При протекании электрического тока через печатный проводник выделяется теплота согласно закону Джоуля-Ленца. Величина выделяемой мощности напрямую зависит от омического сопротивления медной дорожки и квадрата силы тока. Ограничивающим фактором при проектировании выступает допустимый перегрев платы, который не должен превышать предельные температуры эксплуатации базового диэлектрика (например, 130 градуса Цельсия для стандартного FR-4) и установленных компонентов.
Медь остается основным материалом для создания токопроводящего рисунка благодаря низкому удельному электрическому сопротивлению (около 0,0175 Ом·кв. мм/м) и высокой теплопроводности. В отличие от альтернативных металлов, тонкий слой медной фольги обеспечивает высокую плотность тока при минимальных габаритах топологии. Подробный технический анализ свойств металла и сравнение меди с алюминием в электротехнике демонстрируют, почему именно медное покрытие стало стандартом в производстве печатных плат.
Омическое сопротивление печатного проводника рассчитывается по формуле:
R = ρ · L / S
где ρ — удельное сопротивление меди, L — длина проводника в миллиметрах, S — площадь поперечного сечения дорожки (произведение ширины на толщину фольги) в квадратных миллиметрах.
Выбор толщины медной фольги и расчет ширины дорожки
Стандартная толщина медной фольги на стеклотекстолите составляет 18 микрометров (0,5 унции) или 35 микрометров (1 унция). Для силовых цепей, источников питания и драйверов двигателей применяют фольгу толщиной 70 микрометров (2 унции) и более. Увеличение толщины фольги позволяет уменьшить ширину проводника при сохранении допустимой токовой нагрузки.
Расчет ширины дорожек обычно опирается на стандарт IPC-2221. Ниже приведена таблица ориентировочных значений допустимого тока для внешних медных проводников при разном перегреве относительно окружающей среды (при начальной температуре 25 градусов Цельсия).
|
Ширина дорожки (мм) |
Толщина фольги (мкм) |
Допустимый ток при перегреве на 10 град. C (А) |
Допустимый ток при перегреве на 30 град. C (А) |
|
0,5 |
35 |
1,2 |
2,1 |
|
1,0 |
35 |
2,0 |
3,5 |
|
2,0 |
35 |
3,3 |
5,8 |
|
5,0 |
35 |
6,5 |
11,2 |
|
1,0 |
70 |
3,0 |
5,2 |
|
2,0 |
70 |
5,0 |
8,6 |
|
5,0 |
70 |
10,0 |
17,0 |
Для внутренних слоев многослойных печатных плат (МПП) условия теплоотвода хуже, так как стеклотекстолит обладает низкой теплопроводностью. Токовую нагрузку для внутренних проводников необходимо снижать примерно на 50 процентов по сравнению с внешними дорожками той же площади сечения.
Конструктивные методы улучшения теплоотвода
Применение теплопроводящих переходных отверстий
Переходные отверстия (thermal vias), покрытые слоем меди, связывают поверхностную полигонную зону под греющимся компонентом с внутренними или обратными медными слоями. Медь в отверстиях работает как эффективный мостик с низким термическим сопротивлением, передавая тепло на большую площадь рассеивания.
Заполнение полигонов медью
Свободные площади платы необходимо заполнять медными полигонами заземления или питания. Это снижает общее сопротивление цепей, экранирует сигал от помех и выравнивает температурное поле платы, предотвращая локальные точки перегрева.
Конструкторские решения для силовых узлов
- Удаление паяльной маски с силовых проводников с последующим усилением их слоем припоя или напайкой медных шин;
- Использование печатных плат на металлическом основании (алюминий или медь) для силовой электроники высокого напряжения;
- Симметричное размещение мощных проводников для предотвращения коробления платы при нагреве в процессе работы;
- Увеличение зазоров между проводниками высоковольтных цепей для исключения электрического пробоя по поверхности.
Грамотный расчет сечения медных проводников на этапе проектирования топологии гарантирует стабильную работу электронного модуля без риска деградации материалов, отслоения фольги или выхода компонентов из строя вследствие тепловых перегрузок.
