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Thermal

Hausse de température de PCB Trace

Calculez l'augmentation de température des traces de cuivre des PCB sous courant de charge à l'aide de l'ajustement IPC-2221 pour couches externes

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Formule

ΔT=(Ik⋅A0.725)1/0.44,k=0.048 (external), A in mil2\Delta T = \left(\frac{I}{k \cdot A^{0.725}}\right)^{1/0.44},\quad k = 0.048 \text{ (external)},\ A \text{ in mil}^2

Référence: IPC-2221B Appendix B (external layers)

ΔT— Augmentation de la température au-dessus de la température ambiante (°C)
I— Tracez le courant (A)
k— Constante IPC-2221 (externe : 0,048)
b— Exposant IPC-2221 (0,44)
c— Exposant de section transversale IPC-2221 (0,725)
A— Section du conducteur (largeur × épaisseur) (mil²)

Comment ça marche

Le calculateur de température des traces de circuits imprimés calcule l'élévation de température en régime permanent pour les traces porteuses de courant, ce qui est essentiel pour l'électronique de puissance, les pilotes de moteur et les circuits LED où la surchauffe des traces entraîne une défaillance des joints de soudure et une délamination des PCB. Les ingénieurs thermiques l'utilisent pour vérifier que les conceptions restent inférieures à la température de transition vitreuse du FR4 (Tg = 130-180 °C) avec des marges de sécurité appropriées.

Ce calculateur utilise l'ajustement IPC-2221 pour les couches externes : I = k x deltaT^0,44 x A^0,725, donc deltaT = (I/(k x A^0,725)) ^ (1/0,44), où k = 0,048 pour les traces externes et A est la section transversale en mils^2. L'IPC-2221 donne k = 0,024 pour les traces internes, que ce calculateur n'applique pas. L'IPC-2152 (2009) remplace ces abaques par des mesures plus récentes, corrigées de l'épaisseur de la carte et des plans de cuivre proches, et les publie sous forme d'abaques plutôt que de cette formule fermée. Les traces internes sont 40 à 50 % plus chaudes que les pistes externes au même courant car le refroidissement par convection est bloqué par le diélectrique environnant.

Température réelle = ambiante + deltaT. Une conception d'élévation de 20 °C à une température ambiante de 25 °C atteint 45 °C ; à 85 °C, la température ambiante de l'automobile atteint 105 °C, soit une température proche de la température de refusion de la soudure (183-220 °C) et mettant en danger la fiabilité à long terme. Selon la norme IPC-9701A, chaque augmentation de température de 10 °C réduit de moitié la durée de vie des joints de soudure en raison de la fatigue due aux cycles thermiques.

La résistivité du cuivre augmente de 0,393 % /C conformément à la norme ASTM B193. Une trace à 75 °C (50 °C au-dessus de la référence de 25 °C) présente une résistance 20 % plus élevée que celle calculée à température ambiante, ce qui crée une rétroaction positive qui peut entraîner un emballement thermique à des courants élevés. Les calculs de conception doivent utiliser la température la plus défavorable pour la résistance.

Exemple Résolu

Problème : Vérifiez une trace externe en cuivre de 2 oz (70 um), de 1,5 mm de large et 100 mm de long, portant 4 A en continu à 55 °C ambiants. La température maximale autorisée est de 105 °C.

Solution selon l'ajustement IPC-2221 pour couches externes :

  1. Section transversale : A = 1,5 mm x 0,070 mm = 0,105 mm^2 = 162,75 mils^2 (1 mm^2 = 1550 mils^2)
  2. Constante de couche externe : k = 0,048
  3. Hausse de température : deltaT = (4/(0,048 x 162,75^0,725)) ^ (1/0,44)
  4. Calculez : 162,75^0,725 = 40,12 ; 0,048 x 40,12 = 1,926 ; 4/1,926 = 2,077 ; 2,077^(1/0,44) = 5,27 °C
  5. Température réelle : T = 55 °C + 5,27 °C = 60,3 °C
  6. Marge : 105 °C - 60,3 °C = 44,7 °C — confortable ; la même trace porte 5,30 A pour une hausse de 10 °C

Résistance et pertes : R = 0,01724 / 0,105 x 0,1 m = 16,42 mOhm, donc P = 4^2 x 0,01642 = 263 mW.

Sur une couche interne, l'IPC-2221 utilise k = 0,024, ce qui donne environ 25 °C pour la même trace ; ce calculateur ne traite que les couches externes.

Conseils Pratiques

  • ✓Objectif d'augmentation de 10 °C pour une conception conservatrice, de 20 °C pour les cartes compactes, de 30 °C maximum pour les produits de consommation optimisés en termes de coûts, conformément aux recommandations du tableau 6-1 de la norme IPC-2152.
  • ✓Ajoutez du cuivre autour des traces d'alimentation : la répartition thermique améliore le refroidissement efficace de 15 à 25 % selon les études de simulation thermique, réduisant ainsi la hausse de température au même courant.
  • ✓Pour l'automobile (température ambiante de 85 °C) : utilisez des couches externes avec du cuivre de 2 oz pour les traces d'alimentation. Cela permet de doubler la capacité de courant par rapport à 1 oz interne à la même augmentation de température.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Considérer comme exact l'ajustement IPC-2221 qu'utilise ce calculateur : il repose sur des données des années 1950 et ne tient compte ni de l'épaisseur de la carte ni des plans de cuivre voisins. L'IPC-2152 (2009) remplace ces abaques par des mesures plus récentes qui en tiennent compte ; vérifiez les pistes critiques avec les abaques de l'IPC-2152, que ce calculateur n'implémente pas.
  • ✗Calculer à une température ambiante de 25 °C lorsque le produit fonctionne à 55-85 °C : selon la norme IPC-9701A, une température de fonctionnement élevée accélère considérablement la fatigue de la soudure. Ajoutez toujours la température ambiante réelle à l'augmentation de température calculée.
  • ✗Ignorer la pénalité thermique de la couche interne : les traces internes sont 40 à 50 % plus chaudes que les traces externes selon la norme IPC-2152, car la chaleur doit passer par le diélectrique plutôt que par convection dans l'air. Taille des traces d'alimentation internes 50 à 100 % plus larges.

Foire Aux Questions

Selon l'application selon la norme IPC-2152 : les appareils électroniques grand public augmentent généralement de 20 à 30 °C ; les appareils industriels de 10 à 20 °C ; les appareils automobiles et aérospatiaux peuvent atteindre 10 °C au maximum en raison des exigences de fiabilité. La contrainte critique est le joint de soudure : chaque plage de cycles de 10 °C double les dommages dus à la fatigue selon la norme IPC-9701A. Maintenez la température totale (ambiante + hausse) en dessous de 105 °C pour une fiabilité à long terme.
Dans l'ajustement IPC-2221 qu'utilise ce calculateur, la capacité en courant varie comme A^0,725 où A est la section transversale. Le fait de doubler la largeur (même épaisseur) augmente la capacité de 2^0,725 = 1,65x (65 %), et non de 2x, car des traces plus larges ont également une plus grande surface de refroidissement. Pour une même augmentation de température : trace de 1 mm à 2 A ; trace de 2 mm à 3,3 A ; trace de 3 mm à 4,5 A.
Oui, l'ajustement IPC-2221 qu'utilise ce calculateur prend directement la section transversale. 1 oz de cuivre (35 um) à 1 mm de largeur correspond à A = 35 000 um^2 ; 2 oz (70 um) à la même largeur ont A = 70 000 um^2, ce qui augmente la capacité en courant de 1,65 fois. Un cuivre plus épais améliore également la répartition thermique, offrant un bonus de capacité supplémentaire de 5 à 10 % selon la modélisation thermique.
Selon la norme IPC-2152 : (1) Température ambiante — s'ajoute directement à l'augmentation calculée ; (2) Traces adjacentes — le couplage thermique ajoute 5 à 15 °C ; (3) Coule de cuivre — améliore la répartition de la chaleur de 15 à 25 % ; (4) Masque de soudure — retient la chaleur, ajoute 5 à 10 °C ; (5) Matériau du panneau — Le FR4 conduit mieux la chaleur que le polyimide. Incluez une marge de 20 à 30 % pour ces facteurs.
Conformément aux directives de conception IPC-2152 : (1) Pendant la conception initiale, tracés dimensionnels pour le courant attendu ; (2) Après la mise en page, vérifiez les longueurs réelles des traces et la distribution du cuivre ; (3) Après toute augmentation de courant ; (4) Pour la production, mesurez la température réelle sur les prototypes à l'aide d'une caméra infrarouge ou de thermocouples. Calculez dans les pires conditions de fonctionnement.

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