Densidade de Corrente de Cobre para Simulações, Usando Regras de Design de PCB Rápidas e Simples

No meu artigo anterior, PDN Analyzer Quick Start em uma PCB de Driver de Motor, MattPVD fez a pergunta, “Como se determina uma densidade de corrente aceitável?” Tenho que admitir, passei muito tempo tentando responder essa exata questão quando estava criando a simulação para a placa. Qual densidade de corrente é aceitável? A IPC tem diretrizes escondidas em seus documentos, mas você tem que pagar para acessar esses documentos, o que significa que não é um conselho que todos podem utilizar.

Na minha mente, a densidade de corrente de uma trilha se resume principalmente a restrições térmicas. Isso é exatamente o mesmo que em um circuito integrado de alta corrente; o fator limitante será mais comumente quão quente ele vai ficar com a dissipação térmica e a carga colocada sobre ele. Isso será completamente dependente da implementação específica da placa, então, infelizmente, não acho que uma regra rígida ou um conjunto de diretrizes vá ser ótimo para qualquer design.

Em vez de focar em diretrizes específicas, quero compartilhar como aplico regras práticas de design de PCB para estimar uma densidade de corrente de cobre razoável para um determinado projeto. Embora ferramentas de simulação térmica como Ansys IcePak possam fornecer insights precisos, usar ferramentas como PDN Analyzer oferece uma maneira eficaz de avaliar se seu design está no caminho certo antes de se comprometer com testes no mundo real ou ferramentas de simulação mais caras. Essa abordagem ajuda a validar a direção do seu design, especialmente quando você está desafiando os limites de desempenho.

Por Que a Densidade de Corrente Importa?

Um calculador de densidade de corrente ajuda a determinar o calor gerado em trilhas de cobre. Áreas menores de cobre resultam em uma resistência maior, levando a um aumento da queda de tensão e calor conforme a corrente aumenta. Calcular adequadamente a densidade de corrente é essencial para gerenciar o calor no seu design de PCB e garantir um desempenho confiável.

Se sua trilha ficar muito quente, ela poderia:

• Delaminar a placa (causar a falha do substrato)
• Descolar da placa (soltar-se)
• Causar desligamento térmico de partes próximas no mesmo condutor de cobre
• Derreter/quebrar a trilha
• Reduzir significativamente a vida útil dos componentes na placa

Nenhum desses são resultados desejáveis, então queremos garantir que a densidade de corrente em nossas placas vai estar dentro de margens sensatas.

Como Podemos Determinar a Densidade de Corrente Máxima do Cobre?

Provavelmente existem maneiras melhores de determinar a densidade de corrente do que esta. No entanto, se você está apenas verificando a sanidade do seu projeto, isso deve fornecer um valor suficientemente bom para trabalhar.

Se você sabe quanto de corrente precisa conduzir através do cobre da sua PCB, qual é a temperatura ambiente máxima provável e a temperatura máxima que sua trilha pode atingir, você pode usar as fórmulas do IPC-2221 para calcular a largura de trilha apropriada. Ah, eu ouço você dizer, “Não é esse o ponto todo deste exercício, porque não temos acesso à literatura IPC?” Bem, felizmente, muitos calculadores online de largura de trilha têm essas fórmulas!

Estou usando o calculador no site da Advanced Circuits, e como não estou localizado nos EUA, Libéria ou Myanmar, vou usar métricas para esses cálculos. Você pode usar as unidades que mais lhe agradarem.

Para este exemplo, vou dizer que precisamos conduzir 30A na PCB, em uma camada externa. Esta restrição de camada externa é importante por 2 motivos:

1. Muitos fabricantes de PCB usam densidade de corrente de cobre mais fina nas camadas internas,
2. As camadas internas são isoladas pela PCB, e, portanto, não esfriarão tão eficazmente quanto as camadas externas. 

Quero simular esta placa no PDN Analyzer, mas para usar as verificações de corrente oferecidas pelo software, preciso primeiro conhecer a densidade de corrente. Espero que minha placa seja usada a uma temperatura máxima de serviço de 45°C. Você deve considerar quão quente o interior do seu invólucro estará se estiver usando um, e também deve levar em conta o clima dos vários países nos quais sua placa pode ser usada. Quero que minha temperatura máxima permaneça abaixo de 130°C, que é a temperatura de transição vítrea (Tg) da minha placa. A temperatura de transição vítrea é o ponto acima do qual sua placa começa a amolecer e estará muito mais propensa a delaminar ou falhar. Também vou usar uma densidade de corrente de cobre padrão de 35μm de espessura, mas se a sua placa exigir, você pode obter densidades de corrente de cobre mais pesadas/espessas e placas com Tg mais alto da maioria dos fornecedores como opções padrão.

Com este conjunto de entradas, vou calcular a largura mínima absoluta de trilha que poderia usar. Utilizar esta largura de trilha provavelmente resultará em uma vida útil curta para a PCB e fará com que seu produto falhe de maneiras interessantes e criativas em serviço.

Podemos então usar esta largura mínima de trilha para calcular o limite superior absoluto da densidade de corrente que queremos na placa. Simplesmente multiplique a largura da trilha pela espessura da placa. Como este artigo é sobre regras rápidas e práticas de design de PCB, vamos apenas usar o Google Calculator para fazer o cálculo, assim não precisamos nos preocupar com conversões de unidades.

Busque simplesmente (8.93mm*35um) para mm2 no Google.

Agora sabemos que precisamos de 0.31255mm2 de área de cobre para conduzir 35A se quisermos aquecer a placa até sua temperatura de transição vítrea. O que precisamos para o PDN Analyzer, no entanto, é a densidade de corrente em ampères/mm2. Portanto, simplesmente dividimos a corrente que assumimos pela área que calculamos—então 35/0.31255—para obter 111.98A/mm2.

Este é, claro, o nosso limite absoluto, e seria loucura o nosso projeto ultrapassá-lo. Se o seu projeto tiver algo acima do limite de corrente que você calcula aqui, provavelmente precisa de um pouco de retrabalho.

Como Podemos Determinar uma Densidade de Corrente Sensata?

Se queremos que o produto dure muito tempo, também precisamos descobrir qual densidade de corrente sensata de cobre queremos que a grande maioria da placa atenda. Algumas áreas excedendo essa densidade de corrente provavelmente vão estar bem, especialmente se estiverem cercadas por muitas áreas de densidade de corrente mais baixa. Lembre-se de que o cobre é um muito bom condutor de calor, assim como de corrente, então uma pequena seção de alta densidade de corrente pode ficar quente, mas também pode conduzir esse calor para os pours de cobre vizinhos. Eu ficaria feliz com o estreitamento de um traço indo para um CI, por exemplo, tendo uma densidade de corrente maior do que calculamos aqui, desde que o resto do traço seja sensato.

Usando o mesmo método que usamos antes para calcular a largura do traço, podemos calcular a densidade de corrente desejada de cobre apenas alterando o aumento máximo de temperatura para algo um pouco mais sensato. Vou tentar manter todos os meus traços abaixo de 65°C, parece uma boa temperatura e deve evitar que os ICs conectados fiquem muito quentes. Com uma temperatura ambiente de 45°C, isso me deixa com um aumento de temperatura permitido de apenas 20°C, em vez dos 85°C que calculamos originalmente!

Isso é muito mais cobre! A área total é agora de 0,7525 mm2, nos dando uma densidade de corrente muito mais sensata de 46,5A/mm2 para usar em simulações.

Um Pequeno Conselho sobre Simulação

Esses números vão variar, dependendo das necessidades específicas do seu projeto. Não use apenas os meus números, pois eles podem não ser apropriados para o seu design específico.

A maioria dos seus semelhantes considera 55°C extremamente quente ao toque! É desconfortável demais para eles manterem a pele em contato. Se você faz muita soldagem, provavelmente terá um limiar muito mais alto para considerar algo muito quente. Isso vale a pena mencionar porque, se o seu produto tiver a área condutora que você está projetando exposta ao toque humano, você pode querer considerar manter a temperatura da trilha abaixo de 55°C para que os usuários não reclamem que estão se queimando com o seu produto.

Se você tem grandes áreas da sua placa apenas raspando nos limites de densidade de corrente, é provável que superaqueça. Você precisa fazer um julgamento sobre qual equilíbrio de áreas quentes e frias na sua placa é adequado. Se você simular uma placa que tem 30% de sua área coberta por uma trilha que estará a 60°C sob carga, a uma temperatura ambiente de 25°C, sua placa em si provavelmente vai estar perto de 50°C no geral com essa carga—então sua temperatura ambiente pode precisar ser repensada.

Se você tem capacitores eletrolíticos conectados à área de cobre que vai apresentar temperaturas mais altas, talvez queira verificar a folha de dados deles para a temperatura máxima de serviço ou a redução da vida útil em função da temperatura. Um capacitor eletrolítico de alumínio barato que duraria anos em temperaturas ambiente pode sobreviver apenas cerca de 500 horas a 85°C. Isso é menos de um mês, e seus clientes/usuários provavelmente esperam que o dispositivo deles dure mais do que isso.

Se você sente que está realmente forçando os limites com sua simulação, deve fazer uma avaliação mais extensa do seu design no Ansys IcePak ou realizar testes extensivos no mundo real. Uma câmera térmica e uma lata de tinta spray preta são mais baratas que o IcePak, mas, em testes no mundo real, pode ser mais difícil simular uma variedade de condições sem câmaras ambientais caras. Os metais refletem comprimentos de onda térmicos, então, para obter uma leitura precisa, pulverize toda a sua placa com tinta spray preta antes de testá-la com uma câmera térmica.

Conclusão

Minha maneira de calcular uma densidade de corrente aceitável pode cair sob algumas das regras de design de PCB mais arriscadas, mas deve dar uma ideia de se o seu design está seguindo o caminho certo. As implicações térmicas de trilhas com alta corrente/temperatura podem ser amplas para toda a sua placa de circuito e devem ser consideradas. Devido a este fato, eu não recomendaria procurar uma densidade de corrente padrão ouro para permanecer abaixo para todas as suas PCBs. 

Se você está projetando placas de alta potência, sua densidade de corrente aceitável provavelmente será muito maior do que para uma rede de distribuição de energia que fornece microcontroladores ou dispositivos lógicos.

O layout específico do seu dispositivo, ambiente operacional e opções de invólucro afetarão grandemente qual densidade de corrente é aceitável para o seu design. Espero que este guia ajude você a determinar qual é o limite aceitável, para que você possa usar uma ferramenta como o PDN Analyzer para verificar a sanidade do seu design antes de prototipá-lo.