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Thermal

Aumento da temperatura do traço de PCB

Calcule o aumento de temperatura de trilhas de cobre em PCB sob corrente de carga com o ajuste do IPC-2221 para camadas externas. Insira largura, espessura e corrente para obter ΔT acima da temperatura ambiente. Gratuito, resultados instantâneos.

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Fórmula

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

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

ΔT— Aumento da temperatura acima do ambiente (°C)
I— Rastrear corrente (A)
k— Constante IPC-2221 (externa: 0,048)
b— Expoente IPC-2221 (0,44)
c— Expoente de seção transversal IPC-2221 (0,725)
A— Seção transversal do condutor (largura × espessura) (mil²)

Como Funciona

A Calculadora de Temperatura de Traço de PCB calcula o aumento de temperatura em estado estacionário para traços portadores de corrente - essencial para eletrônicos de potência, acionadores de motor e circuitos de LED, onde o superaquecimento do traço causa falha na junta de solda e delaminação do PCB. Os engenheiros térmicos usam isso para verificar se os projetos permanecem abaixo da temperatura de transição vítrea do FR4 (Tg = 130-180C) com margens de segurança apropriadas.

Esta calculadora usa o ajuste do IPC-2221 para camadas externas: I = k x deltaT^0,44 x A^0,725, então deltaT = (I/(k x A^0,725)) ^ (1/0,44), onde k = 0,048 para traços externos e A é a área da seção transversal em mils^2. O IPC-2221 dá k = 0,024 para traços internos, que esta calculadora não aplica. O IPC-2152 (2009) substitui esses gráficos por medições mais recentes com correções para a espessura da placa e planos de cobre próximos, publicadas como gráficos e não como esta fórmula fechada. Os traços internos ficam 40-50% mais quentes do que os externos na mesma corrente porque o resfriamento por convecção é bloqueado pelo dielétrico circundante.

Temperatura real = ambiente + DeltaT. Um projeto de aumento de 20° C em um ambiente de 25° C atinge 45° C; a 85° C, o ambiente automotivo atinge 105° C, aproximando-se da temperatura de refluxo da solda (183-220° C) e arriscando a confiabilidade a longo prazo. De acordo com o IPC-9701A, cada aumento de temperatura de 10° C reduz pela metade a vida útil da junta de solda devido à fadiga do ciclo térmico.

A resistividade do cobre aumenta 0,393% /C de acordo com a ASTM B193. Um traço a 75° C (50° C acima da referência de 25° C) tem resistência 20% maior do que a calculada em temperatura ambiente, criando feedback positivo que pode levar à fuga térmica em altas correntes. Os cálculos do projeto devem usar a pior das hipóteses de temperatura para resistência.

Exemplo Resolvido

Problema: verifique um traço externo de cobre de 2 onças (70 um), com 1,5 mm de largura e 100 mm de comprimento, conduzindo 4A contínuos em um ambiente de 55C. A temperatura máxima permitida é 105C.

Solução pelo ajuste do IPC-2221 para camadas externas:

  1. Área da seção transversal: A = 1,5 mm x 0,070 mm = 0,105 mm^2 = 162,75 mils^2 (1 mm^2 = 1550 mils^2)
  2. Constante da camada externa: k = 0,048
  3. Aumento de temperatura: deltaT = (4/(0,048 x 162,75^0,725)) ^ (1/0,44)
  4. Calcule: 162,75^0,725 = 40,12; 0,048 x 40,12 = 1,926; 4/1,926 = 2,077; 2,077^(1/0,44) = 5,27C
  5. Temperatura real: T = 55C + 5,27C = 60,3C
  6. Margem: 105C - 60,3C = 44,7C — folgada; o mesmo traço conduz 5,30A com um aumento de 10C

Resistência e perda: R = 0,01724 / 0,105 x 0,1 m = 16,42 mOhm, então P = 4^2 x 0,01642 = 263 mW.

Em uma camada interna, o IPC-2221 usa k = 0,024, o que dá cerca de 25C para o mesmo traço; esta calculadora calcula apenas camadas externas.

Dicas Práticas

  • ✓Alvo de aumento de 10°C para design conservador, 20°C para placas compactas, máximo de 30°C para produtos de consumo com custo otimizado — de acordo com as recomendações da Tabela 6-1 do IPC-2152.
  • ✓Adicione cobre ao redor dos traços de energia — o espalhamento térmico melhora o resfriamento efetivo em 15 a 25% segundo estudos de simulação térmica, reduzindo o aumento da temperatura na mesma corrente.
  • ✓Para automóveis (ambiente de 85° C): use camadas externas com cobre de 2 onças para traços de potência — fornece 2 vezes a capacidade de corrente versus 1 onça interna no mesmo aumento de temperatura.

Erros Comuns

  • ✗Tratar como exato o ajuste IPC-2221 que esta calculadora usa: ele vem de dados dos anos 1950 e não considera a espessura da placa nem planos de cobre próximos. O IPC-2152 (2009) substitui esses gráficos por medições mais recentes que os consideram; verifique trilhas críticas nos gráficos do IPC-2152, que esta calculadora não implementa.
  • ✗Calculando em ambiente de 25° C quando o produto opera a 55 a 85° C — de acordo com o IPC-9701A, a alta temperatura operacional acelera drasticamente a fadiga da solda. Sempre adicione o ambiente real ao aumento de temperatura calculado.
  • ✗Ignorando a penalidade térmica da camada interna — os traços internos ficam 40-50% mais quentes do que os externos, de acordo com o IPC-2152, porque o calor deve ser conduzido através do dielétrico em vez de se convectar para o ar. Tamanho: traços de potência internos 50-100% maiores.

Perguntas Frequentes

Depende da aplicação de acordo com o IPC-2152: eletrônicos de consumo normalmente com aumento de 20-30C; industrial de 10-20C; máximo automotivo/aeroespacial de 10C devido aos requisitos de confiabilidade. A restrição crítica é a junta de solda: cada faixa de ciclo de 10C dobra os danos por fadiga de acordo com o IPC-9701A. Mantenha a temperatura total (ambiente + aumento) abaixo de 105° C para confiabilidade a longo prazo.
No ajuste IPC-2221 que esta calculadora usa, a capacidade de corrente escala como A^0,725, onde A é a área da seção transversal. A duplicação da largura (mesma espessura) aumenta a capacidade em 2^0,725 = 1,65x (65%), não 2x, porque traços mais largos também têm maior área de superfície para resfriamento. Para o mesmo aumento de temperatura: traço de 1 mm a 2A; traço de 2 mm a 3,3 A; traço de 3 mm a 4,5 A.
Sim — o ajuste IPC-2221 que esta calculadora usa considera a área da seção transversal diretamente. 1 onça de cobre (35um) com 1 mm de largura tem A = 35.000 um^2; 2 oz (70um) na mesma largura tem A = 70.000 um^2, aumentando a capacidade de corrente em 1,65x. O cobre mais espesso também melhora a dispersão térmica, fornecendo um bônus adicional de capacidade de 5 a 10% segundo a modelagem térmica.
De acordo com IPC-2152: (1) Temperatura ambiente — aumenta diretamente ao aumento calculado; (2) Traços adjacentes — o acoplamento térmico adiciona 5-15C; (3) O cobre derrama — melhora a propagação do calor em 15-25%; (4) Máscara de solda — retém o calor, adiciona 5-10C; (5) Material da placa — o FR4 conduz o calor melhor do que a poliimida. Inclua uma margem de 20 a 30% para esses fatores.
De acordo com as diretrizes de design do IPC-2152: (1) Durante o projeto inicial — traços de tamanho para a corrente esperada; (2) Após o layout — verifique os comprimentos reais dos traços e a distribuição de cobre; (3) Após qualquer aumento de corrente; (4) Para produção — meça a temperatura real em protótipos usando câmera infravermelha ou termopares. Calcule nas piores condições operacionais.

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