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PCB

Calculadora de Resistencia de Pista PCB

Calcula la resistencia eléctrica de una pista de cobre en PCB en función de sus dimensiones y temperatura.

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Fórmula

R=ρ(T)⋅LW⋅TcR = \rho(T) \cdot \frac{L}{W \cdot T_c}

Referencia: IPC-2221B; copper ρ₂₀ = 1.72×10⁻⁸ Ω·m, α = 3.93×10⁻³ /°C

ρ(T)— Resistividad a temperatura T (Ω·m)
L— Longitud de la traza (m)
W— Ancho de traza (m)
Tc— Grosor del cobre (m)

Cómo Funciona

La calculadora de trazas de PCB calcula la resistencia corregida por corriente continua y temperatura para las trazas de cobre, algo esencial para el análisis de la integridad de la energía, la presupuestación de caídas de tensión y la gestión térmica. Los ingenieros analógicos y de electrónica de potencia la utilizan para garantizar que las caídas de tensión se mantengan por debajo del 1 al 2% de los rieles de suministro, tal y como exigen la mayoría de las hojas de datos de circuitos integrados.

Según el apéndice A del IPC-2221B, la resistencia traza es R = rho x L/(W x T), donde rho es la resistividad del cobre (1.724e-8 ohm-m a 25 °C), L es la longitud, W es el ancho y T es el grosor. El coeficiente de temperatura alfa = 0,00393 °C (según la norma ASTM B193) significa que la resistencia aumenta un 39,3% cada 100 °C de aumento. Una traza diseñada para 50 mohm a 25 °C mide 70 mohm a 75 °C, lo que es fundamental para la detección precisa de la corriente.

El grosor del cobre varía según la fabricación: 1 onza de cobre, nominalmente 35 um, pasa a ser de 30 a 32 um después del grabado, lo que aumenta la resistencia entre un 10 y un 15% en comparación con el cálculo. Según la clase 2 del IPC-6012D, el espesor mínimo del cobre es el 80% del nominal, por lo que los márgenes de diseño deben tenerse en cuenta. La rugosidad de la superficie (Rz = de 2 a 5 µm según la norma IPC-4562) aumenta aún más la resistencia efectiva entre un 3 y un 8% a altas frecuencias debido al efecto cutáneo.

En las redes de distribución de energía (PDN), la resistencia de trazas marca la caída de corriente continua, pero la inductancia domina por encima de ~1 MHz. Una traza de 100 mm con un ancho de 1 mm tiene una inductancia de aproximadamente 100 nH; a 10 MHz, presenta una reactancia de 6,3 ohmios frente a una resistencia de 50 mohm de corriente continua, lo que explica por qué los condensadores de desacoplamiento deben colocarse cerca de los circuitos integrados.

Ejemplo Resuelto

Problema: Calcule la resistencia de una traza de cobre de 50 mm de largo, 0,5 mm de ancho y 1 onza a 25 °C y 75 °C para un riel de alimentación de 3,3 V con 500 mA.

Solución según el IPC-2221B:

  1. Parámetros del cobre: rho = 1.724e-8 ohm-m, T = 35 um (1 oz), alfa = 0.00393/C
  2. R a 25 °C: R = 1.724e-8 x 0.050/(0.0005 x 35e-6) = 8.62e-10/ 1.75e-8 = 49,3 mohm
  3. R a 75 °C: R (75) = R (25) x [1 + 0,00393 x (75-25)] = 49,3 x 1,197 = 59,0 mohm
  4. Caída de tensión a 500 mA: V = 0,5 x 0,059 = 29,5 mV (0,9% de 3,3 V)
  5. Disipación de potencia: P = 0.5^2 x 0.059 = 14.8 mW
Verificación: la caída del 0,9% está dentro del presupuesto típico del 2%. Para una corriente de 1 A, la caída se duplica hasta 59 mV (1,8%), lo que sigue siendo aceptable. En el caso de 2 A, la caída es de 118 mV (3,6%), es decir, supera el presupuesto y se necesitan trazas más anchas o cobre de 2 onzas.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice cobre de 2 onzas para las trazas de potencia a fin de reducir a la mitad la resistencia; según la norma IPC-2221B, el aumento de costos es de solo un 10 a un 15%, lo que supone una mejora significativa de la confiabilidad.
  • ✓Agregue puntos de prueba de medición de resistencia (paneles de detección de Kelvin) en trazas de potencia críticas: permite la verificación de la producción según los métodos de prueba IPC-9252.
  • ✓Para la tecnología analógica de precisión: disminuya la resistividad del cobre en un 15% en los cálculos para tener en cuenta la variación de grabado y la rugosidad de la superficie según el IPC-4562.

Errores Comunes

  • ✗Utilizando 35 um nominales para cobre de 1 onza, el grosor real del postgrabado es de 30 a 32 um según IPC-6012D, lo que aumenta la resistencia entre un 10 y un 15%. Utilice 32 um para realizar cálculos conservadores.
  • ✗Ignorar el coeficiente de temperatura: el aumento de la temperatura operativa de 50 °C aumenta la resistencia en un 20%, lo que provoca caídas de tensión inesperadas que pueden infringir las tolerancias de alimentación del circuito integrado (normalmente, un +/ -5%).
  • ✗Cálculo de la resistencia de corriente continua para corrientes de alta frecuencia: el efecto piel limita la corriente a la capa superficial (profundidad de la piel = 21 um a 10 MHz), lo que duplica eficazmente la resistencia por encima de los 10 MHz por Pozar.

Preguntas Frecuentes

La resistencia es inversamente proporcional a la anchura: al doblar la anchura se reduce a la mitad la resistencia. Según el IPC-2221B, una traza de cobre de 1 mm de ancho y 1 onza tiene 49 mohm/100 mm; con 2 mm de ancho, 24,5 mohm/100 mm. Para rutas de alta corriente (>1 A), se recomienda un ancho mínimo de 1 mm para mantener la caída de tensión por debajo de 50 mV/100 mm.
Sí, una traza de 100 mm con 1 mm de ancho (1 onza de cobre) deja caer 49 mV a 1 A. Para un suministro de 3,3 V con una tolerancia de +/ -5% (165 mV), esta única traza consume el 30% del presupuesto de tolerancia. Las fuentes de amplificación múltiple (5 A+) requieren trazas de 2 a 3 mm o 2 onzas de cobre para mantenerse dentro del presupuesto, según las directrices de PDN del IPC-2152.
Sí, el cobre electrodepositado (ED) tiene una resistividad entre un 5 y un 10% más alta que el cobre recocido laminado (RA) debido a la estructura del grano según la norma IPC-4562. Cobre ED: aproximadamente 1,8e-8 ohm-m; cobre RA: aproximadamente 1,72e-8 ohm-m. La mayoría de las fábricas de PCB utilizan cobre ED; especifique RA para aplicaciones de detección de corriente de precisión.
Los cálculos teóricos tienen una precisión de +/ -5% para geometrías estándar. La variación en condiciones reales aumenta un +/ -15% debido a: (1) la variación del espesor del cobre según el IPC-6012D; (2) la variación del ancho respecto al grabado (+/ -10%); (3) la rugosidad de la superficie; (4) la incertidumbre térmica. Para la producción, mida la resistencia real en muestras representativas.
Según IPC-2152: cobre externo de 1 onza, aumento de 10 °C, 1 mm de ancho soporta aproximadamente 2 A; 2 mm de ancho transporta aproximadamente 3,5 A. Para un aumento de 20 °C: multiplica por 1,4 veces. Las trazas internas soportan entre un 40 y un 50% menos debido a la reducción del enfriamiento. Corriente práctica máxima para cobre estándar de 2 onzas: 10-15 A en trazas de más de 5 mm con una gestión térmica adecuada.

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