O que está por trás do senso comum de limitar o aumento da temperatura de um traço de PCB para 5/10/20 ° C?

Ao decidir sobre a espessura do traço necessário para transportar uma certa quantidade de corrente em uma PCB, a resposta depende da quantidade de aumento de temperatura que você deseja aceitar. Isso leva o projetista à difícil situação de tentar decidir quanta elevação de temperatura é razoável. As regras comuns são permitir um aumento de temperatura não superior a 5 ° C, 10 ° C ou 20 ° C, dependendo de quão conservador você deseja ser. Esses números parecem notavelmente pequenos em comparação com o aumento máximo de temperatura de transistores de potência, CIs, resistores de potência ou outros componentes dissipadores de calor, que podem ser de 60 ° C. Qual é o raciocínio por trás desses números?

Possíveis razões pelas quais pensei:

• Temperatura máxima de materiais de PCB. Para a maioria dos materiais do tipo FR4, isso é cerca de 130 ° C. Mesmo permitindo uma temperatura ambiente muito conservadora (dentro do chassic) de 65 ° C, isso ainda permitiria outro aumento de temperatura de 65 ° C.
• Permitindo aumentos adicionais de temperatura dos componentes. Se um SMT MOSFET visse um aumento de temperatura de 80 ° C, por exemplo, você não gostaria de iniciá-lo 40 ° C acima da temperatura ambiente por causa da temperatura da PCB ao redor. No entanto, isso parece específico demais para uma regra de ouro. No caso de um MOSFET de furo passante afundado pelo calor, por exemplo, o fluxo de calor subindo pelos condutores é uma fração do fluxo de calor que sai do dissipador de calor, portanto a temperatura da PCB não deve ser uma grande preocupação. Mesmo com peças SMT, eu poderia ter um traço fino que dissipa muito calor durante a maior parte de seu comprimento, mas depois amplia esse traço antes que ele atinja o componente.
• Expansão térmica de materiais de PCB. À medida que o PCB esquenta, os materiais se expandem. Se diferentes partes da placa de circuito impresso forem expostas a diferentes quantidades de calor, isso poderá causar flexão da placa, o que poderá quebrar as juntas de solda. No entanto, dado que os PCBs são regularmente expostos a diferenciais de temperatura mais altos do que isso devido à dissipação de energia nos componentes montados a eles, isso não parece ser a resposta.
• Padrões desatualizados. Talvez os limites de 5/10/20 ° C tenham sido pensados ​​anos atrás e não se apliquem mais aos materiais modernos de PCB, mas todos continuaram a segui-los sem pensar nisso. Por exemplo, talvez os materiais antigos de placas fenólicas fossem menos tolerantes ao calor do que a fibra de vidro moderna.

Para colocar a questão de outra maneira, digamos que eu ache que um aumento de temperatura de 20 ° C seja muito limitante para o meu projeto. Se eu optar por permitir um aumento de temperatura de 40 ° C, é provável que eu tenha problemas de confiabilidade a curto ou longo prazo?

O bônus aponta para qualquer pessoa que possa citar padrões que fundamentem os números ou que possuam evidências históricas do motivo pelo qual esses números foram escolhidos.

Muitas coisas são necessárias para projetar a largura do traço PCB, incluindo o aumento da temperatura da corrente. Outros são queda de tensão, impedância, capacidade de fabricação de PCB, custo e densidade de embalagem.

No entanto, o aumento da temperatura é justamente uma das especificações 'não exceda'.

Uma regra prática é exatamente isso, algo que você deve seguir a maior parte do tempo. Você sempre poderá encontrar casos extremos onde é permitido um aumento mais alto, se fizer cálculos cuidadosos.

Parte do benefício de uma regra de ouro é que, se você a seguir, seus cálculos não precisarão ser muito cuidadosos, já haverá uma grande margem de erro incorporada à regra.

Uma peculiaridade do aumento da temperatura é que ele é proporcional à corrente ao quadrado, não apenas à corrente. Isso reduz a importância de escolher um valor específico. A corrente que gera um aumento de 20 ° C não é o dobro da corrente de aumento de 10 ° C, é apenas 1,4x a corrente de aumento de 10 ° C. Se dobrarmos a corrente de subida de 10 ° C, obteremos uma subida de 40 ° C, que começa a ficar desconfortavelmente quente.

Por que executar um quadro legal? Todos os tipos de boas razões. O resfriamento de componentes requer um ambiente baixo. A vida útil dos componentes diminui muito rapidamente à medida que a temperatura aumenta. A margem para operar em locais quentes (dentro de uma cabine de carro sob luz solar intensa) é boa. Na depuração, passe o dedo pelo circuito para encontrar componentes tostados, você ficará confuso com traços quentes.

Não existe um motivo matador para deixar o board bem legal, e não há um motivo para escolher um aumento de 10C versus um aumento de 20C. No entanto, poucos designers se sentem inibidos ao seguir esta 'regra'. Raramente é a coisa que define o limite. Se nos encontrarmos em um caso de esquina em que a especificação não pode ser alcançada observando um valor arbitrário de aumento de temperatura, calculamos e testamos tudo, para ver que efeito na vida útil e no resfriamento de temperaturas mais altas causará.

O cobre laminar não é pré-testado para resistividade, pois desenvolve diferentes faixas de temperatura; ele mostrará um curso de resistividade não linear. essas temperaturas são indicadas para que a temperatura máxima atinja a adequação térmica final das camadas, deixando os diagramas originais de placas de circuito impresso para uso a longo prazo ...