Alta espessura de cobre de PCB: Quais são as armadilhas?

Precisamos transportar altas correntes em um PCB (~ 30Amps sustentados), portanto, é provável que encomendemos nossos PCBs com alta espessura de cobre. Até agora, usamos apenas 35 mícrons (1 oz) em nossos projetos; portanto, "alta espessura" significa para nós 70 (2 oz) ou 105 (3 oz).

Não sabemos quais são as coisas a serem observadas com o cobre espesso. Agradecemos qualquer experiência. Como esse é um tópico muito amplo, vou adiante e faço perguntas específicas:

1. Parece que, para muitas fábricas, 105 mícrons é o mais alto possível. Isso está correto ou é possível uma espessura mais alta?

2. O cobre nas camadas internas pode ser tão espesso quanto o cobre na parte superior e inferior da placa?

3. Se estou empurrando a corrente através de várias camadas da placa, é necessário ou preferido (ou mesmo possível?) Distribuir a corrente da forma mais igual possível por todas as camadas?

4. Sobre as regras do IPC sobre largura de rastreio: elas se sustentam na vida real? Para 30 Amps e um aumento de temperatura de 10 graus, se estou lendo os gráficos corretamente, preciso de cerca de 11 mm de largura de traço na camada superior ou inferior.

5. Ao conectar várias camadas de traços de alta corrente, qual é a melhor prática: colocar uma matriz ou grade de vias perto da fonte atual ou colocar as vias em todo o traçado de alta corrente?

Estou atrasado para o jogo, mas vou tentar:

1- Parece que para muitas fábricas, 105 mícrons é o mais alto possível. Isso está correto ou é possível uma espessura mais alta?

Algumas lojas fab podem armazenar camadas internas. A troca geralmente é uma tolerância maior na espessura geral da placa, por exemplo, 20% em vez de 10%, custo mais alto e datas posteriores do envio.

2- O cobre nas camadas internas pode ser tão espesso quanto o cobre na parte superior e inferior da placa?

Sim, embora as camadas internas não dissipem o calor, assim como as camadas externas, e se você estiver usando o controle de impedância, é mais provável que sejam estrias do que micro-faixas (ou seja, usando dois planos de referência em vez de um). Striplines são mais difíceis de obter uma impedância alvo; as micro-faixas nas camadas externas podem ser plaqueadas até a impedância estar próxima o suficiente, mas você não pode fazer isso com as camadas internas após as camadas serem laminadas juntas.

3- Se estou empurrando a corrente através de várias camadas da placa, é necessário ou preferido (ou mesmo possível?) Distribuir a corrente da maneira mais igual possível ao longo das camadas?

Sim, é preferível, mas também é difícil. Normalmente, isso é feito apenas com os planos de terra, através da costura de vias e exigindo que os orifícios e vias se conectem a todos os planos da mesma rede.

4- Sobre as regras do IPC em relação às larguras de traços: elas se sustentam na vida real? Para 30 Amps e um aumento de temperatura de 10 graus, se estou lendo os gráficos corretamente, preciso de cerca de 11 mm de largura de traço na camada superior ou inferior.

O novo padrão IPC sobre capacidade atual (IPC-2152) mantém-se bem na vida real. No entanto, nunca se esqueça de que o padrão não considera vestígios próximos, também gerando quantidades comparáveis ​​de calor. Por fim, verifique também as quedas de tensão nos seus traços para garantir que eles sejam aceitáveis.

Além disso, o padrão não leva em consideração o aumento da resistência devido ao efeito de pele para circuitos de alta frequência (por exemplo, comutação de loop de energia). A profundidade da pele para 1 MHz é aproximadamente a espessura de 2 oz. (70 µm) de cobre. 10 MHz é inferior a 1/2 oz. cobre. Ambos os lados do cobre são usados ​​apenas se as correntes de retorno estiverem fluindo em camadas paralelas nos dois lados da camada em questão, o que geralmente não é o caso. Em outras palavras, a corrente prefere o lado voltado para o caminho da corrente de retorno correspondente (geralmente um plano de terra).

5- Ao conectar várias camadas de traços de alta corrente, qual é a melhor prática: posicionar uma matriz ou grade de vias perto da fonte atual ou colocar as vias no traçado de alta corrente?

É melhor (e geralmente mais fácil do ponto de vista prático) espalhar as vias de costura. Além disso, há uma coisa importante a ter em mente: indutância mútua. Se você colocar vias que transportam a corrente fluindo na mesma direção muito próximas umas das outras, haverá indutância mútua entre elas, aumentando a indutância total das vias (possivelmente fazendo uma grade de vias 4x4 parecer um 2x2 ou 1x2 no capacitor de desacoplamento frequências). A regra prática é manter essas vias pelo menos uma espessura da placa uma da outra (mais fácil) ou pelo menos duas vezes a distância entre os planos que as vias estão conectando (mais matemática).

Finalmente, ainda é aconselhável manter o empilhamento de camadas da placa simétrico para evitar distorções da placa. Algumas lojas fabulosas podem estar dispostas a fazer um esforço extra para combater a distorção de um empilhamento assimétrico, geralmente aumentando os prazos e o custo, já que precisam fazer algumas tentativas para acertar o seu empilhamento.

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Esse CD atual é? Com a corrente alternada, você pode ser limitado pelo efeito da pele.

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Eu acho que o problema número 1 inesperado pode ser: O pessoal de marketing fab de PCB anuncia que pode exibir larguras muito estreitas de traços / lacunas, além de anunciar que pode ter 35, 71 e 105 um de espessura de cobre (comumente chamados 1, 2 e 3 onças de cobre), mas eles não podem fazer as duas coisas na mesma placa. Se você deseja cobre mais espesso, deve espaçar os traços mais afastados do que os habituais em PCBs mais comuns.

1. Você sempre pode ligar para uma fábrica de PCB e perguntar se ela pode lidar com cobre mais grosso. Mas não se esqueça, e pergunte quanto isso vai custar. Mesmo que eles possam fazer cobre mais grosso, você pode não querer pagar o somador de custos.

2. O cobre nas duas camadas externas é sempre mais espesso do que as camadas internas. As fábricas de PCB normalmente compram placas revestidas de cobre "em branco" com 17,5 um ou 35 um de espessura, gravam-nas e adicionam espaçadores entre elas e colam-nas, de modo que essa é a espessura de todas as camadas internas. Em seguida, eles fazem os furos e jogam o PCB no banho de revestimento, que cresce uma camada de cobre em cada furo e nas camadas externas. O resultado é que todas as camadas internas têm a mesma espessura e ambas as camadas externas têm a mesma espessura, mais espessas que as camadas internas.

3. Ao empurrar correntes altas, você normalmente deseja traços largos e curtos para reduzir a resistência e, portanto, o calor I2R gerado nesses traços. Se você tiver 2 traços desiguais em diferentes camadas "em paralelo", reduzir a largura de qualquer parte de qualquer traço aumenta a resistência e, portanto, o calor I2R gerado, tornando as coisas piores - não importa se você deixa a placa mais equilibrada reduzindo a largura do rastreamento mais amplo ou mais desequilibrado, reduzindo a largura do rastreamento mais estreito.

5- Ao conectar várias camadas de traços de alta corrente, qual é a melhor prática: posicionar uma matriz ou grade de vias perto da fonte atual ou colocar as vias no traçado de alta corrente?

Eu suspeito que colocar o array próximo à fonte atual fornecerá uma menor resistência líquida.

"Existe algum problema com pesos assimétricos de cobre? Por exemplo, 35 um na camada 1-4 e 70 um nas camadas 5 e 6?"

As primeiras fábricas de PCB tinham problemas, a menos que as camadas estivessem "equilibradas". Meu entendimento é que as fábricas modernas de PCB não têm mais esses problemas, então as pessoas poderiam, em princípio, fabricar PCB desequilibrado. Mas a maioria das pessoas não se incomoda - as camadas internas finas padrão, camadas externas grossas, com 2 espessuras distintas, geralmente são adequadas para a maioria das placas.

A melhor fonte para muitas dessas perguntas é o fornecedor de PCB que você selecionou. Diferentes fornecedores de PCB se destacam em diferentes tipos de placas: algumas são ótimas em alta velocidade, com tolerâncias rigorosas; outros são bons em aplicações de alta potência. A maioria fará praticamente qualquer coisa que você pedir, mas pode haver um prêmio de preço.

Você não mencionou se a alta corrente estará em altas tensões. Nesse caso, você terá requisitos adicionais de fluência / folga para atender a fim de passar nos requisitos de segurança do produto.

1. Parece que, para muitas fábricas, 105 mícrons é o mais alto possível. Isso está correto ou é possível uma espessura mais alta?

Há um número muito menor de casas de diretoria que podem fazer mais do que 3 onças. Mas se você projetar sua prancha dessa maneira, poderá ficar sem usá-la para sempre, porque não haverá muitas outras opções. Eu ficaria com 3 onças no máximo.

Muitas casas de diretoria podem fazer 3 onças de cobre. Mas lembre-se de que muitas casas de diretoria não mantêm o material de cobre de 3 onças em estoque. Portanto, se você usá-lo, pode ter que esperar uma ou duas semanas extras para encomendar o material. Normalmente, isso não tem sido um problema muito grande na minha experiência, desde que você planeje isso no cronograma do projeto.

2.Pode o cobre nas camadas internas ser tão espesso quanto o cobre na parte superior e inferior da placa?

Geralmente é o contrário.

Se você for colocar algum componente SMD na placa, é provável que suas camadas externas ainda sejam de 1 oz e algumas das camadas internas de 3 oz.

3.Se estou empurrando a corrente através de várias camadas da placa, é necessário ou preferido (ou mesmo possível?) Distribuir a corrente da maneira mais igual possível por todas as camadas?

É preferível e possível distribuir a corrente igualmente entre as camadas, mas não há necessidade.

Os cálculos são muito mais fáceis quando todas as camadas são iguais.

A melhor maneira de fazer isso é garantir que as formas atuais de transporte em todas as camadas sejam idênticas. Além disso, as camadas devem ser todas unidas na origem e no destino, por uma grade de vias, um orifício revestido ou ambos.

Mas se você tiver espaço em alguma outra camada, use todos os meios extras de cobre, mas isso reduzirá apenas o calor.

4.Sobre as regras do IPC sobre larguras de traços: elas se sustentam na vida real? Para 30 Amps e um aumento de temperatura de 10 graus, se estou lendo os gráficos corretamente, preciso de cerca de 11 mm de largura de traço na camada superior ou inferior.

Eu usei as recomendações do IPC para largura de rastreamento sem problemas. Mas se você tiver alta corrente em várias camadas, espere que o aumento da temperatura seja mais alto para uma determinada quantidade de cobre (use mais cobre se tiver espaço).

Também vale a pena estimar a resistência do traço. Se sua ferramenta cad pode fazer isso, então é ótimo, se não puder, você pode apenas estimar o número de "quadrados" de cobre de uma extremidade à outra. A resistência é tipicamente 0,5 m Ohms por quadrado a 1 oz ou 166 u Ohms por quadrado a 3 onças. Usando a corrente e a resistência, calcule a potência de rastreamento. Verifique se a potência parece rasonable antes de continuar.

Também não se esqueça da potência gerada pelos contatos do conector, prensas, juntas de solda, etc. Essas coisas aumentam quando se lida com alta corrente.

5. Ao conectar várias camadas de traços de alta corrente, qual é a melhor prática: posicionar uma matriz ou grade de vias perto da fonte atual ou colocar as vias no traçado de alta corrente?

Depende se sua origem e destino são montados na superfície ou através do orifício.

Se o orifício passante, o orifício revestido já une todas as camadas; portanto, pode haver necessidade de vias extras.

Você deseja que a corrente esteja no maior número possível de camadas, tanto quanto possível na rota. Portanto, para os pads SMD, deve haver vias próximas à origem e ao destino. Idealmente, você colocaria vias preenchidas diretamente no bloco, caso contrário, você estaria executando toda a sua corrente em apenas uma camada externa até alcançar as primeiras vias.

Colocar qualquer via longe da fonte e do destino significa que parte da corrente fluirá em menos camadas por uma parte da rota. Se você colocar as vias uniformemente ao longo de todo o caminho, é provável que a maior parte da corrente passe pelas primeiras (possivelmente aquecendo-as bastante) e menos corrente passará pelas vias mais distantes. Portanto, você não obterá um uso muito eficiente dessas vias e precisará de mais vias gerais com essa abordagem. Como as vias retiram o espaço de roteamento, isso pode aumentar o tamanho geral da sua placa.