Плотность тока в меди для симуляций, используя быстрые и грубые правила проектирования печатных плат

В моей предыдущей статье, Быстрый старт анализатора PDN на печатной плате драйвера мотора, MattPVD задал вопрос: "Как определить приемлемую плотность тока?" Должен признать, я потратил много времени, пытаясь ответить на этот вопрос, когда впервые создавал симуляцию для платы. Какая плотность тока является приемлемой? IPC имеет рекомендации, скрытые в их документах, но доступ к этим документам платный, что означает, что не каждый может воспользоваться этим советом.

На мой взгляд, плотность тока дорожки в основном сводится к тепловым ограничениям. Это точно так же, как в интегральной схеме с высоким током; ограничивающим фактором, скорее всего, будет то, насколько она нагреется при тепловом рассеивании и нагрузке на неё. Это будет полностью зависеть от конкретной реализации платы, так что, к сожалению, я думаю, что жёсткое правило или набор рекомендаций не будет оптимальным для любого дизайна.

Вместо того чтобы сосредотачиваться на конкретных рекомендациях, я хочу поделиться, как я применяю практические правила проектирования печатных плат для оценки разумной плотности тока в меди для данного дизайна. Хотя инструменты термического моделирования, такие как Ansys IcePak, могут предоставить точные данные, использование инструментов вроде PDN Analyzer предлагает эффективный способ проверить, находится ли ваш дизайн на правильном пути, прежде чем приступать к реальному тестированию или использованию более дорогих инструментов моделирования. Такой подход помогает подтвердить правильность направления вашего дизайна, особенно когда вы стремитесь к пределам производительности.

Почему важна плотность тока?

Калькулятор плотности тока помогает определить тепло, выделяемое в медных дорожках. Меньшие площади меди приводят к более высокому сопротивлению, что приводит к увеличению падения напряжения и тепла по мере увеличения тока. Правильный расчет плотности тока имеет решающее значение для управления теплом в вашем дизайне печатной платы и обеспечения надежной работы.

Если ваша дорожка слишком сильно нагреется, это может:

• Привести к отслоению платы (повреждению субстрата)
• Отслоиться от платы (отделиться)
• Вызвать термическое отключение близлежащих деталей на том же медном проводнике
• Расплавить/разорвать дорожку
• Значительно сократить срок службы компонентов на плате

Ни один из этих исходов не является желательным, поэтому мы хотим убедиться, что плотность тока на наших платах будет находиться в разумных пределах.

Как мы можем определить максимальную плотность тока для меди?

Вероятно, существуют более подходящие способы определения плотности тока, чем этот. Однако, если вы просто проверяете правильность вашего проекта, это должно дать вам достаточно хорошее значение для работы.

Если вы знаете, сколько тока вам нужно провести через медь вашей печатной платы, какова вероятная максимальная температура окружающей среды при эксплуатации и максимальная температура, которую может достичь ваша дорожка, вы можете использовать формулы из IPC-2221 для расчета подходящей ширины дорожки. Ах, я слышу, как вы говорите: «Разве весь смысл этого не в том, что у нас нет доступа к литературе IPC?» Ну, к счастью, многие онлайн-калькуляторы ширины дорожек имеют эти формулы!

Я использую калькулятор на сайте Advanced Circuits website, и поскольку я не нахожусь в США, Либерии или Мьянме, я буду использовать метрические единицы для этих расчетов. Вы можете использовать любые единицы измерения, которые вам больше нравятся.

Для этого примера я скажу, что нам нужно провести 30А по печатной плате на внешнем слое. Это ограничение внешнего слоя важно по двум причинам:

1. Многие производители печатных плат используют более тонкую плотность тока меди на внутренних слоях,
2. Внутренние слои изолированы печатной платой, и поэтому не будут охлаждаться так эффективно, как внешние слои. 

Я хочу симулировать эту плату в PDN Analyzer, но для использования проверок тока, предлагаемых программным обеспечением, мне сначала нужно знать плотность тока. Я ожидаю, что моя плата будет использоваться при максимальной рабочей температуре 45°C. Вам следует учитывать, насколько горячим будет внутри вашего корпуса, если вы его используете, а также учитывать климат различных стран, в которых может использоваться ваша плата. Я хочу, чтобы моя максимальная температура оставалась ниже 130°C, что является температурой стеклования (Tg) моей платы. Температура стеклования - это точка, выше которой ваша плата начинает размягчаться и будет гораздо более склонна к деламинации или отказу. Я также собираюсь использовать стандартную плотность тока меди толщиной 35 мкм, но если ваша плата требует этого, вы можете получить как более тяжелую/толстую плотность тока меди, так и платы с более высокой Tg от большинства поставщиков в качестве стандартных опций.

Используя этот набор входных данных, я собираюсь рассчитать абсолютный минимум ширины дорожки, которую я мог бы использовать. Применение такой ширины дорожки, скорее всего, приведет к короткому сроку службы печатной платы и вызовет интересные и творческие способы отказа вашего продукта в процессе эксплуатации.

Затем мы можем использовать эту минимальную ширину дорожки для расчета абсолютного верхнего предела плотности тока, который мы хотим на плате. Просто умножьте ширину дорожки на толщину платы. Поскольку эта статья о быстрых и грубых правилах проектирования печатных плат, мы просто воспользуемся калькулятором Google для расчета, чтобы нам не пришлось заниматься преобразованием единиц измерения.

Просто ищите в Google (8.93mm*35um) в mm2.

Теперь мы знаем, что нам нужно 0.31255mm2 медной площади для проведения 35A, если мы хотим нагреть плату до ее температуры стеклования. Однако то, что нам нужно для PDN Analyzer, это плотность тока в амперах на мм2. Поэтому мы просто делим предполагаемый нами ток на рассчитанную площадь — таким образом, 35/0.31255 — чтобы получить 111.98A/mm2.

Это, конечно, наш абсолютный предел, и было бы безумием использовать его в нашем дизайне. Если в вашем дизайне присутствует что-то, превышающее рассчитанный здесь предел тока, скорее всего, потребуется некоторая доработка.

Как мы можем определить разумную плотность тока?

Если мы хотим, чтобы продукт прослужил долго, нам также нужно выяснить, какую разумную плотность тока меди мы хотим, чтобы соблюдала большая часть платы. Некоторые области, превышающие эту плотность тока, вероятно, будут в порядке, особенно если они окружены множеством областей с более низкой плотностью тока. Помните, что медь является очень хорошим проводником как тепла, так и тока, поэтому небольшой участок с высокой плотностью тока может нагреваться, но он также может отводить это тепло к соседним заливкам меди. Я был бы доволен, если бы участок дорожки, входящий в интегральную схему, например, имел более высокую плотность тока, чем мы рассчитываем здесь, при условии, что остальная часть дорожки разумна.

Используя тот же метод, что и ранее для расчета ширины дорожки, мы можем рассчитать желаемую плотность тока меди, просто изменив максимальный подъем температуры на что-то более разумное. Я собираюсь попытаться держать все мои дорожки ниже 65°C, это звучит как хорошая температура и должно предотвратить перегрев подключенных ИС. При комнатной температуре 45°C, это оставляет мне допустимый подъем температуры всего на 20°C, вместо ранее рассчитанных 85°C!

Это гораздо больше меди! Общая площадь теперь составляет 0.7525 мм2, что дает нам гораздо более разумные 46.5A/мм2 для использования в целях симуляции.

Небольшой совет по симуляции

Эти числа будут варьироваться в зависимости от ваших конкретных потребностей в проекте. Не используйте только мои данные, так как они могут не подходить для вашего конкретного дизайна.

Большинство людей считает, что 55°C — это обжигающая температура при прикосновении! Для них это слишком неудобно, чтобы удерживать руку на поверхности. Если вы много работаете с паяльником, у вас, вероятно, гораздо более высокий порог, чтобы считать что-то слишком горячим. Это стоит упомянуть, потому что если ваша продукция имеет проводящую область, доступную для человеческого касания, вы можете рассмотреть возможность удержания температуры дорожки ниже 55°C, чтобы пользователи не жаловались на ожоги от вашей продукции.

Если у вас есть большие области на плате, которые едва выдерживают плотность тока, они, скорее всего, перегреются. Вам нужно оценить, какой баланс горячих и прохладных участков платы приемлем для вас. Если вы симулируете плату, на которой 30% площади покрыто дорожкой, которая будет иметь температуру 60°C при нагрузке и 25°C в окружающей среде, ваша плата, вероятно, будет иметь около 50°C в среднем при такой нагрузке — поэтому вам, возможно, придется пересмотреть температуру окружающей среды.

Если у вас есть электролитические конденсаторы, подключенные к медной области с повышенной температурой, возможно, стоит проверить их паспортные данные на максимальную рабочую температуру или срок службы при высокой температуре. Дешёвый алюминиевый электролитический конденсатор, который прослужит годы при комнатной температуре, может выдерживать всего 500 часов при 85°C. Это меньше месяца, и ваши клиенты, вероятно, ожидают, что их устройство прослужит дольше.

Если вам кажется, что вы действительно на пределе с симуляцией, стоит провести более обширную оценку вашего дизайна в Ansys IcePak или провести обширные испытания в реальных условиях. Тепловая камера и баллон с чёрной краской стоят дешевле, чем IcePak, но в реальных испытаниях может быть сложно моделировать различные условия без дорогостоящих климатических камер. Металлы отражают тепловые волны, поэтому для точного измерения покройте всю плату чёрной краской перед тестированием с тепловой камерой.

Заключение

Мой способ расчёта допустимой плотности тока может относиться к более грубым правилам проектирования печатных плат, но он должен дать вам представление о том, движется ли ваш дизайн в правильном направлении. Тепловые последствия высоких токов/температур на дорожках могут быть широкими для всей вашей платы и должны учитываться. Из-за этого я бы не рекомендовал искать золотой стандарт плотности тока, которой нужно придерживаться для всех ваших плат.

Если вы проектируете платы высокой мощности, ваша допустимая плотность тока, вероятно, будет гораздо выше, чем для сети распределения питания, которая питает микроконтроллеры или логические устройства.

Конкретная компоновка вашего устройства, условия эксплуатации и варианты корпуса сильно повлияют на допустимую плотность тока для вашего дизайна. Надеюсь, это руководство поможет вам определить допустимый предел, чтобы вы могли использовать такой инструмент, как PDN Analyzer, для проверки вашего дизайна перед его прототипированием.