¿Cuál es el razonamiento detrás de la sabiduría común de limitar el aumento de temperatura de un rastro de PCB a 5/10/20 ° C?

Al decidir el grosor de traza requerido para transportar una cierta cantidad de corriente en una PCB, la respuesta depende de cuánto aumento de temperatura esté dispuesto a aceptar. Esto lleva al diseñador a la difícil situación de tratar de decidir cuánto aumento de temperatura es razonable. Las reglas generales comunes son permitir un aumento de temperatura de no más de 5 ° C, 10 ° C o 20 ° C, dependiendo de cuán conservador desee ser. Estas cifras parecen notablemente pequeñas en comparación con los aumentos de temperatura máximos de los transistores de potencia, circuitos integrados, resistencias de potencia u otros componentes que disipan el calor, que pueden ser de 60 + ° C. ¿Cuál es el razonamiento detrás de estos números?

Posibles razones por las que he pensado:

• Temperatura máxima de materiales de PCB. Para la mayoría de los materiales de tipo FR4 esto es alrededor de 130 ° C. Incluso permitiendo una temperatura ambiente muy conservadora (dentro del chassic) de 65 ° C, esto aún permitiría otro aumento de temperatura de 65 ° C.
• Permitiendo mayores aumentos de temperatura de los componentes. Si un SMT MOSFET iba a ver un aumento de temperatura de 80 ° C, por ejemplo, no querría comenzar a 40 ° C por encima de la temperatura ambiente debido a la temperatura de la PCB circundante. Sin embargo, esto parece demasiado específico de la situación como para hacer una regla general. En el caso de un MOSFET de orificio pasante sumergido por calor, por ejemplo, el flujo de calor por los cables es una fracción del flujo de calor a través del disipador de calor, por lo que la temperatura de la PCB no debería ser una preocupación importante. Incluso con las partes SMT, podría tener un rastro delgado que disipa mucho calor en la mayor parte de su longitud, pero luego ampliar ese rastro antes de que llegue al componente.
• Expansión térmica de materiales PCB. A medida que el PCB se calienta, los materiales se expandirán. Si diferentes partes de la PCB están expuestas a diferentes cantidades de calor, esto podría causar la flexión de la placa que podría agrietar las juntas de soldadura. Sin embargo, dado que los PCB están expuestos regularmente a diferenciales de temperatura más altos que esto debido a la disipación de energía en los componentes montados en ellos, esta no parece ser la respuesta.
• Estándares desactualizados. Quizás los límites de 5/10/20 ° C se pensaron hace años y ya no se aplican a los materiales de PCB modernos, pero todo el mundo los ha seguido sin pensarlo. Por ejemplo, quizás los viejos materiales de tableros fenólicos eran menos tolerantes al calor que la fibra de vidrio moderna.

Para plantear la pregunta de otra manera, digamos que encuentro que un aumento de temperatura de 20 ° C es demasiado limitante para mi diseño. Si en cambio decido permitir un aumento de temperatura de 40 ° C, ¿es probable que tenga problemas de confiabilidad a corto o largo plazo?

La bonificación apunta a cualquiera que pueda citar estándares que den un razonamiento para los números, o que tengan evidencia histórica de por qué se eligieron esos números.

Hay muchas cosas en el diseño del ancho de la traza de PCB, incluido el aumento de temperatura para la corriente. Otros son caída de voltaje, impedancia, capacidad fab de PCB, costo, densidad de empaque.

Sin embargo, el aumento de temperatura es, con razón, una de las especificaciones de "no exceder".

Una regla general es solo eso, algo que debes seguir la mayor parte del tiempo. Siempre podrá encontrar casos extremos en los que se permita un aumento mayor, si realiza cálculos cuidadosos.

Parte del beneficio de una regla general es que si la sigue, sus cálculos no tienen que ser demasiado cuidadosos, ya que hay un gran margen de error incorporado en la regla.

Una peculiaridad del aumento de temperatura es que es proporcional a la corriente al cuadrado, no solo a la corriente. Esto reduce la importancia de elegir un valor específico. La corriente que da un aumento de 20C no es el doble de la corriente de aumento de 10C, es solo 1.4x la corriente de aumento de 10C. Si duplicamos la corriente de aumento de 10 ° C, obtenemos un aumento de 40 ° C, que comienza a sentirse incómodamente cálido.

¿Por qué ejecutar una tabla genial? Todo tipo de buenas razones. El enfriamiento de componentes requiere un ambiente bajo. La vida útil de los componentes cae muy rápidamente a medida que aumenta la temperatura. El margen para operar en lugares cálidos (dentro de la cabina de un automóvil a pleno sol) es bueno. Depuración, pase el dedo por el circuito para encontrar componentes tostados, los rastros calientes lo confundirán.

No hay una sola razón asesina para ejecutar un tablero fresco, y no hay una sola razón para elegir un aumento de 10C frente a un aumento de 20C. Sin embargo, pocos diseñadores se sienten inhibidos al seguir esta 'regla'. Rara vez es lo que establece el límite. Si nos encontramos en algún caso de esquina donde no se puede lograr la especificación al apegarse a una cifra arbitraria de aumento de temperatura, entonces calculamos y probamos todo, para ver qué efecto sobre la vida útil y el enfriamiento causará temperaturas más altas.

El cobre laminar no se prueba previamente para resistividad, ya que desarrolla diferentes rangos de temperatura, mostrará un curso de resistividad no lineal. tales temperaturas se establecen para que la temperatura máxima alcance la adaptación térmica final de las capas, dejando los diagramas de pcb originales para el uso a muy largo plazo ...