Analyse de la relation entre l'épaisseur du cuivre, Largeur de trace, et capacité de transport de courant dans la conception de PCB
Dans un circuit imprimé (PCB) conception, la correspondance de l'épaisseur du cuivre, largeur de trace, et la capacité de transport de courant est un facteur clé qui détermine la fiabilité du circuit. Une mauvaise sélection des paramètres peut entraîner une surchauffe, épuisement des traces de cuivre, ou même une panne de circuit, tandis qu'une conception excessive augmente les coûts et gaspille un espace précieux sur la carte.. Cet article analyse systématiquement la relation entre ces trois facteurs et fournit aux ingénieurs une base scientifique pour Conception de PCB.
Définitions de base des paramètres de base
1. Épaisseur de cuivre
L'épaisseur du cuivre des PCB est généralement mesurée en onces (Oz). Une once de cuivre est définie comme un poids de cuivre de 1 once répartie sur une superficie de 1 pied carré, correspondant à une épaisseur d'environ 35 µm (1.378 mil). Les spécifications communes incluent 0.5 Oz (17.5 µm), 1 Oz (35 µm), 2 Oz (70 µm), et 3 Oz (105 µm). Dans les applications spéciales, dessins en cuivre lourd de 4 OZ ou plus peut être utilisé.
L'épaisseur du cuivre détermine directement la capacité de transport de courant par unité de surface. Plus le cuivre est épais, plus le courant qu'il peut transporter est élevé pour la même largeur de trace.
2. Largeur de trace
La largeur de trace fait référence à la largeur réelle d'un conducteur PCB, généralement mesuré en millimètres (MM) ou milles (1 mil = 0.0254 MM). Standard Trace de PCB les largeurs varient de 0.1 MM (4 mil) à 3 MM (118 mil), tandis que les conceptions à pas fin peuvent utiliser des largeurs inférieures 0.05 MM (2 mil).
La sélection de la largeur de trace nécessite d'équilibrer les exigences de courant et l'espace de routage. Les PCB haute densité doivent allouer efficacement les ressources de largeur de trace dans une zone de carte limitée.
3. Capacité de charge actuelle
La capacité de transport de courant fait référence au courant maximum qu'un conducteur peut transporter en continu dans des conditions de fonctionnement stables sans dépasser l'augmentation de température maximale autorisée. (généralement 60°C).
Ce paramètre est affecté par l'épaisseur du cuivre, largeur de trace, température ambiante, conditions de refroidissement, et longueur du conducteur, parmi lesquels l'épaisseur du cuivre et la largeur des traces sont les facteurs les plus critiques.
Relation entre l'épaisseur du cuivre et le courant
L'effet de l'épaisseur du cuivre sur la capacité de transport de courant est approximativement linéairement proportionnel. Dans la même largeur de trace et dans les mêmes conditions environnementales, le doublement de l'épaisseur du cuivre augmente généralement la capacité de transport de courant d'environ 80 à 90 % (pas parfaitement linéaire en raison de la diminution de l'efficacité de la dissipation thermique).
Utiliser un 1 mm largeur de trace à titre d'exemple, les capacités de courant typiques sont les suivantes (température ambiante 25°C, augmentation de la température 60°C):
| Épaisseur de cuivre | Capacité actuelle |
|---|---|
| 0.5 Oz (17.5 µm) | ~1,8 A |
| 1 Oz (35 µm) | ~2,5 A |
| 2 Oz (70 µm) | ~4,2 A |
| 3 Oz (105 µm) | ~5,8 A |
Il convient de noter que lorsque l'épaisseur du cuivre dépasse 3 Oz, l'amélioration de la capacité de charge actuelle diminue progressivement. En effet, la dissipation thermique dans les conceptions en cuivre épais repose principalement sur la conduction thermique à travers le substrat du PCB., dont la conductivité thermique (environ 0,3 à 0,8 W/m·K) est bien inférieur à celui du cuivre (401 W/m·K), devenir le principal goulot d’étranglement thermique.
Tableau de référence rapide sur la largeur de trace et le courant du PCB
Dans la conception pratique de PCB, les ingénieurs se réfèrent fréquemment aux largeurs de trace recommandées pour des niveaux de courant spécifiques. Le tableau suivant fournit des valeurs de référence pour 1 Épaisseur de cuivre OZ, 25°C température ambiante, et une augmentation de température admissible de 20°C.
Largeur de trace PCB vs. Tableau actuel (1 OZ Cuivre)
| Actuel (UN) | Largeur de trace recommandée (MM) | Largeur de trace recommandée (mil) |
|---|---|---|
| 1UN | 0.25 | 10 |
| 2UN | 0.50 | 20 |
| 3UN | 0.75 | 30 |
| 5UN | 1.30 | 50 |
| 8UN | 2.00 | 80 |
| 10UN | 3.00 | 120 |
| 15UN | 5.00 | 200 |
| 20UN | 8.00 | 315 |
Il convient de noter que ces valeurs sont fournies uniquement à titre de référence technique.. Les conceptions réelles de PCB doivent également prendre en compte l'épaisseur du cuivre, conditions de refroidissement, température ambiante, et nombre de couches de PCB.
Relation entre la largeur de trace et le courant
La relation entre la largeur de la trace et la capacité de charge actuelle suit une tendance racine carrée. Avec épaisseur de cuivre fixe, la capacité de transport de courant est approximativement proportionnelle à la racine carrée de la largeur de la trace.
Par exemple, avec 1 Cuivre OZ:
- 0.5 mm largeur de trace: environ 1.8 UN
- 1 mm largeur de trace: environ 2.5 UN (le doublement de la largeur augmente le courant de seulement 39%)
- 2 mm largeur de trace: environ 3.6 UN (doubler la largeur augmente à nouveau le courant de 44%)
La principale raison de cette relation non linéaire est que:
- La zone de dissipation thermique augmente linéairement avec la largeur de la trace.
- Chauffage Joule (P = I²R) diminue à mesure que la largeur de la trace augmente car la résistance diminue.
Lorsque la largeur de la trace dépasse environ 2 MM, l'augmentation de la surface de dissipation thermique ne peut plus compenser entièrement l'augmentation quadratique de la chaleur générée par des courants plus élevés, ce qui entraîne une efficacité de transport de courant réduite.
En outre, la longueur de la trace affecte indirectement la capacité de transport de courant. Pour la même largeur et épaisseur, les traces plus longues ont une résistance totale plus élevée et accumulent plus de chaleur. Il est généralement recommandé que lorsque la longueur de la trace dépasse 50 MM, le courant admissible doit être réduit d'environ 5 à 10 % pour chaque 50 mm de longueur.
Conception actuelle pour les PCB multicouches
Pour 4 couches, 6-couche, et conceptions de PCB à plus grand nombre de couches, les chemins à courant élevé sont généralement partagés sur plusieurs couches.
Les méthodes courantes incluent:
Routage parallèle sur plusieurs couches
Le courant est distribué à travers:
- Couche supérieure
- Couche intérieure(s)
- Couche inférieure
simultanément.
Partage de courant via des vias
Plusieurs vias sont utilisés pour connecter des traces sur différentes couches.
Par exemple:
- 5 Un courant: recommandé 4 à 6 vias
- 10 Un courant: recommandé 8 à 12 vias
Grandes coulées de cuivre
L'utilisation de plans en cuivre massif pour la distribution d'énergie peut réduire considérablement la densité de courant et l'augmentation de la température..
Par rapport au routage monocouche, le routage parallèle multicouche peut augmenter la capacité de transport de courant d'environ 30 à 100 %.
Stratégies d'optimisation dans la conception pratique
1. Ajuster dynamiquement les combinaisons de paramètres
Lorsque l'espace PCB est limité, comme dans les planches haute densité, des combinaisons flexibles telles que « cuivre fin + traces larges » ou « cuivre épais + des traces étroites » peuvent être utilisées.
Par exemple, si les contraintes de routage permettent seulement un 0.6 mm largeur de trace:
- 1 Cuivre OZ: environ 1.5 UN
- 2 Cuivre OZ: environ 2.8 UN
En utilisant 2 Le cuivre OZ augmente la capacité actuelle d'environ 87% sans augmenter la largeur de la trace.
2. Envisagez la compensation de la température ambiante
Pour chaque augmentation de 10°C de la température ambiante, la capacité de transport du courant du cuivre devrait être réduite d'environ 10 à 15 %.
Par exemple, dans des environnements à haute température tels que l'électronique automobile fonctionnant à 85°C:
- 1 Cuivre OZ
- 1 mm largeur de trace
La capacité de charge actuelle devrait être réduite d'environ 2.5 A à 25°C à environ 1.6 A pour éviter la surchauffe.
3. Renforcer les zones critiques
Pour les boucles d'alimentation et les broches d'appareils à courant élevé, considérer:
- Utilisation de cuivre épais localisé (2–3 onces)
- Conception de traces parallèles (deux traces identiques en parallèle peuvent augmenter la capacité de courant d'environ 70%; les longueurs de trace et les impédances doivent correspondre)
- Ajout de vias thermiques aux traces de cuivre (un 0.3 mm via par supplémentaire 2 mm de largeur de trace peut améliorer la capacité actuelle d'environ 15%)
4. Valider avec les outils de simulation
Pour les conceptions de circuits imprimés complexes, des outils de simulation thermique tels que:
- ANSYS Icepack
- Cadence Celsius
sont recommandés pour simuler la distribution de la température du cuivre sous diverses charges de courant.
La simulation permet d'identifier avec précision les points chauds thermiques et réduit les risques associés au fait de s'appuyer uniquement sur des règles de conception empiriques..
Tableau de capacité de charge actuelle pour différentes épaisseurs de cuivre
Le tableau suivant montre les capacités de charge de courant typiques pour un 1 mm largeur de trace.
| Poids du cuivre | Épaisseur (µm) | Courant recommandé (UN) |
|---|---|---|
| 0.5 Oz | 17.5 | 1.8 |
| 1 Oz | 35 | 2.5 |
| 2 Oz | 70 | 4.2 |
| 3 Oz | 105 | 5.8 |
| 4 Oz | 140 | 7.2 |
Le tableau montre que:
- Augmentation de l'épaisseur du cuivre à partir de 1 OZ en 2 OZ améliore la capacité de charge actuelle d'environ 68%.
- Augmentation de l'épaisseur à partir de 3 OZ en 4 OZ offre des gains nettement inférieurs en raison des limitations imposées par la capacité de dissipation thermique du substrat PCB.
Effet cutané dans les PCB haute fréquence
À mesure que la fréquence actuelle augmente, le courant a tendance à se concentrer près de la surface du conducteur. Ce phénomène est connu sous le nom de Effet peau.
Formule de profondeur de peau
δ = √(2r / ohm)
Pour conducteurs en cuivre:
| Fréquence | Profondeur de la peau |
|---|---|
| 1 MHz | 66 µm |
| 10 MHz | 21 µm |
| 100 MHz | 6.6 µm |
| 1 Ghz | 2.1 µm |
Depuis 1 L'épaisseur du cuivre OZ est d'environ 35 µm, l'augmentation de l'épaisseur du cuivre offre un avantage limité en matière de réduction de la résistance CA une fois que les fréquences atteignent des dizaines de MHz et plus.
Donc:
Pour les conceptions de circuits imprimés haute fréquence, l'augmentation de la largeur de trace est généralement plus efficace que la simple augmentation de l'épaisseur du cuivre.
Idées fausses et considérations courantes
Idée fausse 1: Un cuivre plus épais est toujours meilleur
Certains ingénieurs supposent qu’un cuivre plus épais est toujours bénéfique, négligeant le fait que:
- Le cuivre épais augmente Fabrication de PCB coût (2 Le cuivre OZ coûte généralement environ 30% plus que 1 Cuivre OZ).
- Le cuivre épais peut augmenter la déformation du PCB en raison de différences de coefficient de dilatation thermique plus importantes entre le cuivre et le substrat..
L'épaisseur du cuivre doit donc être sélectionnée en fonction des besoins actuels actuels..
Idée fausse 2: Ignorer la relation entre la largeur de trace et l'espacement
Lorsque la largeur de la trace augmente, l'espacement entre les traces adjacentes doit également être augmenté en conséquence.
Une recommandation courante est:
Espacement des traces ≥ 50% de largeur de trace
Cela aide à prévenir les fuites électriques et les fuites électriques., en particulier dans les applications haute tension.
Considération importante: Effet cutané à hautes fréquences
Lorsque la fréquence actuelle dépasse 1 MHz, le courant se concentre près de la surface du cuivre, avec une profondeur de peau d'environ 20 à 30 μm.
Dans ces conditions, augmentation de l'épaisseur du cuivre au-delà 1 OZ offre des avantages considérablement réduits en termes de capacité de charge actuelle.
L'amélioration de la gestion du courant devrait donc se concentrer principalement sur l'augmentation de la largeur de la trace..
Conclusion
Dans la conception de PCB, la relation entre l'épaisseur du cuivre, largeur de trace, et la capacité de charge actuelle forme un système dynamique de contraintes interdépendantes. Les ingénieurs doivent sélectionner la combinaison optimale de paramètres en fonction des exigences actuelles, limitations d'espace, température ambiante, et considérations de coûts.
Le principe fondamental est:
Tout en répondant aux exigences de portage actuelles, minimiser la largeur de trace et l'épaisseur du cuivre autant que possible, et vérifier la fiabilité thermique grâce à des outils de simulation pour obtenir le meilleur équilibre entre performances et coûts.
Comprendre les interactions entre ces trois facteurs est essentiel pour améliorer la qualité de la conception des PCB et prévenir les pannes de circuits..
