Ancho de traza de PCB: IPC-2221 frente a IPC-2152

IPC-2221 frente a IPC-2152: ¿Cuál debería usar?

Así que estás dimensionando las trazas y preguntándote qué estándar seguir. Esta es la oferta: el IPC-2221 salió en 1998, pero en realidad se basa en mediciones de 1954. Sí, 1954. La fórmula es simple y conservadora:

El factor k es de 0,048 para las trazas externas (las que están expuestas al aire en las capas superiores o inferiores) y de 0,024 para las trazas internas enterradas en la pila. ΔT es el aumento de temperatura en °C y A es el área de la sección transversal en mil². Funciona, pero es demasiado cauteloso según los estándares modernos.

IPC-2152 apareció en 2009 y cambió el juego. De hecho, realizaron nuevos experimentos con materiales modernos de PCB y apilamiento de capas en lugar de basarse en datos de la era de Eisenhower. ¿El resultado? Puedes usar trazos más estrechos para la misma corriente o hacer pasar más corriente a través del mismo ancho de traza. Si se trata de una traza externa de 10 A con un aumento de 10 °C, la IPC-2152 te permite obtener una traza aproximadamente entre un 30 y un 40% más estrecha de lo que exige la IPC-2221. Lo que estás recuperando es el verdadero espacio en la placa. Para diseños nuevos, utilice IPC-2152. Punto. La única razón para usar la IPC-2221 es si se trata de un cliente o un organismo de certificación que lo menciona específicamente por su nombre en sus requisitos. De lo contrario, solo está desperdiciando bienes inmuebles de cobre y cartón.

Presupuesto para aumento de temperatura

Tu rastro no existe en el vacío (bueno, a menos que estés usando hardware espacial). La temperatura real que alcanza es la temperatura ambiente más cualquier aumento que provoque la corriente:

El FR4, que es el que usamos la mayoría de nosotros, tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de entre 130 °C y 170 °C, según el grado. La verdad es que no quieres acercarte a la Tg: la placa empieza a ablandarse y mecánicamente ocurren cosas raras. Mantente al menos 20 °C por debajo de ella, más si puedes.

Aquí es donde se pone difícil. Supongamos que estás diseñando algo que va dentro de una carcasa con otros materiales que generan calor. Tu temperatura ambiente puede estar a 70 °C, no a los 25 °C en los que estás acostumbrado a pensar. Si la temperatura ambiente de tu placa es de 130 °C y mantienes ese margen de seguridad de 20 °C, tu temperatura máxima de rastreo es de alrededor de 110 °C. Eso te deja con un presupuesto de aumento de temperatura de solo 40 °C con el que trabajar. No hay mucho margen de maniobra.

La mayoría de los ingenieros buscan estos objetivos en función de la aplicación:

• Electrónica de consumo: aumento de 10 °C: mantiene las cosas frías al tacto y maximiza la fiabilidad
• Equipo industrial: aumento de 20 a 30 °C; sigue siendo razonable, los componentes están clasificados para ello
• Electrónica de potencia: aumento de 30 a 40 °C: lo presionas, pero a veces necesitas cada milímetro de espacio en la placa

Estas no son reglas estrictas, solo lo que suele funcionar en la práctica. He visto diseños de fuentes de alimentación que aceptan un aumento de 50 °C en segmentos de trazas cortas porque la masa térmica es baja y no importa. El contexto lo es todo.

Capas externas frente a capas internas

Aquí es donde la gente se sorprende con frecuencia. Las trazas internas (las que se encuentran entre las capas de una pila) se calientan mucho más que las trazas externas que transportan la misma corriente. ¿Por qué? Disipación de calor.

Los rastros externos pueden arrojar calor directamente al aire (o a la cámara térmica cuando estás depurando el motivo por el que algo se derrite). Las huellas internas están rodeadas de FR4, que es un pésimo conductor térmico. Estamos hablando de unos 0,3 W/m·K para el FR4 frente a unos 150 W/m·K para el cobre. El calor tiene que atravesar múltiples capas de fibra de vidrio y epoxi para escapar, y lo hace a regañadientes.

La fórmula del IPC-2221 captura esto con ese factor k: 0,024 en el caso interno frente a 0,048 en el caso externo. Esa es una diferencia de 2 veces. En la práctica, las trazas internas necesitan aproximadamente el doble del área de la sección transversal para transportar la misma corriente con el mismo aumento de temperatura. Si calculó una traza externa de 20 mil, planifique 40 millas (o más) si tiene que enrutarla internamente.

La mayoría de los ingenieros intentan mantener las rutas de alta corriente en las capas externas siempre que sea posible. Si es absolutamente necesario dirigir la energía a una capa interna, sea generoso con la anchura. He depurado suficientes placas en las que alguien asumía que lo interno y lo externo eran equivalentes, pero no lo son, y tu olfato te avisará cuando lo enciendas.

Peso y sección transversal del cobre

El peso del cobre es una de esas especificaciones que parece simple hasta que comienzas a hacer los cálculos. La industria usa onzas por pie cuadrado, lo cual es maravillosamente poco intuitivo. Esto es lo que realmente significa para sus dimensiones de rastreo:

Las fábricas de PCB estándar fabrican cobre de 1 onza de forma predeterminada. Es barato, bien entendido y funciona para la mayoría de las cosas. Pero mire esa tabla: pasar de 1 onza a 2 oz duplica el área de la sección transversal para el mismo ancho de traza. Esto significa que puedes transportar el doble de la corriente (aproximadamente) sin ensanchar la traza. O puede reducir a la mitad el ancho de la traza para obtener la misma capacidad actual.

Para las fuentes de alimentación y los controladores de motores, suelo utilizar cobre de 2 onzas. El aumento de costos es mínimo, a menos que esté realizando grandes cantidades de producción, y le brinda mucha más flexibilidad en el enrutamiento. Ten cuidado con que el ancho y el espaciado de las trazas sean mínimos: el cobre más grueso es más difícil de grabar de forma limpia, por lo que tu fabulosa casa podría reducir la cantidad de trazas de 4 mil con cobre de 2 onzas.

Resistencia y caída de tensión

Esto es algo que molesta a las personas: aunque tu rastro se mantenga térmicamente satisfecho, es posible que sigas teniendo un problema. La caída de tensión es real y es proporcional a la resistencia:

La resistividad del cobre τ es de 1,72 × 10-1 Ω ·m a 20 °C y aumenta con la temperatura; el coeficiente α es de 0,00393 por °C. El término entre paréntesis indica la resistencia que aumenta a medida que la traza se calienta.

Veamos un ejemplo real. Tienes una traza de 100 mm de largo y 1 mm de ancho, que utiliza cobre estándar de 1 onza. Estás empujando a 3A a través de él. El área de la sección transversal es de 1 mm × 0,035 mm = 3,5 × 10-1 m². Introduzca los números:

• R = (1,72 × 10-1 × 0,1)/(3,5 × 10-1) = 0,049Ω
• V_drop = I × R = 3 A × 0,049 Ω = 0,15 V
• P_loss = I² × R = 9 × 0,049 = 0,44 W

Eso equivale a una caída de 0,15 V en la traza. Si utilizas un raíl de 3,3 V, acabas de perder el 4,5% de tu presupuesto de tensión incluso antes de llegar a la carga. En el caso de un raíl de 5 V, es más tolerable, pero en el caso de un raíl de precisión o bajo voltaje, es un problema.

La disipación de potencia es de 0,44 W, lo que no parece mucho, pero se distribuye en un área pequeña. Eso es lo que provoca el aumento de temperatura que calculamos anteriormente. Las trazas largas y de alta corriente tienen que ser más anchas, o puedes usar cobre de 2 onzas. A veces ambos.

Consejos prácticos

Vale, basta de teoría. Esto es lo que realmente funciona cuando estás diseñando tablas:

Vierte cobre en los rieles de alimentación en lugar de encarrilar. En serio. Un colador de cobre de 10 mm de ancho a 1 onza puede soportar fácilmente 20 A o más con un aumento de menos de 5 °C. Tiene una resistencia más baja, una inductancia más baja y no tiene que preocuparse por calcular los anchos de cada segmento. Simplemente inunda el área y listo. Veo a la gente desviar 100 mil trazas eléctricas cuando podrían cubrir un polígono y obtener un mejor rendimiento con menos esfuerzo. Usa vías térmicas debajo de trazas calientes para esparcir el calor. Si tienes una traza de alta corriente en una capa externa, coloca una serie de vías por debajo de ella para llevar el calor a las capas internas de cobre y distribuirlo. Sepárelas cada 0,5 a 1 mm a lo largo de la traza. Utilice vías de 10 o 12 mil; cuanto más grande, mejor para la transferencia térmica. Esto es especialmente importante si la traza es larga o si tu ruta se encuentra cerca de los límites térmicos. Los planos internos de cobre actúan como disipadores térmicos. Verifica todo con una cámara de infrarrojos en tu primer prototipo. No puedo hacer suficiente hincapié en esto. Todos estos cálculos suponen condiciones ideales: distribución uniforme de la corriente, ausencia de fuentes de calor adyacentes, flujo de aire específico, espesor perfecto del revestimiento de cobre. Las tablas reales son más desordenadas. Esa traza puede funcionar más fría porque hay un plano terrestre cerca que actúa como disipador de calor, o puede estar más caliente porque está al lado de un regulador lineal que descarga 2 W. La cámara IR te dice la verdad. Flir fabrica un accesorio para el teléfono que es lo suficientemente bueno para la mayoría de los trabajos. He tenido tantos problemas con el mío que se amortizó solo en el primer proyecto.

Una cosa más: si estás haciendo algo con mucha corriente (accionamientos de motor, fuentes de alimentación, carga de baterías), considera la posibilidad de que tu fabulosa casa haga un análisis transversal la primera vez que corras. Cortarán la placa y medirán el grosor real del cobre y la geometría de la traza. El grosor del revestimiento varía, y esa cantidad de cobre de 1 onza podría ser de 0,9 o 1,1 onzas, según el funcionamiento del baño de revestimiento ese día. Para los diseños críticos, conocer las dimensiones reales es importante.

Calcule las dimensiones de su traza con nuestra Calculadora de ancho de traza de PCB: muestra los resultados de IPC-2221 e IPC-2152 uno al lado del otro para que pueda ver la diferencia y tomar una decisión informada. Introduce la corriente, el aumento de temperatura y el peso del cobre y obtendrás el ancho de traza que necesitas. Es mucho más rápido que hacer los cálculos a mano, y es fácil probar diferentes escenarios para ver qué funciona mejor para tu diseño.