utilisée dans le calculateur ci-dessous. Si vous utilisez ce calculateur pour déterminer la section transversale de la piste, vous devrez ensuite utiliser le poids du cuivre (épaisseur) pour déterminer la largeur du conducteur. Cette valeur désignera la largeur minimale nécessaire pour limiter l'élévation de la température en dessous de la valeur précisée pour ∆T.

Calculateur IPC-2221 pour la largeur des pistes

Le calculateur ci-dessous applique cette formule afin de calculer la largeur de piste nécessaire pour maintenir la température en dessous d'une certaine valeur. En d’autres termes, vous pouvez saisir votre valeur de poids du cuivre dans le calculateur, et celui-ci déterminera la largeur de piste nécessaire en fonction de votre limite de courant et d’élévation de température.

Résultats

Ces outils sont-ils disponibles en ligne dans un système de conception assistée par ordinateur (CAO) ? Les utilisateurs d'Altium Designer peuvent accéder à un calculateur IPC-2221 automatisé dans les outils de routage de l'éditeur de circuits imprimés. Pour utiliser cette fonctionnalité, il suffit de sélectionner une piste dans le signal que vous souhaitez analyser. Ensuite, dans le panneau «Propriétés», développez les données dans la section «Informations sur les signaux». Vous verrez un calcul de courant maximal pour cette section de la piste.

• Le calculateur IPC-2221 d'Altium Designer suppose que l'élévation de la température autorisée est limitée à ∆T=20°C.

Le calculateur ci-dessus fonctionne pour tous les arcs qui se trouvent dans vos routages. Cependant, nous l'avons récemment mis à jour pour inclure des sections d'ajustement de la longueur qui n’ont pas été converties en primitives libres. Si vous avez installé les dernières mises à jour de la version 22, sachez que le calculateur IPC-2221 d'Altium Designer fonctionne désormais sur les outils d'ajustement de la longueur dans le routage du circuit imprimé. Le même processus illustré ci-dessus peut également être utilisé avec des sections d'ajustement de la longueur.

Quelques remarques sur la formule IPC-2221

Il convient de noter plusieurs points clés à propos de cette formule en ce qui concerne sa précision et son champ d'application:

• Cette formule repose sur les graphiques des articles susmentionnés.
• Cette formule part du principe que la carte est dans un environnement d'air à STP.
• Les cartes testées pour la mettre au point utilisaient simplement une piste sur une carte épaisse, étant donné qu'il n'y avait pas de cuivre supplémentaire à proximité (plans ou coulées) pour transporter la chaleur.
• Plusieurs pistes parallèles proches les unes des autres peuvent être considérées comme une seule grande piste pour transporter des courants élevés.
• Si la carte est fine (environ 30 mils ou moins), la norme recommande de dériver de 15% au lieu de 10.
• Les substrats ayant une conductivité thermique plus élevée que les stratifiés époxy-fibre de verre standard auront des limites de courant/largeur de piste différentes.

Cela signifie que lorsque nous nous penchons sur les circuits imprimés actuels, les résultats d'un calculateur IPC-2221 sont très conservateurs. En d'autres termes, si vous incluez des plans et des coulées de cuivre autour de vos pistes, la conductivité électrique calculée est très probablement sous-estimée. À l'inverse, la largeur de piste minimale calculée est probablement surestimée. Gardez ces éléments à l'esprit lorsque vous exploitez ces résultats, car le calculateur peut donner une largeur de piste trop élevée.

En raison de cette incohérence connue avec les conceptions de circuits imprimés actuels, une nouvelle norme a été développée afin d'offrir une plus grande précision : la norme IPC-2152.

IPC-2221 et IPC-2152 : quelle est la norme la plus précise?

J'ai souvent dit que les calculateurs en ligne avaient leurs limites, et le calculateur IPC-2221 présenté ci-dessus ne déroge pas à la règle. Il est vrai que la largeur minimale calculée à partir de l'IPC-2221 est probablement surestimée. C'est pourquoi la norme IPC-2152 a été élaborée dans le but d'élargir l'ensemble des données disponibles pour inclure plusieurs nomogrammes afin de déterminer la largeur des pistes, l'élévation de température et les limites de courant.

En faisant des recherches pour cet article, j'ai trouvé un vieux document de travail sur l'IPC-2152 rédigé par Mike Jouppi, qui avait participé à un de nos podcasts. Ce document explique comment l'IPC-2152 a tenté d'appréhender les différents éléments de conception présents dans les circuits imprimés, notamment les variations du poids du cuivre, la présence de plans, la distance entre les pistes et les plans et l'utilisation de l'air ou du vide.

Pourquoi l'IPC-2152 a-t-elle fait l'objet d'autant d'études ? Le tableau ci-dessous a pour objectif d'illustrer la raison pour laquelle tant d'informations étaient demandées. Le graphique ci-dessous provient de l'annexe B de l'IPC-2221. Les données de ce graphique comparent les valeurs d'élévation de température mesurées pour un courant donné fourni à des pistes de même taille. On constate que les résultats de l'IPC dépassent considérablement l'élévation de la température prévue pour toutes les valeurs de courant. C'est pourquoi les calculateurs basés sur l'IPC-2221 peuvent avoir tendance à surestimer la largeur du conducteur nécessaire.

Afin d'aider les utilisateurs à prendre les meilleures décisions de conception pour leurs produits, en particulier dans le cas où une fiabilité élevée est importante, nous avons compilé plusieurs ressources qui devraient vous aider à mieux comprendre l'impact de la largeur des pistes sur l'élévation de la température et les limites de courant :

• Calculateur IPC-2152 gratuit disponible en ligne
• Graphique donnant la largeur de piste en fonction du courant selon l'IPC-2152 (il s'agit d'un graphique de piste interne)
• Données IPC-2152 pour les pistes internes et externes
• Calculs de la limite de courant du plan électrique
• Comment utiliser la résistance thermique et la conductivité pour estimer la température
• Guide de l'analyse thermique des circuits imprimés

La prochaine fois que vous voudrez voir rapidement les résultats des calculs IPC-2221 pour votre circuit imprimé, utilisez les meilleurs outils de routage de PCB du secteur dans Altium Designer®. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre des fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ vous permet de collaborer et de partager vos projets en toute simplicité.

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