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Nella progettazione dei circuiti stampati è necessario affrontare diversi aspetti, tra cui la scelta dei materiali, la lunghezza delle tracce, la larghezza delle tracce e l'adattamento dell'impedenza. I percorsi di rame su un Circuito stampato, noti anche come tracce, fungono da connettori elettrici.
La larghezza della traccia di un circuito stampato determina la quantità di corrente che può essere trasportata in modo sicuro senza causare un aumento eccessivo della temperatura. Questo articolo spiega come calcolare l'ampiezza della traccia del PCB in riferimento al valore di Standard IPC-2152. Inoltre, confronta i livelli interni ed esterni e fornisce esempi di progettazione reali e dettagli sui problemi più comuni.
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Perché la larghezza della traccia del PCB è importante?
La larghezza della traccia PCB si riferisce alla larghezza fisica del conduttore di rame inciso su una scheda di circuito stampato. Insieme a spessore del foglio di rame, La larghezza della traccia determina l'area della sezione trasversale della traccia, che influisce direttamente sulla resistenza, sulla capacità di trasporto della corrente e sulle prestazioni di dissipazione del calore.
La larghezza della traccia influenza diversi importanti parametri elettrici e termici di un PCB:
- Capacità di carico attuale
- Aumento della temperatura
- Caduta di tensione
- Rendimento di produzione
Larghezza della traccia PCB rispetto alla corrente (ΔT = 10°C, strato esterno)
Questo PCB larghezza della traccia rispetto alla tabella della corrente fornisce un riferimento rapido per gli spessori di rame più comuni.
| Larghezza della traccia (mm) | 35 µm Rame (≈1 oz) | 50 µm Rame | 70 µm Rame |
| 0,2 mm | ~0.55 A | ~0.7 A | ~0.9 A |
| 0,3 mm | ~0.8 A | ~1.1 A | ~1.3 A |
| 0,5 mm | ~1.35 A | ~1.7 A | ~2.0 A |
| 0,8 mm | ~2.0 A | ~2.4 A | ~2.8 A |
| 1,0 mm | ~2.3 A | ~2.6 A | ~3.2 A |
| 1,5 mm | ~3.2 A | ~3.5 A | ~4.2 A |
| 2,0 mm | ~4.0 A | ~4.3 A | ~5.1 A |
Le tracce più larghe sono più efficaci nel dissipare il calore, mentre quelle più strette oppongono una maggiore resistenza al passaggio dell'elettricità, causando un aumento della temperatura e una diminuzione della tensione. In questo modo si garantisce che il funzionamento elettrico del circuito stampato rientri nei parametri stabiliti di sicurezza e prestazioni.
Come calcolare la larghezza della traccia del PCB
Il calcolo della larghezza di traccia appropriata garantisce che il circuito possa gestire la corrente richiesta senza surriscaldarsi o subire danni. Per i progetti hobbistici o di base, è possibile utilizzare calcolatori online o linee guida standard come la IPC-2221 per determinare la larghezza delle tracce.
Regole di progettazione rapida della larghezza di traccia del PCB (IPC-2152)
Prima di immergersi nei calcoli, le seguenti regole rapide sono spesso utilizzate durante la fase iniziale del layout:
- 1 oz di rame, strato esterno: ~20 mil per 1 A (aumento di temperatura di ≈10°C)
- Strati interni: Esigenza 50-70% tracce più larghe rispetto agli strati esterni
- Temperatura ambiente più elevata: Aumentare la larghezza della traccia o lo spessore del rame
- Tracce di alimentazione lunghe: Controllare la caduta di tensione oltre all'aumento di temperatura
Formule di calcolo della larghezza di traccia dei PCB
Per calcolare la larghezza della traccia del PCB, è necessario definire i seguenti parametri:
- Corrente (A)
- Spessore del rame (oz/ft2 o um)
- Limite di aumento della temperatura (degC)
- Posizione della traccia (strato esterno o interno)
Secondo la ricerca di Ghosh (2021), la formula più utilizzata si basa sugli standard IPC:
I = k × (ΔT)^0,44 × A^0,725
Dove:
I = corrente (A)
ΔT = aumento di temperatura consentito (°C)
A = area della sezione trasversale della traccia (mil²)
k = 0,048 (strati esterni), 0,024 (strati interni)
Di seguito sono illustrati due esempi di tracce di Layer esterno e interno.
Esempio 1: Traccia del livello esterno
- Corrente: 2 A
- Spessore del rame: 1 oz
- Aumento di temperatura consentito: 10°C
- Strato: Esterno
Risultato: In base ai grafici o ai calcolatori IPC-2152, una traccia a strato esterno da 2 A richiede tipicamente un larghezza della traccia di circa 40-45 mil.
Esempio 2: Traccia del livello interno
Con gli stessi parametri, ma su uno strato interno:
Risultato: Le tracce interne sono circondate da materiale dielettrico e dissipano il calore in modo meno efficace. La larghezza della traccia richiesta aumenta a circa 65-70 milioni per mantenere lo stesso aumento di temperatura.
Fattori che influenzano l'ampiezza della traccia
Per sviluppare progetti di circuiti stampati sicuri, efficienti e producibili, è necessario comprendere le seguenti variabili.
- Corrente di carico Capacità: Il dato importante nel calcolo della larghezza della traccia è la quantità di corrente che la traccia è in grado di trasportare. L'aumento della densità di corrente impone l'uso di tracce più lunghe per eliminare la natura resistiva del riscaldamento che può causare l'interruzione del circuito.
Le specifiche IPC-2152 mostrano che la capacità di trasporto della corrente aumenta esponenzialmente con la larghezza della traccia: raddoppiare la larghezza della traccia non aumenta automaticamente la capacità di trasporto della corrente, sia essa termica o elettromagnetica. In fase di progettazione, è necessario prendere in considerazione il carico di corrente di picco e il carico di corrente continua, in modo da poter fornire tracce di potenza.
- Spessore e peso del rame: Spessore del rame in once per piede quadrato (oz/ft2) può avere un impatto notevole sulla capacità attuale. Il PCB convenzionale è costituito da 1 oz di rame (circa 1,4 mil o 35 micron), ma in applicazioni insolite è possibile utilizzare rame da 0,5 oz, 2 oz e 4 oz. Rame è relativamente più difficile da incidere rispetto a quelli più fini e più costoso e difficile da produrre a causa della diminuzione della larghezza della traccia e dell'aumento del peso.
- Condizioni ambientali e aumento della temperatura: L'intervallo accettato al di sopra della temperatura ambiente deve essere noto. Nella norma IPC-2152, esistono diversi casi di curve di aumento della temperatura, la maggior parte delle quali si colloca tra 10 °C e 30 °C. Le situazioni in cui si riscontrano temperature ambiente elevate, come le apparecchiature industriali o il funzionamento sotto cappa, richiedono un aumento minore del limite di temperatura. I percorsi di raffreddamento, le condizioni del flusso d'aria e gli elementi di riscaldamento devono essere presi in considerazione nei modelli termici.
- Layer di localizzazione Interno vs Esterno: L'impilamento del PCB è molto importante per le prestazioni termiche. Il vantaggio delle tracce a strato esterno è che sono raffreddate direttamente dall'aria e possono trasportare fino al 50-100% di corrente in più rispetto alle tracce interne della stessa dimensione, poiché sono racchiuse da un materiale isolante dielettrico.
I piani di alimentazione interni devono essere dotati di tracce o vias supplementari verso gli stadi adiacenti per garantire una distribuzione sufficiente della corrente. Schede multistrato richiedono un'analisi termica intensiva a seconda del layout e si basano sulla norma IPC-2152.
- Lunghezza della traccia e caduta di tensione: Le tracce di lunghezza maggiore presentano una caduta di tensione resistiva che le rende meno efficienti e può causare malfunzionamenti. La caduta di tensione per le tracce di segnale e di potenza può essere calcolata con la formula (caduta di V = R × I), dove la resistenza può essere misurata in base alla larghezza della traccia di rame e alla lunghezza della traccia.
Problemi comuni nella tracciabilità dei PCB
- Progettazione PCB Larghezza della traccia basata solo sulla corrente: Uno degli errori Progettisti di PCB L'impegno si limita a considerare il valore della corrente e non tiene conto dell'aumento della temperatura. La corrente esistente può essere a un livello ragionevole, ma il calore può rovinare le tracce nel tempo e causare guasti. Le tracce possono danneggiare il rame quando è incredibilmente caldo e quando c'è troppo calore.
- Utilizzo delle stesse regole per le maschere di saldatura per le tracce di alimentazione e di segnale: Le tracce di segnale conducono poca corrente, mentre le tracce di alimentazione devono sopportare carichi molto più elevati. In questo tipo di casi, dato che vengono gestiti allo stesso modo, l'instradamento della potenza è solitamente sottodimensionato.
- Larghezza di traccia insufficiente sull'interno PCB Strati: I progettisti devono ricordare che gli strati di traccia interni non sono identici a quelli esterni. All'interno si trovano tracce dielettriche che non devono essere rivelate. Per raffreddare questo aspetto, dovranno essere più larghe delle tracce esterne quando sono destinate a trasportare grandi quantità di corrente.
- Riduzione della larghezza della traccia causata da PCB Acquaforte: Gli impatti della produzione vengono talvolta trascurati. Nel processo di incisione, le tracce strette possono ridursi leggermente in larghezza; quindi, questo è un problema. Questo può creare un progetto rischioso rispetto a quello che è evidente durante la fase di progettazione della vista del layout.
- L'eccessiva lunghezza della traccia causa una caduta di tensione: Maggiore è la lunghezza della traccia, maggiore è la resistenza e più sottile è la traccia progettata, maggiore è la caduta di tensione. Ciò può causare una deviazione della corrente e potrebbe portare a guasti inspiegabili nella distribuzione dell'alimentazione.
Conclusione
La scelta della larghezza corretta per le tracce dei circuiti stampati è essenziale per garantire l'affidabilità elettrica, la sicurezza termica e le prestazioni a lungo termine dei circuiti stampati. Le tracce ben progettate devono trovare un equilibrio tra la capacità di trasporto della corrente, l'aumento di temperatura consentito, lo spessore del rame e la posizione dello strato, piuttosto che basarsi solo sui valori di corrente.
Una progettazione di PCB di successo utilizza la conformità allo standard IPC-2152 per bilanciare DFM e le prestazioni termiche. L'adozione di queste best practice nella fase iniziale di progettazione aiuta a ridurre la necessità di costose modifiche, a migliorare i tassi di rendimento e a garantire prestazioni costanti del PCB durante l'intero ciclo di vita del prodotto.
Domande frequenti
A1: Sì, è possibile che sia dovuto a diversi motivi, come un'elevata temperatura ambiente, una larghezza di traccia insufficiente o una traccia di rame ridotta.
A2: Per i progetti meno critici, i calcolatori basati su standard come l'IPC-2152 possono essere utili per i progetti preliminari, ma per i progetti più critici è meglio rivolgersi a uno specialista per valutare il progetto.
A3: Un aumento della temperatura ambiente ridurrà ulteriormente il margine termico, per cui è necessario aumentare le tracce di bordo per favorire la dissipazione del calore.
A4: Non necessariamente. Con alcuni progetti, può portare a un alto livello di congestione e con i progetti ad alta frequenza può anche portare a problemi di impedenza.
È possibile. Una maschera di saldatura aumenta la ritenzione di calore e questo potrebbe significare che gli strati esterni necessitano di una traccia più larga.
Riferimento:
- Ghosh, P. (2021, 20 luglio). Standard IPC-2221 nella progettazione di PCB. Sierra Circuits. https://www.protoexpress.com/blog/ipc-2221-circuit-board-design/
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