Por que sua trilha de PCB esquenta mais do que você imagina

O problema sobre o qual ninguém fala até que algo derreta

A maioria dos engenheiros dimensiona os traços de PCB de acordo com a capacidade atual e conclui. A trilha pode lidar com 3 A, você está executando 2,5 A, está tudo bem. Só que não é, porque esses 2,5 A estão aquecendo seu traço a 40° C acima da temperatura ambiente e agora o circuito analógico sensível à temperatura próximo está saindo das especificações. Ou pior, suas juntas de solda estão se degradando lentamente porque estão a 85° C em vez dos 60° C que você supunha.

Rastrear o aumento da temperatura é uma daquelas coisas que parecem simples até que você realmente calcule os números. A relação entre corrente, geometria de traço e temperatura não é linear, o ambiente térmico é muito importante e os padrões IPC que todos citam têm limitações que nem sempre são óbvias.

O que a calculadora realmente faz

A Calculadora de aumento da temperatura traçada do PCB pega seus parâmetros de trilha — corrente, largura, peso do cobre, temperatura ambiente e comprimento do traço — e fornece uma imagem térmica: quão quente o traço fica, quanta energia ele dissipa e qual é a aparência da resistência ao traço.

As saídas incluem:

• Aumento de temperatura (IPC-2221): quantos graus acima do ambiente seu traço vai operar pelo gráfico externo da IPC-2221
• Aumento de temperatura (IPC-2152 Fig. 5-1): o mesmo no gráfico conservador da IPC-2152 para qualquer camada, 4,83 vezes o primeiro
• Temperatura máxima do traço: a temperatura real de operação (ambiente + aumento), para cada aumento
• Resistência do traço: a resistência DC do seu traço a 20 °C
• Potência dissipada: as perdas I²R que aquecem tudo
• Capacidade de corrente a ΔT=10 °C: uma verificação no gráfico da IPC-2221 de qual corrente daria um aumento de 10 °C

Esse último é útil para comparações rápidas. Se você está executando 4 A e a calculadora diz que sua capacidade ΔT=10°C é 2,1 A, você sabe que está exagerando.

A física (brevemente)

O aquecimento residual vem de perdas resistivas. A corrente que flui através da resistência finita do traço dissipa a energia:

A resistência do traço depende da geometria e da temperatura. Para um traço retangular:

onde $\rho$ é resistividade de cobre (cerca de $1.7 \times 10^{-8}$ Ω·m a 20°C), $L$ é comprimento, $W$ é largura e $t$ é espessura.

O peso do cobre se traduz em espessura: 1 onça de cobre é aproximadamente 35 μm (1,4 mils), 2 oz é 70 μm, e ½ oz é 17,5 μm. Esses são valores nominais — sua fabulosa casa pode ser de ± 10% em qualquer placa.

É aqui que fica interessante. A resistividade do cobre aumenta com a temperatura em cerca de 0,39% por °C. Portanto, um traço 50°C mais quente do que a temperatura ambiente tem uma resistência aproximadamente 20% maior do que você calcularia a partir dos valores da temperatura ambiente. Isso cria um ciclo de feedback: maior resistência significa mais dissipação de energia, o que significa maior temperatura, o que significa maior resistência. O sistema encontra um equilíbrio, mas não está na temperatura que você obteria com um cálculo ingênuo.

Um exemplo real

Digamos que você esteja projetando uma placa de acionamento de motor. O motor consome 3 A contínuos e você tem um traço de 12 polegadas (305 mm) que vai do conector até a ponte H. A placa usa cobre de 1 onça e você alocou 50 mils (1,27 mm) para a largura do traço. A temperatura ambiente no gabinete é de 45°C.

Primeiro, trace a área da seção transversal:

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

Resistência ao traço a 20° C:

Dissipação de energia (primeira aproximação):

Isso é mais de um watt dissipado em uma estreita faixa de cobre. O aumento da temperatura depende de quão bem esse calor pode escapar — se o traço está em uma camada interna (ruim), uma camada externa com máscara de solda (ok) ou uma camada externa com fluxo de ar (melhor).

A calculadora dá dois aumentos dos gráficos para 3 A em um traço de 50 mil em cobre de 1 oz: 11,3 °C no gráfico externo da IPC-2221 e 54,6 °C na Figura 5-1 da IPC-2152, o gráfico conservador para qualquer camada. O segundo passa da curva de 45 °C que o gráfico desenha, por isso a calculadora o marca como extrapolado. Sem plano de cobre sob o traço, projete pelo segundo; então seu traço opera a:

Agora precisamos corrigir a resistência pela temperatura:

Dissipação de energia real:

Isso é 30% mais potência do que nossa estimativa inicial. Na prática, as curvas térmicas já consideram parte disso, mas o ponto permanece: a resistência dependente da temperatura importa.

E se ampliássemos o traço?

Dobrar o traço para 100 mil corta a resistência pela metade e melhora muito o desempenho térmico (mais área de cobre para espalhar e irradiar calor). O aumento cai para 17,4 °C pela Figura 5-1 (3,6 °C pelo gráfico da IPC-2221), deixando o traço a 62,4 °C em vez de 99,6 °C. É uma margem muito mais confortável.

Como alternativa, passar para cobre de 2 oz com a largura original de 50 mil dá a mesma seção e, portanto, os mesmos aumentos: 17,4 °C pela Figura 5-1. A escolha depende das restrições do empilhamento e da tolerância a custos.

Os padrões do IPC: o que eles fazem e o que não dizem

A IPC-2152 substituiu os antigos gráficos da IPC-2221 que todos usaram por décadas. Os gráficos antigos se baseavam em dados da década de 1950 — placas de face simples, sem máscara de solda, sem planos de cobre por perto. Para placas multicamadas modernas, eram conservadores em alguns casos e perigosamente otimistas em outros. A IPC-2152 manteve um deles, o gráfico interno da IPC-2221, como sua Figura 5-1: o gráfico conservador para qualquer camada, e o que o segundo aumento da calculadora lê.

O IPC-2152 é baseado em testes térmicos reais de PCBs modernos, o que é bom. Mas o padrão ainda faz suposições:

• Ar parado (sem convecção forçada)
• Rastreie isoladamente (sem fontes de calor próximas)
• Condições de estado estacionário (sem correntes pulsadas)
• Construções específicas de placas

Sua placa real pode ter um plano de terra 8 mil abaixo do traço atuando como espalhador de calor, o que o método detalhado da IPC-2152 considera e que o aumento para esta placa da calculadora também considera, pelo modelo térmico próprio do rftools e não pela IPC-2152, ou três outros traços de potência em paralelo somando seu calor. A calculadora dá uma base razoável, mas você precisa aplicar julgamento de engenharia.

Erros e pegadinhas comuns

Ignorando vias no caminho atual

Uma única via tem resistência significativa em comparação com um traço amplo. Uma via de 12 mil em 1 onça de cobre tem talvez 0,5-1 mΩ de resistência — não muito isoladamente, mas se você tem 3 A fluindo por ela, são 4,5-9 mW por via. Separe dez vias em série (o que acontece em layouts mal planejados) e você terá um ponto ativo localizado que não aparecerá nos cálculos de trilha.

Esquecendo o acoplamento térmico

Dois traços de 2 A paralelos por 3 polegadas ficarão cada um mais quentes do que um único traço de 2 A isoladamente. O calor de um traço eleva o ambiente local para o outro. Já vi placas em que o aumento de temperatura calculado foi de 25° C, mas o aumento real foi de 40° C devido a traços e componentes adjacentes.

Usando o peso nominal de cobre

Seu cobre de “1 onça” pode atingir 0,9 onças após a gravação, especialmente para traços finos em que o fator de corrosão penetra nas paredes laterais. Para caminhos críticos de corrente, suponha 10-15% menos cobre do que o nominal.

Supor que as camadas internas esquentam muito mais

A IPC-2221 supõe isso: seu gráfico interno admite metade da corrente do externo. As medições da IPC-2152 mostraram que os traços internos em ar parado esquentam mais ou menos o mesmo que os externos; por isso sua Figura 5-1 vale para ambos e o aumento IPC-2152 da calculadora é o mesmo em qualquer camada. O traço que opera mais frio é o que tem um plano de cobre próximo logo abaixo.

Ignorando o comportamento transitório

O aumento de temperatura em estado estacionário pressupõe corrente contínua. Se sua carga for pulsada — digamos, 5 A por 100 ms a cada segundo — o traço não atingirá a temperatura de estado estacionário. Vai alternar entre uma temperatura mais baixa e mais alta. Na verdade, isso pode ser pior para a confiabilidade do que o aquecimento constante devido à fadiga térmica nas juntas de solda. Mas isso também significa que você poderá usar um traço mais estreito do que os cálculos de estado estacionário sugerem, se você entender as constantes de tempo térmicas envolvidas.

O mito da máscara de solda

Alguns engenheiros acham que a máscara de solda isola o traço e o torna mais quente. Na realidade, a máscara de solda tem um impacto térmico mínimo — é fina e, embora não seja um bom condutor, não retém o calor de forma significativa. O que importa mais é se você tem cobre exposto para resfriamento convectivo ou um plano de terra embaixo para espalhamento condutivo.

Quando se preocupar (e quando não se preocupar)

Um aumento de temperatura de 10° C em um traço de energia geralmente é bom. Vale a pena prestar atenção a 20° C. 40° C ou mais significa que você precisa redesenhar ou adicionar gerenciamento térmico.

Mas o contexto é importante. Um aumento de 30° C que coloca seu traço a 55° C (em um ambiente de 25° C) provavelmente é bom. O mesmo aumento de 30° C em um gabinete ambiente de 70° C coloca você a 100° C, o que está se aproximando das temperaturas de refluxo da solda e acelerará a eletromigração em seu cobre.

Considere também o que está por perto. Um traço quente próximo a uma referência de tensão de precisão é um problema, mesmo que o traço em si esteja dentro das especificações. Um traço quente no meio de uma seção de energia cercada por outros componentes de energia? Provavelmente está bem.

Regras práticas rápidas

Para cobre de 1 oz e aumento de 10 °C, a Figura 5-1 da IPC-2152 (qualquer camada, sem plano sob o traço) e o gráfico externo da IPC-2221 dão estas larguras:

• 1 A: 31 mil (IPC-2221 externo: 12 mil)
• 3 A: 140 mil (54 mil)
• 5 A: 283 mil (109 mil)
• 10 A: 737 mil (283 mil), além dos 700 mil² que a Figura 5-1 desenha; você provavelmente vai querer um polígono de cobre

Em uma camada interna, a IPC-2221 também pede a largura da Figura 5-1. Reduza a largura pela metade se usar cobre de 2 oz. Sempre verifique com cálculos reais o que for importante.

Experimente

Pegue seu esquema, encontre seu traço de maior corrente e abra a calculadora de aumento de temperatura de trilha de PCB. Insira os números reais: largura real do traço, peso real do cobre, temperatura ambiente realista. Se o aumento da temperatura o surpreender, você não está sozinho. A maioria dos engenheiros subestima o aquecimento residual até medi-lo em uma placa real com uma câmera térmica.

É melhor descobrir na calculadora do que na produção.