Quel est le raisonnement derrière la sagesse commune de limiter l'élévation de température d'une trace de PCB à 5/10/20 ° C?

Lorsque vous décidez de l'épaisseur de trace requise pour transporter une certaine quantité de courant sur un PCB, la réponse dépend de la hausse de température que vous êtes prêt à accepter. Cela conduit le concepteur dans la situation difficile d'essayer de décider de l'augmentation de la température qui est raisonnable. Les règles générales sont de ne pas autoriser une élévation de température de plus de 5 ° C, 10 ° C ou 20 ° C, selon le degré de prudence que vous souhaitez. Ces chiffres semblent remarquablement faibles par rapport aux augmentations de température maximales des transistors de puissance, des circuits intégrés, des résistances de puissance ou d'autres composants dissipant la chaleur, qui peuvent être de 60 + ° C. Quel est le raisonnement derrière ces chiffres?

Les raisons possibles auxquelles j'ai pensé:

• Température maximale des matériaux PCB. Pour la plupart des matériaux de type FR4, elle est d'environ 130 ° C. Même en autorisant une température ambiante très conservatrice (à l'intérieur du chassic) de 65 ° C, cela permettrait encore une autre augmentation de température de 65 ° C.
• Permettant de nouvelles augmentations de température des composants. Si un MOSFET SMT devait voir une augmentation de température de 80 ° C par exemple, vous ne voudriez pas le démarrer à 40 ° C au-dessus de la température ambiante en raison de la température du PCB environnant. Cependant, cela semble beaucoup trop spécifique à la situation pour constituer une règle de base. Dans le cas d'un MOSFET à trou traversant chauffé, par exemple, le flux de chaleur vers le haut des fils est une fraction du flux de chaleur sortant du dissipateur de chaleur, de sorte que la température du PCB ne devrait pas être une préoccupation majeure. Même avec des pièces SMT, je pourrais avoir une fine trace qui dissipe beaucoup de chaleur sur la majorité de sa longueur, mais ensuite élargir cette trace avant qu'elle n'atteigne le composant.
• Dilatation thermique des matériaux PCB. À mesure que le PCB chauffe, les matériaux se dilatent. Si différentes parties du PCB sont exposées à différentes quantités de chaleur, cela pourrait provoquer une flexion de la carte qui pourrait fissurer les joints de soudure. Cependant, étant donné que les PCB sont régulièrement exposés à des écarts de température plus élevés que cela en raison de la dissipation de puissance dans les composants qui y sont montés, cela ne semble pas être la réponse.
• Normes obsolètes. Peut-être que les limites de 5/10/20 ° C ont été imaginées il y a des années et ne s'appliquent plus aux matériaux PCB modernes, mais tout le monde a continué à les suivre sans y penser. Par exemple, les vieux panneaux phénoliques étaient peut-être moins tolérants à la chaleur que la fibre de verre moderne.

Pour poser la question autrement, disons que je trouve qu'une élévation de température de 20 ° C est trop limitative pour ma conception. Si je décide plutôt d'autoriser une élévation de température de 40 ° C, suis-je susceptible de rencontrer des problèmes de fiabilité à court ou à long terme?

Des points bonus pour quiconque peut citer des normes qui donnent un raisonnement pour les chiffres, ou qui ont des preuves historiques pour lesquelles ces chiffres ont été choisis.

Beaucoup de choses entrent dans la conception de la largeur de la trace de PCB, y compris l'augmentation de la température pour le courant. Les autres sont la chute de tension, l'impédance, la capacité de fabrication de PCB, le coût, la densité d'emballage.

Cependant, l'augmentation de température est à juste titre l'une des spécifications «ne pas dépasser».

Une règle d'or est juste cela, quelque chose que vous devez suivre la plupart du temps. Vous pourrez toujours trouver des cas de bord où une élévation plus élevée est autorisée, si vous faites des calculs minutieux.

Une partie de l'avantage d'une règle de base est que si vous la suivez, vos calculs ne doivent pas être trop prudents, il y a déjà une grande marge d'erreur intégrée à la règle.

Une particularité de l'augmentation de la température est qu'elle est proportionnelle au courant au carré, et pas seulement au courant. Cela réduit l'importance de choisir une valeur spécifique. Le courant qui donne une augmentation de 20C n'est pas le double du courant de montée de 10C, c'est seulement 1,4 fois le courant de montée de 10C. Si nous doublons le courant de montée de 10 ° C, nous obtenons une hausse de 40 ° C, qui commence à se sentir inconfortablement chaude.

Pourquoi faire fonctionner une planche cool? Toutes sortes de bonnes raisons. Le refroidissement des composants nécessite une faible température ambiante. La durée de vie des composants diminue très rapidement lorsque la température augmente. La marge pour fonctionner dans des endroits chauds (à l'intérieur d'une cabine de voiture en plein soleil) est bonne. Débogage, passez votre doigt sur le circuit pour trouver des composants grillés, vous serez confus par les traces chaudes.

Il n'y a aucune raison de tuer une planche cool et aucune raison de choisir une élévation de 10 ° C contre une élévation de 20 ° C. Cependant, peu de concepteurs se sentent inhibés en suivant cette «règle». C'est rarement la chose qui fixe la limite. Si nous nous trouvons dans un cas de coin où la spécification ne peut pas être atteinte en s'en tenant à un chiffre d'élévation de température arbitraire, alors nous calculons et testons le diable de tout, pour voir quel effet sur la durée de vie et le refroidissement des températures plus élevées entraîneront.

le cuivre laminaire n'est pas prétesté pour la résistivité car il développe différentes gammes de température, il montrera un cours de résistivité non linéaire. une telle température est indiquée afin que la température maximale atteigne l'adéquation thermique finale des couches en laissant les diagrammes de circuits imprimés d'origine pour une utilisation à très long terme ...