Por qué su rastro de PCB está más caliente de lo que cree (Cómo...

El problema del que nadie habla hasta que algo se derrite

La mayoría de los ingenieros miden las trazas de PCB según la capacidad actual y dan por terminado. La traza puede soportar 3 A, estás usando 2,5 A, todo va bien. Pero no lo es, porque esa potencia de 2,5 A calienta la traza hasta 40 °C por encima de la temperatura ambiente, y ahora los circuitos analógicos sensibles a la temperatura cercanos están pasando de las especificaciones. O lo que es peor, las uniones de soldadura se están degradando lentamente porque están a 85 °C en lugar de los 60 °C que creías.

El aumento de temperatura de las trazas es una de esas cosas que parecen sencillas hasta que no analizas los números. La relación entre la corriente, la geometría de las trazas y la temperatura no es lineal, el entorno térmico es sumamente importante y los estándares del IPC que todos citan tienen limitaciones que no siempre son obvias.

Qué hace realmente la calculadora

La calculadora de aumento de temperatura de trazas de PCB toma los parámetros de la traza (corriente, ancho, peso del cobre, temperatura ambiente y longitud de la traza) y te da una imagen térmica: qué tan caliente se pone la traza, cuánta energía disipa y qué aspecto tiene la resistencia a la traza.

Los resultados incluyen:

• Aumento de temperatura (ΔT) : cuántos grados por encima de la temperatura ambiente se ejecutará su rastreo
• Temperatura máxima de trazo: la temperatura de funcionamiento real (temperatura ambiente más aumento)
• Resistencia al trazo: la resistencia a corriente continua de su dispositivo Trace a la temperatura de funcionamiento
• Energía disipada: las pérdidas del I²R lo calientan todo
• Capacidad de corriente a ΔT=10 °C: una prueba de cordura que muestra qué corriente provocaría un aumento de 10 °C

Esto último es útil para realizar comparaciones rápidas. Si estás utilizando 4 A y la calculadora dice que tu capacidad de ΔT=10 °C es de 2,1 A, sabrás que te estás esforzando al máximo.

La física (brevemente)

El calentamiento residual proviene de las pérdidas resistivas. La corriente que fluye a través de la resistencia finita de la traza disipa la energía:

La resistencia a la traza depende de la geometría y la temperatura. Para una traza rectangular:

donde $\rho$ es la resistividad del cobre (aproximadamente $1.7 \times 10^{-8}$Ω·m a 20°C),$ L $es la longitud,$ W $es el ancho y$ t$es el grosor.

El peso del cobre se traduce en grosor: 1 onza de cobre equivale a aproximadamente 35 μm (1,4 milésimas de pulgada), 2 onzas son 70 μm y ½ onza son 17,5 μm. Estos son valores nominales: una casa fabulosa puede tener un valor de ± 10% en cualquier tablero.

Aquí es donde se pone interesante. La resistividad del cobre aumenta con la temperatura, aproximadamente un 0,39% por °C. Por lo tanto, una traza que esté 50 °C más caliente que la temperatura ambiente tiene aproximadamente un 20% más de resistencia de lo que se calcularía a partir de los valores de temperatura ambiente. Esto crea un circuito de retroalimentación: una mayor resistencia significa más disipación de energía, lo que significa una temperatura más alta, lo que significa una mayor resistencia. El sistema encuentra un equilibrio, pero no está a la temperatura que se obtendría con un cálculo ingenuo.

Un ejemplo real y práctico

Supongamos que está diseñando una placa de accionamiento de motor. El motor consume 3 A de corriente continua y se obtiene una traza de 12 pulgadas (305 mm) que va desde el conector hasta el puente en H. La placa utiliza cobre de 1 onza y se han asignado 50 milésimas de pulgada (1,27 mm) para el ancho de la traza. La temperatura ambiente de la carcasa es de 45 °C.

Primero, trace el área de la sección transversal:

• Anchura: 1,27 mm
• Grosor: 35 μm (1 onza de cobre)
• Superficie:$1.27 \times 0.035 = 0.0445$ mm² =$4.45 \times 10^{-8}$ m²

Resistencia al rastreo a 20 °C:

Disipación de potencia (primera aproximación):

Eso es más de un vatio disipado en una estrecha tira de cobre. El aumento de temperatura depende de qué tan bien pueda escapar el calor, ya sea que el rastro se encuentre en una capa interna (deficiente), en una capa externa con máscara de soldadura (aceptable) o en una capa externa con flujo de aire (mejor).

Si se utilizan curvas derivadas del IPC-2152 para una traza externa, de 3 A a 50 milésimas de pulgada en cobre de 1 onza se obtiene un aumento de temperatura de aproximadamente 35 °C. Por lo tanto, su rastreo se ejecuta en:

Ahora necesitamos corregir la resistencia a la temperatura:

Disipación de potencia real:

Eso es un 23% más de energía que nuestra estimación inicial. En la práctica, las curvas térmicas ya explican parte de esto, pero el punto es válido: la resistencia dependiente de la temperatura es importante.

Abra la calculadora PCB Trace Temperature Rise e introduzca estos valores. Verás el aumento de temperatura, la resistencia corregida y si necesitas replantearte tu diseño.

¿Y si ampliamos la traza?

Duplicar la traza hasta 100 milésimas de pulgada reduce la resistencia a la mitad y mejora drásticamente el rendimiento térmico (más área de cobre para esparcir e irradiar calor). El aumento de temperatura desciende a unos 12 °C, lo que sitúa la huella en 57 °C en lugar de 80 °C. Es un margen mucho más cómodo.

Como alternativa, usar cobre de 2 onzas con el ancho original de 50 milésimas de pulgada arroja resultados similares: un aumento de aproximadamente 15 °C. La elección depende de sus restricciones de apilamiento y de su tolerancia a los costos.

Los estándares del IPC: lo que dicen y lo que no dicen

El IPC-2152 reemplazó a los antiguos gráficos IPC-2221 que todo el mundo usó durante décadas. Las cartas antiguas se basaban en datos de la década de 1950: placas de una sola cara, sin máscaras de soldadura, sin aviones cercanos. En algunos casos, eran conservadores en el caso de las placas multicapa modernas y, en otros, peligrosamente optimistas.

El IPC-2152 se basa en las pruebas térmicas reales de los PCB modernos, lo cual es bueno. Sin embargo, la norma sigue haciendo suposiciones:

• Aire inmóvil (sin convección forzada)
• Traza aislada (no hay fuentes de calor cercanas)
• Condiciones de estado estacionario (sin corrientes pulsadas)
• Construcciones de placas específicas

Tu placa actual puede tener un plano de tierra a 8 milésimas de pulgada por debajo de la traza que actúa como difusor de calor, o puede tener otras tres líneas de alimentación que corren en paralelo y añaden su calor a la mezcla. La calculadora te ofrece una base de referencia razonable, pero debes aplicar tu criterio técnico.

Errores y errores comunes

Ignorar las visas en la ruta actual

Una sola vía tiene una resistencia significativa en comparación con una vía ancha. Una vía de 12 milésimas de pulgada en cobre de 1 onza puede tener una resistencia de 0,5 a 1 mΩ, no mucha si la atraviesa, pero si la atraviesan 3 A, son 4,5 a 9 mW por vía. Enlaza diez vías en serie (lo que ocurre en diseños mal planificados) y obtendrás un punto caliente localizado que no aparecerá en los cálculos de trazas.

Olvidarse del acoplamiento térmico

Dos trazas de 2 A que corran paralelas durante 3 pulgadas se calentarán más que una sola traza de 2 A de forma aislada. El calor de una traza eleva el ambiente local de la otra. He visto tablas en las que el aumento de temperatura calculado fue de 25 °C, pero el aumento real fue de 40 °C debido a la presencia de trazas y componentes adyacentes.

Utilizando el peso nominal del cobre

El cobre de «1 onza» puede pesar 0.9 onzas después del grabado, especialmente para trazas finas en las que el factor de grabado afecta las paredes laterales. Para las rutas de corriente críticas, supongamos que hay entre un 10 y un 15% menos de cobre que el valor nominal.

Tratar las capas internas y externas de la misma manera

Las trazas internas se calientan significativamente más que las trazas externas a la misma corriente. Están rodeados por el FR-4, que es un aislante térmico decente. Una traza interna puede experimentar un aumento de temperatura un 50% mayor que una traza externa con la misma geometría y corriente. La calculadora suele dar por sentado que hay trazas externas: si vas a enrutar la energía en capas internas, añade un margen.

Ignorar el comportamiento transitorio

El aumento de temperatura en estado estacionario supone una corriente continua. Si la carga es pulsátil (por ejemplo, 5 A durante 100 ms por segundo), la traza no alcanzará la temperatura de estado estacionario. Cambiará entre una temperatura más baja y una más alta. De hecho, esto puede ser peor para la confiabilidad que un calentamiento constante debido a la fatiga térmica en las juntas de soldadura. Pero también significa que, si comprendes las constantes térmicas de tiempo implicadas, podrías utilizar una traza más estrecha de lo que sugieren los cálculos en estado estacionario.

El mito de la máscara de soldadura

Algunos ingenieros piensan que la máscara de soldadura aísla la traza y hace que se caliente más. En realidad, la máscara de soldadura tiene un impacto térmico mínimo: es delgada y, aunque no es un buen conductor, no atrapa el calor de manera significativa. Lo que más importa es si tiene cobre expuesto para la refrigeración por convección o si tiene un plano de tierra por debajo para la dispersión conductiva.

Cuándo preocuparse (y cuándo no)

Por lo general, un aumento de temperatura de 10 °C en una señal eléctrica está bien. Vale la pena prestar atención a 20 °C. 40 °C o más significa que es necesario rediseñar o añadir una gestión térmica.

Pero el contexto importa. Un aumento de 30 °C que sitúe tu rastro a 55 °C (en un ambiente de 25 °C) probablemente esté bien. El mismo aumento de 30 °C en una carcasa ambiental de 70 °C te sitúa a 100 °C, lo que se acerca a las temperaturas de reflujo de la soldadura y acelerará la electromigración del cobre.

Considera también lo que hay cerca. Una traza caliente junto a una referencia de voltaje de precisión es un problema, incluso si la traza en sí está dentro de las especificaciones. ¿Hay una línea caliente en medio de una sección de alimentación rodeada de otros componentes de alimentación? Probablemente esté bien.

Reglas generales rápidas

Para las trazas externas en aire en calma con 1 onza de cobre, estas pautas aproximadas funcionan para un aumento de temperatura de 10 °C:

• 1 A: ~10-15 milésimas de pulgada de ancho
• 3 A: ~50-60 milésimas de pulgada de ancho
• 5 A: ~120-150 milésimas de pulgada de ancho
• 10 A: ~400 milésimas de pulgada de ancho (lo más probable es que desees un vertido poligonal)

Duplique el ancho para las trazas internas. Córtelo a la mitad si está usando 2 onzas de cobre. Estos son números aproximados; compruébalos siempre con cálculos reales para cualquier cosa que sea importante.

Pruébalo

Coge tu esquema, encuentra tu traza de corriente más alta y abre la calculadora de aumento de temperatura en trazas de PCB. Introduce los números reales: el ancho real de la traza, el peso real del cobre y la temperatura ambiente realista. Si el aumento de temperatura te sorprende, no estás solo. La mayoría de los ingenieros subestiman el calentamiento residual hasta que lo miden en una placa real con una cámara térmica.

Es mejor averiguarlo en la calculadora que en la producción.