Largeur de trace PCB : IPC-2221 contre IPC-2152

IPC-2221 contre IPC-2152 : lequel devez-vous utiliser ?

Vous êtes donc en train de dimensionner des traces et vous vous demandez quelle norme suivre. Voici l'offre : IPC-2221 est sortie en 1998, mais elle est en fait basée sur des mesures datant de 1954. Oui, 1954. La formule est simple et conservatrice :

Le facteur k est de 0,048 pour les traces externes (celles exposées à l'air sur les couches supérieure ou inférieure) et de 0,024 pour les traces internes enfouies dans l'empilage. ΔT est votre élévation de température en °C, et A est la section transversale du mil². Cela fonctionne, mais c'est trop prudent par rapport aux normes modernes.

IPC-2152 est apparu en 2009 et a changé la donne. Ils ont en fait mené de nouvelles expériences avec des matériaux PCB modernes et des empilements de couches au lieu de s'appuyer sur des données datant de l'ère Eisenhower. Le résultat ? Vous pouvez utiliser des traces plus étroites pour le même courant ou envoyer plus de courant sur la même largeur de trace. Pour quelque chose comme une trace externe de 10 A avec une augmentation de 10 °C, la norme IPC-2152 vous permet de vous en tirer avec une trace environ 30 à 40 % plus étroite que ce qu'exige la norme IPC-2221. C'est un véritable espace de plateau que vous récupérez. Pour les nouveaux modèles, utilisez la norme IPC-2152. Période. La seule raison de toucher à la norme IPC-2221 est si vous avez affaire à un client ou à un organisme de certification qui l'appelle nommément dans ses exigences. Sinon, vous ne faites que gaspiller de l'immobilier en cuivre et en carton.

Budget d'augmentation de la température

Votre trace n'existe pas dans le vide (enfin, sauf si vous utilisez du matériel spatial). La température réelle qu'il atteint est la température ambiante plus l'augmentation provoquée par votre courant :

Le FR4, que la plupart d'entre nous utilisons, a une température de transition vitreuse (Tg) comprise entre 130 °C et 170 °C selon le grade. Vous ne voulez vraiment pas vous approcher de Tg : le plateau commence à se ramollir et des choses étranges se produisent mécaniquement. Restez au moins à 20 °C en dessous de cette température, plus si possible.

C'est là que ça se complique. Supposons que vous conceviez quelque chose qui entre dans un boîtier avec d'autres éléments générateurs de chaleur. Votre température ambiante est peut-être de 70 °C, et non des 25 °C auxquels vous avez l'habitude de penser. Si la Tg de votre planche est de 130 °C et que vous maintenez cette marge de sécurité de 20 °C, votre température de trace maximale est d'environ 110 °C. Cela ne vous laisse que 40 °C de budget d'augmentation de température à gérer. Pas beaucoup de marge de manœuvre.

La plupart des ingénieurs visent les objectifs suivants en fonction de l'application :

• Appareils électroniques grand public : hausse de 10 °C : permet de garder les appareils au frais au toucher et d'optimiser la fiabilité
• Équipement industriel : hausse de 20 à 30 °C, ce qui reste raisonnable, les composants sont conçus pour cela
• Electronique de puissance : hausse de 30 à 40 °C : vous poussez, mais vous avez parfois besoin de chaque millimètre d'espace sur la carte

Ce ne sont pas des règles strictes, mais simplement des règles qui ont tendance à fonctionner dans la pratique. J'ai vu des modèles d'alimentation qui acceptent une augmentation de 50 °C sur de courts segments de traces parce que la masse thermique est faible et cela n'a pas d'importance. Tout est dans le contexte.

Couches externes et couches internes

C'est là que les gens sont souvent surpris. Les traces internes, c'est-à-dire celles qui sont prises en sandwich entre les couches de votre empilement, sont nettement plus chaudes que les traces externes transmettant le même courant. Pourquoi ? Dissipation thermique.

Les traces externes peuvent rejeter de la chaleur directement dans l'air (ou dans votre caméra thermique lorsque vous déterminez pourquoi quelque chose fond). Les traces internes sont entourées de FR4, qui est un terrible conducteur thermique. Nous parlons de 0,3 W/m·K pour le FR4 contre environ 150 W/m·K pour le cuivre. La chaleur doit traverser plusieurs couches de fibre de verre et d'époxy pour s'échapper, et elle le fait à contrecœur.

La formule IPC-2221 capture cela avec ce facteur k : 0,024 pour l'interne contre 0,048 pour l'externe. C'est une différence de 2 fois. En pratique, les traces internes ont besoin d'environ deux fois la surface transversale pour transporter le même courant à la même élévation de température. Si vous avez calculé une trace externe de 20 mil, prévoyez 40 mils (ou plus) si vous devez l'acheminer en interne.

Dans la mesure du possible, la plupart des ingénieurs essaient de conserver les chemins à courant élevé sur les couches externes. Si vous devez absolument acheminer l'énergie sur une couche interne, soyez généreux avec la largeur. J'ai débogué suffisamment de cartes pour lesquelles quelqu'un a supposé que l'interne et l'externe étaient équivalents, mais ce n'est pas le cas, et votre nez vous dira quand vous l'allumerez.

Poids et section transversale du cuivre

Le poids du cuivre est l'une de ces spécifications qui semblent simples jusqu'à ce que vous commenciez à faire le calcul. L'industrie utilise des onces par pied carré, ce qui est merveilleusement peu intuitif. Voici ce que cela signifie réellement pour les dimensions de votre trace :

Les usines de fabrication de circuits imprimés standard utilisent par défaut 1 once de cuivre. C'est bon marché, bien compris et fonctionne pour la plupart des choses. Mais regardez ce tableau : passer de 1 oz à 2 oz double votre surface transversale pour la même largeur de trace. Cela signifie que vous pouvez transporter deux fois plus de courant (approximativement) sans élargir la trace. Vous pouvez également réduire de moitié la largeur du tracé pour la même capacité de courant.

Pour les alimentations et les contrôleurs de moteur, je spécifie généralement du cuivre de 2 oz. L'augmentation des coûts est minime, à moins que vous ne réalisiez d'énormes séries de production, et cela vous donne beaucoup plus de flexibilité en matière de routage. Faites attention à la largeur et à l'espacement minimaux des traces : un cuivre plus épais est plus difficile à graver proprement, de sorte que votre usine risque de repousser des traces de 4 mil avec 2 oz de cuivre.

Résistance et chute de tension

Voici quelque chose qui mord les gens : même si votre trace reste thermiquement heureuse, il se peut que vous ayez toujours un problème. La chute de tension est réelle et elle est proportionnelle à la résistance :

La résistivité du cuivre ρ est de 1.72×10⁻⁸ Ω·m à 20 °C, et elle augmente avec la température : le coefficient α est de 0,00393 par °C. Ce terme entre parenthèses représente la résistance qui augmente à mesure que la trace s'échauffe.

Passons à un exemple concret. Vous avez une trace de 100 mm de long, 1 mm de large, en utilisant du cuivre standard de 1 oz. Tu es en train de faire passer 3A à travers. La section transversale est de 1 mm × 0,035 mm = 3.5×10⁻⁸ m². Insérez les chiffres :

• R = (1.72×10⁻⁸ × 0.1) / (3.5×10⁻⁸) = 0.049Ω
• V_drop = I × R = 3A × 0.049Ω = 0,15V
• P_loss = I² × R = 9 × 0,049 = 0,44 W

C'est 0,15 V qui est tombé sur votre trace. Si vous utilisez un rail 3,3 V, vous venez de perdre 4,5 % de votre budget de tension avant même d'atteindre la charge. Pour un rail de 5 V, c'est plus tolérable, mais pour tout ce qui concerne la précision ou la basse tension, c'est un problème.

La dissipation de puissance est de 0,44 W, ce qui ne semble pas beaucoup, mais elle est répartie sur une petite surface. C'est ce qui cause la hausse de température que nous avons calculée plus tôt. Les longues traces de courant élevé doivent être plus larges, sinon vous devez passer à 2 oz de cuivre. Parfois les deux.

Conseils pratiques

OK, assez de théorie. Voici ce qui fonctionne réellement lorsque vous posez des planches :

Versez du cuivre sur les rails d'alimentation au lieu de tracer des tracés. Sérieusement. Une coulée de cuivre de 10 mm de large à 1 oz peut facilement supporter 20 A ou plus avec une augmentation de moins de 5 °C. Il offre une résistance et une inductance plus faibles et vous n'avez pas à vous soucier du calcul des largeurs pour chaque segment. Il suffit d'inonder la zone et de dire que c'est terminé. Je vois des gens acheminer des traces d'alimentation de 100 mil alors qu'ils pourraient couler un polygone et obtenir de meilleures performances avec moins d'effort. Utilisez des vias thermiques sous les traces chaudes pour diffuser la chaleur. Si vous avez une trace de courant élevé sur une couche externe, déposez une série de vias en dessous pour aspirer la chaleur dans les couches de cuivre internes et l'étaler. Espacez-les tous les 0,5 à 1 mm le long de la trace. Utilisez des vias de 10 ou 12 mil : plus c'est gros, mieux c'est pour le transfert thermique. Ceci est particulièrement important si le tracé est long ou si votre routage est proche des limites thermiques. Les plans internes en cuivre font office de dissipateur thermique. Vérifiez tout avec une caméra infrarouge sur votre premier prototype. Je ne saurais trop insister là-dessus. Tous ces calculs supposent des conditions idéales : distribution uniforme du courant, absence de sources de chaleur adjacentes, débit d'air spécifique, épaisseur de cuivrage parfaite. Les vrais tableaux sont plus compliqués. Cette trace peut fonctionner plus froide parce qu'il y a un plan de masse à proximité qui fait office de dissipateur thermique, ou elle peut devenir plus chaude parce qu'elle se trouve à côté d'un régulateur linéaire qui émet 2 W. La caméra infrarouge vous dit la vérité. Flir fabrique une pièce jointe de téléphone qui convient à la plupart des tâches. J'ai rencontré tellement de problèmes avec le mien qu'elle a été rentabilisée dès le premier projet.

Une dernière chose : si vous faites quoi que ce soit avec un courant important (entraînement moteur, alimentation électrique, recharge de batterie), pensez à demander à votre usine de faire une analyse transversale lors de votre première utilisation. Ils découperont votre planche et mesureront l'épaisseur réelle du cuivre et la géométrie des traces. L'épaisseur du placage varie et cette once de cuivre peut en fait être de 0,9 oz ou 1,1 oz selon la façon dont le bain de placage fonctionnait ce jour-là. Pour les conceptions critiques, il est important de connaître les dimensions réelles.

Calculez les dimensions de vos traces à l'aide de notre Calculateur de largeur de trace PCB. Il affiche les résultats IPC-2221 et IPC-2152 côte à côte afin que vous puissiez voir la différence et faire un choix éclairé. Branchez votre courant, votre élévation de température et votre poids en cuivre, et vous obtiendrez la largeur de trace dont vous avez besoin. Bien plus rapide que de faire le calcul à la main, il est facile d'essayer différents scénarios pour déterminer ce qui convient le mieux à votre mise en page.