Por qué su pista de PCB está más caliente de lo que cree

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.

Rastrear el aumento de temperatura es una de esas cosas que parecen sencillas hasta que 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 ofrece una imagen térmica: qué tan caliente se calienta la traza, cuánta energía disipa y qué aspecto tiene la resistencia a las trazas.

Las salidas incluyen:

• Aumento de temperatura (IPC-2221): cuántos grados por encima del ambiente funcionará la traza según la gráfica externa de IPC-2221
• Aumento de temperatura (IPC-2152 Fig. 5-1): lo mismo en la gráfica conservadora de IPC-2152 para cualquier capa, 4,83 veces el primero
• Temperatura máxima de la traza: la temperatura real de funcionamiento (ambiente + aumento), para cada aumento
• Resistencia de la traza: la resistencia DC de la traza a 20 °C
• Potencia disipada: las pérdidas I²R que lo calientan todo
• Capacidad de corriente a ΔT=10 °C: una comprobación en la gráfica de IPC-2221 de qué corriente daría un aumento de 10 °C

Este último es útil para realizar comparaciones rápidas. Si utiliza 4 A y la calculadora indica que la capacidad de su ΔT=10°C es de 2,1 A, sabrá que se está esforzando al máximo.

La física (brevemente)

El calentamiento residual proviene de 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 mide aproximadamente 35 μm (1,4 milésimas de pulgada), 2 onzas son 70 μm, y ½ onza son 17,5 μm. Estos son valores nominales: tu fabulosa casa puede tener un ± 10% en cualquier tabla.

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 verdadero ejemplo 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 transversal:

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

Resistencia a trazas 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).

La calculadora da dos aumentos de las gráficas para 3 A por una traza de 50 mil en cobre de 1 oz: 11,3 °C en la gráfica externa de IPC-2221 y 54,6 °C en la Figura 5-1 de IPC-2152, la gráfica conservadora para cualquier capa. El segundo supera la curva de 45 °C que dibuja esa gráfica, así que la calculadora lo marca como extrapolado. Sin un plano de cobre bajo la traza, diseñe con el segundo, de modo que la traza funciona a:

Ahora hay que corregir la resistencia por la temperatura:

Disipación de potencia real:

Eso es un 30 % más de potencia que nuestra estimación inicial. En la práctica, las curvas térmicas ya tienen en cuenta parte de esto, pero la idea se mantiene: la resistencia dependiente de la temperatura importa.

¿Y si ampliamos la traza?

Duplicar la traza a 100 mil reduce la resistencia a la mitad y mejora mucho el comportamiento térmico (más superficie de cobre para repartir e irradiar el calor). El aumento baja a 17,4 °C en la Figura 5-1 (3,6 °C en la gráfica de IPC-2221), lo que deja la traza a 62,4 °C en lugar de 99,6 °C. Es un margen mucho más cómodo.

Otra opción: pasar a cobre de 2 oz con el ancho original de 50 mil da la misma sección y, por tanto, los mismos aumentos: 17,4 °C en la Figura 5-1. La elección depende de las restricciones del apilado y de la tolerancia al coste.

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

IPC-2152 sustituyó a las antiguas gráficas de IPC-2221 que todo el mundo usó durante décadas. Las gráficas antiguas se basaban en datos de la década de 1950: placas de una cara, sin máscara de soldadura, sin planos de cobre cerca. Para las placas multicapa modernas eran conservadoras en algunos casos y peligrosamente optimistas en otros. IPC-2152 conservó una de ellas, la gráfica interna de IPC-2221, como su Figura 5-1: la gráfica conservadora para cualquier capa, y la que lee el segundo aumento de la calculadora.

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

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

Su placa real puede tener un plano de tierra 8 mil por debajo de la traza que actúe como difusor de calor, algo que el método detallado de IPC-2152 tiene en cuenta y que también tiene en cuenta el aumento para esta placa de la calculadora, del modelo térmico propio de rftools y no de IPC-2152, o puede tener otras tres trazas de potencia en paralelo que suman su calor. La calculadora le da una base razonable, pero hay que aplicar criterio de ingeniería.

Errores y trampas comunes

Ignorar las visas en la ruta actual

A single via has significant resistance compared to a wide trace. A 12 mil via in 1 oz copper has maybe 0.5-1 mΩ of resistance—not much in isolation, but if you've got 3 A flowing through it, that's 4.5-9 mW per via. String ten vias in series (which happens in poorly-planned layouts), and you've got a localized hot spot that won't show up in trace calculations.

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.

Uso del peso nominal de cobre

El cobre de «1 onza» puede pesar 0.9 oz después del grabado, especialmente para trazas de tono fino 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.

Suponer que las capas internas se calientan mucho más

IPC-2221 lo supone: su gráfica interna admite la mitad de corriente que la externa. Las mediciones de IPC-2152 mostraron que las trazas internas en aire quieto se calientan más o menos lo mismo que las externas; por eso su Figura 5-1 se aplica a ambas y el aumento IPC-2152 de la calculadora es el mismo en cualquier capa. La traza que funciona más fría es la que tiene un plano de cobre cercano debajo.

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 la 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 cobre de 1 oz y un aumento de 10 °C, la Figura 5-1 de IPC-2152 (cualquier capa, sin plano bajo la traza) y la gráfica externa de IPC-2221 dan estos anchos:

• 1 A: 31 mil (IPC-2221 externa: 12 mil)
• 3 A: 140 mil (54 mil)
• 5 A: 283 mil (109 mil)
• 10 A: 737 mil (283 mil), más allá de los 700 mil² que dibuja la Figura 5-1; probablemente le convenga un polígono de cobre

En una capa interna, IPC-2221 también pide el ancho de la Figura 5-1. Reduzca el ancho a la mitad si usa cobre de 2 oz. Verifique siempre con cálculos reales todo lo que importe.

Pruébalo

Tome su esquema, busque su traza de corriente más alta y abra la calculadora de aumento de temperatura de PCB Trace. 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.