Densità di Corrente del Rame per Simulazioni, Utilizzando Regole di Progettazione PCB Rapide e Semplici

Nel mio articolo precedente, PDN Analyzer Quick Start su una PCB per driver di motori, MattPVD ha posto la domanda: "Come si determina una densità di corrente accettabile?" Devo ammettere che ho trascorso molto tempo cercando di rispondere a questa esatta domanda quando stavo creando la simulazione per la scheda. Quale densità di corrente è accettabile? L'IPC ha delle linee guida nascoste nei loro documenti, ma bisogna pagare per accedere a tali documenti, il che significa che non è un consiglio che tutti possono utilizzare.

A mio avviso, la densità di corrente di una traccia si riduce per lo più a vincoli termici. Questo è esattamente lo stesso che in un circuito integrato ad alta corrente; il fattore limitante sarà più comunemente quanto si riscalderà con la dissipazione termica e il carico applicato. Questo dipenderà completamente dalla specifica implementazione della scheda, quindi, purtroppo, non penso che una regola ferrea o un insieme di linee guida sarà ottimale per qualsiasi progetto.

Piuttosto che concentrarmi su linee guida specifiche, voglio condividere come applico regole pratiche di progettazione PCB per stimare una densità di corrente del rame ragionevole per un dato progetto. Sebbene strumenti di simulazione termica come Ansys IcePak possano fornire intuizioni precise, l'utilizzo di strumenti come PDN Analyzer offre un modo efficace per valutare se il tuo progetto è sulla giusta strada prima di impegnarsi in test nel mondo reale o in strumenti di simulazione più costosi. Questo approccio aiuta a validare la direzione del tuo design, specialmente quando stai spingendo ai limiti delle prestazioni.

Perché la Densità di Corrente è Importante?

Un calcolatore di densità di corrente aiuta a determinare il calore generato nelle tracce di rame. Aree di rame più piccole risultano in una resistenza maggiore, portando a un aumento della caduta di tensione e del calore man mano che la corrente aumenta. Calcolare correttamente la densità di corrente è essenziale per gestire il calore nel tuo design PCB e garantire una prestazione affidabile.

Se la tua traccia diventa troppo calda, potrebbe:

• Delaminare la scheda (causare il fallimento del substrato)
• Staccarsi dalla scheda
• Causare lo spegnimento termico di parti vicine sullo stesso conduttore di rame
• Fondere/rompere la traccia
• Ridurre notevolmente la vita dei componenti sulla scheda

Nessuno di questi esiti è desiderabile, quindi vogliamo assicurarci che la densità di corrente sulle nostre schede sia entro margini ragionevoli.

Come possiamo determinare la massima densità di corrente del rame?

Probabilmente esistono metodi migliori per determinare la densità di corrente rispetto a questo. Tuttavia, se stai solo verificando la coerenza del tuo progetto, questo dovrebbe fornirti un valore sufficientemente buono con cui lavorare.

Se conosci quanta corrente devi condurre attraverso il rame del tuo PCB, quale è la massima temperatura ambiente di servizio probabile e la massima temperatura che la tua traccia può raggiungere, puoi usare le formule dell'IPC-2221 per calcolare la larghezza di traccia appropriata. Ah, ti sento dire, "Ma non è proprio questo il punto, dato che non abbiamo accesso alla letteratura IPC?" Bene, fortunatamente, molti calcolatori online di larghezza di traccia hanno queste formule!

Sto usando il calcolatore sul sito web di Advanced Circuits, e poiché non mi trovo negli Stati Uniti, in Liberia o in Myanmar, userò le unità metriche per questi calcoli. Puoi usare le unità che ti rendono più felice.

Per questo esempio, dirò che dobbiamo far passare 30A sul PCB, su uno strato esterno. Questo vincolo dello strato esterno è importante per 2 motivi:

1. Molti produttori di PCB utilizzano una densità di corrente in rame più sottile negli strati interni,
2. Gli strati interni sono isolati dal PCB e, quindi, non si raffredderanno in modo efficace quanto gli strati esterni. 

Voglio simulare questa scheda in PDN Analyzer, ma per utilizzare i controlli di corrente offerti dal software, devo prima conoscere la densità di corrente. Mi aspetto che la mia scheda venga utilizzata a una temperatura massima di servizio di 45°C. Dovresti considerare quanto caldo sarà l'interno del tuo involucro se ne stai usando uno, e dovresti anche prendere in considerazione il clima dei vari paesi in cui la tua scheda potrebbe essere utilizzata. Voglio che la mia temperatura massima rimanga al di sotto dei 130°C, che è la temperatura di transizione vetrosa (Tg) della mia scheda. La temperatura di transizione vetrosa è il punto al di sopra del quale la tua scheda inizia ad ammorbidirsi e sarà molto più probabile che si delamini o fallisca. Userò anche una densità di corrente in rame standard di 35μm di spessore, ma se la tua scheda lo richiede, puoi ottenere sia densità di corrente in rame più pesante/spesso sia schede con Tg più alto dalla maggior parte dei fornitori come opzioni standard.

Con questo insieme di input, sto per calcolare la larghezza minima assoluta della traccia che potrei utilizzare. Usare questa larghezza della traccia probabilmente risulterà in una breve durata di vita del PCB e causerà il fallimento del tuo prodotto in modi interessanti e creativi durante il servizio.

Possiamo quindi utilizzare questa larghezza minima della traccia per calcolare il limite massimo assoluto della densità di corrente che vogliamo sulla scheda. Semplicemente moltiplica la larghezza della traccia per lo spessore della scheda. Poiché questo articolo riguarda le regole di progettazione PCB rapide e sporche, useremo semplicemente Google Calculator per fare il calcolo così non dobbiamo preoccuparci delle conversioni di unità.

Cerca semplicemente (8.93mm*35um) in mm2 su Google.

Ora sappiamo che abbiamo bisogno di 0.31255mm2 di area in rame per condurre 35A se vogliamo riscaldare la scheda fino alla sua temperatura di transizione vetrosa. Ciò di cui abbiamo bisogno per il PDN Analyzer, tuttavia, è la densità di corrente in ampere/mm2. Pertanto, dividiamo semplicemente la corrente che abbiamo assunto per l'area che abbiamo calcolato—quindi 35/0.31255—per ottenere 111.98A/mm2.

Questo è, ovviamente, il nostro limite assoluto, e sarebbe folle per il nostro design utilizzarlo. Se il tuo design supera il limite di corrente che calcoli qui, probabilmente ha bisogno di un po' di revisione.

Come Possiamo Determinare una Densità di Corrente Sensata?

Se vogliamo che il prodotto duri a lungo, dobbiamo anche capire quale densità di corrente sensata del rame vogliamo che la maggior parte della scheda soddisfi. Alcune aree che superano questa densità di corrente probabilmente andranno bene, specialmente se sono circondate da molte aree con densità di corrente inferiore. Ricorda che il rame è un ottimo conduttore di calore così come di corrente, quindi una piccola sezione con alta densità di corrente può scaldarsi, ma può anche condurre quel calore verso i versamenti di rame vicini. Sarei contento se il restringimento di una traccia che entra in un IC, per esempio, avesse una densità di corrente superiore rispetto a quella che calcoliamo qui, purché il resto della traccia sia sensato.

Utilizzando lo stesso metodo che abbiamo usato precedentemente per calcolare la larghezza della traccia, possiamo calcolare la densità di corrente desiderata del rame semplicemente cambiando l'aumento massimo della temperatura in qualcosa di un po' più sensato. Cercherò di mantenere tutte le mie tracce al di sotto dei 65°C, sembra una buona temperatura e dovrebbe impedire ai circuiti integrati connessi di surriscaldarsi troppo. Con una temperatura ambiente di 45°C, questo mi lascia solo un aumento di temperatura consentito di 20°C anziché gli 85°C che avevamo calcolato inizialmente!

Questo significa molto più rame! L'area totale è ora di 0.7525 mm2, dandoci un valore molto più sensato di 46.5A/mm2 da utilizzare per scopi di simulazione.

Un po' di consigli sulla simulazione

Questi numeri varieranno a seconda delle esigenze specifiche del progetto. Non usare solo i miei numeri, poiché potrebbero non essere appropriati per il tuo design specifico.

La maggior parte delle persone considera 55°C una temperatura troppo alta quando la tocca! È troppo scomodo per loro mantenere la pelle a contatto. Se fai molta saldatura, probabilmente avrai una soglia più alta per considerare qualcosa come troppo caldo. Vale la pena menzionarlo perché se il tuo prodotto avrà l'area conduttrice esposta al tocco umano, potresti voler mantenere la temperatura della traccia sotto i 55°C affinché gli utenti non si lamentino di scottarsi con il tuo prodotto.

Se hai grandi aree della tua scheda che riescono appena a gestire la densità di corrente, è probabile che si surriscaldino. Devi giudicare quale equilibrio tra aree calde e fredde della tua scheda sia adatto. Se simuli una scheda con il 30% della superficie coperta da una traccia che raggiunge i 60°C sotto carico, con 25°C ambienti, probabilmente la tua scheda raggiungerà i 50°C complessivi con quel carico—quindi potrebbe essere necessario riconsiderare la temperatura ambiente.

Se hai condensatori elettrolitici collegati all'area di rame che subirà temperature elevate, potresti voler controllare il datasheet per la temperatura massima di servizio o il degrado della durata in base alla temperatura. Un condensatore elettrolitico in alluminio economico che durerà anni a temperatura ambiente potrebbe resistere solo 500 ore a 85°C. Sono meno di un mese, e i tuoi clienti probabilmente si aspettano che il dispositivo duri più a lungo.

Se senti di essere davvero al limite con la tua simulazione, dovresti fare una valutazione più approfondita del design in Ansys IcePak o effettuare test estensivi in condizioni reali. Una termocamera e una bomboletta di vernice spray nera sono più economiche di IcePak, ma nei test reali può essere più difficile simulare una varietà di condizioni senza costose camere ambientali. I metalli riflettono le lunghezze d'onda termiche, quindi per ottenere una lettura accurata, spruzza tutta la scheda con vernice spray nera prima di testarla con una termocamera.

Conclusione

Il mio modo di calcolare una densità di corrente accettabile potrebbe rientrare in alcune delle regole di progettazione PCB meno raffinate, ma dovrebbe darti un'idea se il tuo design sta andando nella giusta direzione. Le implicazioni termiche di tracce con alta corrente/temperatura possono essere ampie per l'intera scheda e dovrebbero essere considerate. Per questo motivo, non raccomanderei di cercare una densità di corrente standard universale per tutte le tue PCB. 

Se stai progettando schede ad alta potenza, la tua densità di corrente accettabile sarà probabilmente molto maggiore rispetto a quella di una rete di distribuzione di potenza che alimenta microcontrollori o dispositivi logici.

Il layout specifico del tuo dispositivo, l'ambiente operativo e le opzioni di involucro influenzeranno notevolmente quale densità di corrente è accettabile per il tuo design. Spero che questa guida ti aiuti a determinare un limite accettabile, così da poter utilizzare uno strumento come PDN Analyzer per verificare il tuo design prima di realizzarne un prototipo.