Что стоит за общепринятым мнением об ограничении повышения температуры дорожки печатной платы до 5/10/20°C?

При принятии решения о толщине дорожки, необходимой для передачи определенного количества тока на печатной плате, ответ зависит от того, какое повышение температуры вы готовы принять. Это приводит проектировщика в затруднительное положение, когда он пытается решить, насколько допустимо повышение температуры. Общие эмпирические правила заключаются в том, чтобы не допускать повышения температуры более чем на 5°C, 10°C или 20°C, в зависимости от того, насколько консервативным вы хотите быть. Эти цифры кажутся удивительно малыми по сравнению с максимальным повышением температуры силовых транзисторов, интегральных схем, силовых резисторов или других компонентов, рассеивающих тепло, которое может составлять 60+°C. Что стоит за этими цифрами?

Возможные причины, о которых я подумал:

  • Максимальная температура материалов печатных плат. Для большинства материалов типа FR4 она составляет около 130°C. Даже если учесть очень консервативную температуру окружающей среды (внутри корпуса) в 65°C, это все равно допускает повышение температуры еще на 65°C.
  • Допущение дальнейшего повышения температуры компонентов. Если, например, SMT MOSFET будет нагреваться до 80°C, вам не следует запускать его на 40°C выше температуры окружающей среды из-за температуры окружающей печатной платы. Тем не менее, это кажется слишком специфичным для конкретной ситуации, чтобы использовать его в качестве эмпирического правила. Например, в случае полевого МОП-транзистора со сквозным отверстием теплоотвод, поток тепла вверх по выводам составляет часть теплового потока, выходящего через радиатор, поэтому температура печатной платы не должна быть серьезной проблемой. Даже с деталями SMT я мог бы иметь тонкую дорожку, которая рассеивает много тепла на большей части своей длины, но затем расширить эту дорожку, прежде чем она достигнет компонента.
  • Термическое расширение материалов печатных плат. Когда печатная плата нагревается, материалы расширяются. Если разные части печатной платы подвергаются воздействию разного количества тепла, это может привести к изгибу платы, что может привести к растрескиванию паяных соединений. Однако, учитывая, что печатные платы регулярно подвергаются более высоким перепадам температур из-за рассеивания мощности в компонентах, установленных на них, это не похоже на ответ.
  • Устаревшие стандарты. Возможно, ограничения 5/10/20°C были придуманы много лет назад и уже не применимы к современным материалам печатных плат, но все продолжали их соблюдать, не задумываясь об этом. Например, возможно, старые фенольные материалы для плит были менее устойчивы к теплу, чем современное стекловолокно.

Другими словами, скажем, я считаю, что повышение температуры на 20°C является слишком ограничивающим фактором для моей конструкции. Если вместо этого я решу допустить повышение температуры на 40°C, могу ли я столкнуться с краткосрочными или долгосрочными проблемами надежности?

Бонусные баллы всем, кто может привести стандарты, обосновывающие эти числа, или у кого есть исторические свидетельства того, почему были выбраны эти числа.

Следует помнить, что тепло — это потраченная впустую энергия, если только вы не пытаетесь сделать обогреватель.

Ответы (2)

При проектировании ширины дорожки печатной платы учитываются многие факторы, в том числе повышение температуры для тока. Другими параметрами являются падение напряжения, импеданс, возможности изготовления печатных плат, стоимость, плотность упаковки.

Тем не менее, повышение температуры по праву является одним из требований, которые нельзя превышать.

Эмпирическое правило — это то, чему вы должны следовать большую часть времени. Вы всегда сможете найти крайние случаи, когда разрешен более высокий подъем, если вы сделаете тщательные расчеты.

Часть преимущества эмпирического правила заключается в том, что если вы будете следовать ему, ваши расчеты не должны быть слишком точными, поскольку в правило уже встроена большая погрешность.

Особенность повышения температуры в том, что она пропорциональна току в квадрате, а не только току. Это снижает важность выбора одного конкретного значения. Ток, который дает нарастание на 20°C, не в два раза превышает ток нарастания на 10°C, а всего в 1,4 раза превышает ток нарастания на 10°C. Если мы удвоим ток нарастания на 10C, мы получим нарастание на 40C, что начинает ощущаться как неприятное тепло.

Зачем управлять доской круто? Все виды хороших причин. Для охлаждения компонентов требуется низкая температура окружающей среды. Срок службы компонентов очень быстро сокращается при повышении температуры. Запас для эксплуатации в теплых местах (в салоне автомобиля при ярком солнечном свете) хороший. Отладка, проведите пальцем по схеме, чтобы найти поджаренные компоненты, вы запутаетесь из-за горячих следов.

Нет ни одной решающей причины охлаждать доску, и нет ни одной причины выбрать повышение температуры на 10°C вместо повышения температуры на 20°C. Тем не менее, немногие дизайнеры чувствуют себя подавленными, следуя этому «правилу». Это редко то, что устанавливает предел. Если мы действительно оказываемся в каком-то крайнем случае, когда спецификация не может быть достигнута, придерживаясь какой-то произвольной цифры повышения температуры, тогда мы вычисляем и тестируем все подряд, чтобы увидеть, какое влияние на срок службы и охлаждение окажут более высокие температуры.

@ Neil_UK отличный последний абзац.
Когда маржа дешевая, вкладывайте много. Это простой совет, который я всегда старался передать молодым инженерам. Поддержание низкой температуры трассы не требует больших затрат, и это сделает систему более надежной.

ламинарная медь предварительно не испытывается на удельное сопротивление, так как она развивается в разных температурных диапазонах, она будет демонстрировать нелинейный ход удельного сопротивления. такие температуры указаны для того, чтобы максимальная температура достигла конечной тепловой адекватности слоев, оставив исходные схемы печатных плат для очень длительного использования ...