Alto espesor de cobre en PCB: ¿Cuáles son las trampas?

Necesitamos transportar altas corrientes en una PCB (~ 30 Amperios sostenidos), por lo que es probable que ordenemos nuestras PCB con alto espesor de cobre. Hasta ahora solo hemos utilizado 35 micras (1 oz) en nuestros diseños, por lo que 'alto espesor' para nosotros significa 70 (2 oz) o 105 (3 oz).

No sabemos cuáles son las cosas a tener en cuenta con el espesor del cobre. Agradeceríamos cualquier experiencia. Como este es un tema muy amplio, seguiré adelante y haré preguntas específicas:

1. Parece que para muchas casas de fabricación, 105 micras es lo más alto posible. ¿Es eso correcto o es posible un espesor mayor?

2. ¿Puede el cobre en las capas internas ser tan grueso como el cobre en la parte superior e inferior del tablero?

3. Si estoy empujando la corriente a través de varias capas de tablero, ¿es necesario o preferido (o incluso posible) distribuir la corriente de la manera más equitativa posible a través de las capas?

4. Acerca de las reglas de IPC con respecto a los anchos de rastreo: ¿Se mantienen en la vida real? Para 30 Amps y un aumento de temperatura de 10 grados, si estoy leyendo los gráficos correctamente, necesito alrededor de 11 mm de ancho de traza en la capa superior o inferior.

5. Al conectar varias capas de trazas de alta corriente, ¿cuál es la mejor práctica: colocar una matriz o cuadrícula de vías cerca de la fuente actual, o colocar las vías a lo largo de la traza de alta corriente?

Llego tarde al juego, pero lo intentaré:

1- Parece que para muchas casas de fabricación, 105 micras es lo más alto posible. ¿Es eso correcto o es posible un espesor mayor?

Algunas tiendas fabulosas pueden colocar capas internas. La compensación suele ser una mayor tolerancia en el grosor general del tablero, por ejemplo, 20% en lugar de 10%, mayor costo y fechas de envío posteriores.

2- ¿Puede el cobre en las capas internas ser tan grueso como el cobre en la parte superior e inferior del tablero?

Sí, aunque las capas internas no disipan el calor tan bien como las capas externas, y si está utilizando el control de impedancia, es más probable que sean rayas que microstrips (es decir, que usen dos planos de referencia en lugar de uno). Las disciplinas son más difíciles de obtener una impedancia objetivo; las micro tiras en las capas externas se pueden colocar en placas hasta que la impedancia esté lo suficientemente cerca, pero no se puede hacer eso con capas internas después de que las capas se laminen juntas.

3- Si estoy empujando la corriente a través de varias capas del tablero, ¿es necesario o preferido (o incluso posible) distribuir la corriente de la manera más equitativa posible a través de las capas?

Sí, es preferible, pero también es difícil. Por lo general, esto solo se hace con los planos de tierra, a modo de coser vías y exigir que los agujeros y las vías se conecten a todos los planos de la misma red.

4- Acerca de las reglas de IPC con respecto a los anchos de rastreo: ¿Se mantienen en la vida real? Para 30 Amps y un aumento de temperatura de 10 grados, si estoy leyendo los gráficos correctamente, necesito alrededor de 11 mm de ancho de traza en la capa superior o inferior.

El nuevo estándar IPC sobre capacidad actual (IPC-2152) se mantiene bien en la vida real. Sin embargo, nunca olvide que el estándar no tiene en cuenta las trazas cercanas que también generan cantidades comparables de calor. Finalmente, asegúrese de verificar las caídas de voltaje en sus trazas también para asegurarse de que sean aceptables.

Además, el estándar no tiene en cuenta el aumento de la resistencia debido al efecto de la piel para los circuitos de alta frecuencia (p. Ej., Conmutación del circuito de alimentación). La profundidad de la piel para 1 MHz es aproximadamente del grosor de 2 oz. (70 µm) de cobre. 10 MHz es menos de 1/2 oz. cobre. Ambos lados del cobre solo se usan si las corrientes de retorno fluyen en capas paralelas a ambos lados de la capa en cuestión, lo que generalmente no es el caso. En otras palabras, la corriente prefiere el lado que mira hacia la ruta de la corriente de retorno correspondiente (generalmente un plano de tierra).

5- Cuando se conectan varias capas de trazas de alta corriente, ¿cuál es la mejor práctica: colocar una matriz o cuadrícula de vías cerca de la fuente actual o colocar las vías a lo largo de la traza de alta corriente?

Es mejor (y generalmente más fácil desde un punto de vista práctico) extender las vías de costura. Además, hay una cosa importante a tener en cuenta: la inductancia mutua. Si coloca vías que llevan la corriente que fluye en la misma dirección demasiado cerca una de la otra, habrá una inductancia mutua entre ellas, lo que aumentará la inductancia total de las vías (posiblemente haciendo que una cuadrícula de vías 4x4 parezca un 2x2 o 1x2 en el condensador de desacoplamiento) frecuencias). La regla general es mantener estas vías al menos un grosor de placa entre sí (más fácil) o al menos el doble de la distancia entre los planos que las vías están conectando (más matemática).

Finalmente, es aconsejable mantener simétrico el apilamiento de capas del tablero para evitar la deformación del tablero. Algunas tiendas fabulosas pueden estar dispuestas a hacer un esfuerzo adicional para combatir el alabeo desde un apilamiento asimétrico, generalmente aumentando los tiempos de entrega y el costo ya que tienen que intentarlo un par de veces para hacerlo bien para su apilamiento.

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¿Es este DC actual? Con corriente alterna, puede estar limitado por el efecto de la piel.

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Creo que el problema # 1 inesperado puede ser: la gente de marketing fabulosa de PCB anuncia que pueden fabricar anchos de trazas / huecos muy estrechos, y también anuncian que pueden cobre de 35, 71 y 105 um de espesor (comúnmente llamado 1, 2 y 3 onzas de cobre), pero no pueden hacer ambas cosas en el mismo tablero. Si desea un cobre más grueso, debe espaciar las trazas más separadas de lo que está acostumbrado en los PCB más típicos.

1. Siempre puede llamar a un fab de PCB y preguntar si pueden manejar cobre más grueso. Pero asegúrese de preguntar cuánto costará. Incluso si pueden hacer cobre más grueso, es posible que no desee pagar el sumador de costos.

2. El cobre en las 2 capas externas siempre es más grueso que las capas internas. Las fábricas de PCB suelen comprar placas revestidas de cobre "en blanco" con un espesor de 17.5 um o 35 um, grabarlas y agregar espaciadores entre ellas y pegarlas, de modo que ese es el grosor de cada capa interna. Luego taladran agujeros y arrojan la PCB en el baño de recubrimiento, que crece una capa de cobre en cada agujero y en las capas externas. El resultado es que todas las capas internas tienen el mismo grosor, y ambas capas externas tienen el mismo grosor, más grueso que las capas internas.

3. Cuando se empujan corrientes altas, normalmente se desean trazos anchos y cortos para reducir la resistencia y, por lo tanto, el calor I2R generado en esos trazos. Si tiene 2 trazas desiguales en diferentes capas "en paralelo", la reducción del ancho de cualquier parte de cualquiera de las trazas aumenta la resistencia y, por lo tanto, el calor I2R generado, lo que empeora las cosas: no importa si hace que la tabla esté más equilibrada reduciendo el ancho del trazo más ancho o más desequilibrado al reducir el ancho del trazo más estrecho.

5- Cuando se conectan varias capas de trazas de alta corriente, ¿cuál es la mejor práctica: colocar una matriz o cuadrícula de vías cerca de la fuente actual o colocar las vías a lo largo de la traza de alta corriente?

Sospecho que colocar la matriz cerca de la fuente actual dará una resistencia neta más baja.

"¿Hay algún problema al tener pesos de cobre asimétricos? Por ejemplo, 35 um en la capa 1-4 y 70 um en las capas 5 y 6?"

Las primeras fábricas de PCB tenían problemas a menos que las capas estuvieran "equilibradas". Según tengo entendido, las fábricas modernas de PCB ya no tienen esos problemas, por lo que, en principio, las personas podrían fabricar PCB desequilibradas. Pero la mayoría de las personas no se molestan: las capas internas delgadas estándar, las capas externas gruesas, con 2 grosores distintos, a menudo son adecuadas para la mayoría de las tablas.

La mejor fuente para muchas de estas preguntas es el proveedor de PCB que ha seleccionado. Diferentes proveedores de PCB se destacan en diferentes tipos de placas: algunas son excelentes a altas velocidades y tolerancias estrictas; otros son buenos en aplicaciones de alta potencia. La mayoría hará casi cualquier cosa que pidas, pero puede haber una prima de precio.

No mencionó si la alta corriente estará en altos voltajes. Si es así, deberá cumplir con requisitos adicionales de fuga / espacio libre para cumplir con los requisitos de seguridad del producto.

1. Parece que para muchas casas de fabricación, 105 micras es lo más alto posible. ¿Es eso correcto o es posible un espesor mayor?

Hay un número mucho menor de casas de juntas que pueden hacer más de 3 oz. Pero si diseñas tu tablero de esa manera, puedes estar atascado usándolos para siempre porque no habrá muchas otras opciones. Me quedaría con 3oz como máximo.

Muchas casas de juntas pueden hacer 3oz de cobre. Pero tenga en cuenta que muchas casas de juntas no mantienen el material de cobre de 3 oz en stock. Entonces, si lo usa, puede que tenga que esperar una o dos semanas adicionales para que ordenen el material. Por lo general, esto no ha sido un gran problema en mi experiencia, siempre y cuando lo planee en el cronograma de su proyecto.

2. ¿Puede el cobre en las capas internas ser tan grueso como el cobre en la parte superior e inferior del tablero?

Suele ser todo lo contrario.

Si va a colocar algún componente SMD en la placa, entonces es probable que sus capas externas sigan siendo de 1 oz y algunas de las capas internas sean de 3 oz.

3. Si estoy empujando la corriente a través de varias capas del tablero, ¿es necesario o preferido (o incluso posible) distribuir la corriente de la manera más equitativa posible en todas las capas?

Es preferible y posible distribuir la corriente por igual entre las capas, pero no hay ningún requisito.

Los cálculos son mucho más fáciles cuando cada capa es igual.

La mejor manera de hacerlo es asegurarse de que las formas actuales de las capas en todas las capas sean idénticas. Además, todas las capas deben estar unidas en el origen y el destino, ya sea por una cuadrícula de vías, un orificio pasante chapado o ambos.

Pero si tiene espacio en alguna otra capa, entonces utilice el cobre extra, solo reducirá el calor.

4. Acerca de las reglas de IPC con respecto a los anchos de rastreo: ¿se mantienen en la vida real? Para 30 Amps y un aumento de temperatura de 10 grados, si estoy leyendo los gráficos correctamente, necesito alrededor de 11 mm de ancho de traza en la capa superior o inferior.

He utilizado las recomendaciones de IPC para el ancho de seguimiento sin problemas. Pero si tiene una corriente alta en varias capas, espere que el aumento de temperatura sea más alto para una cantidad dada de cobre (por lo tanto, use más cobre si tiene espacio).

También vale la pena estimar la resistencia de la traza. Si su herramienta CAD puede hacer esto, entonces genial, si no puede, simplemente puede estimar el número de "cuadrados" de cobre de un extremo al otro. La resistencia es típicamente 0.5m Ohms por cuadrado a 1oz o 166u Ohms por cuadrado a 3oz. Usando la corriente y la resistencia, calcule la potencia de rastreo. Compruebe que la potencia parece razonable antes de continuar.

Además, no olvide la potencia generada por los contactos del conector, los engarces, las uniones de soldadura, etc. Todas esas cosas se suman cuando se trata de alta corriente.

5.Cuando se conectan varias capas de trazas de alta corriente, ¿cuál es la mejor práctica: colocar una matriz o cuadrícula de vías cerca de la fuente actual o colocar las vías a lo largo de la traza de corriente alta?

Depende de si su origen y destino están montados en la superficie o a través del orificio pasante.

Si a través del orificio, el orificio plateado ya une todas las capas, por lo que puede que no haya necesidad de vías adicionales.

Desea que la corriente esté en tantas capas como sea posible durante la mayor cantidad de ruta posible. Por lo tanto, para los pads SMD debería haber vías cerca del origen y el destino. Idealmente, colocaría las vías llenas directamente en la almohadilla, de lo contrario, estaría ejecutando toda su corriente en una sola capa externa hasta llegar a la primera vía.

Colocar cualquier vía lejos de la fuente y el destino significa que parte de la corriente fluirá en menos capas para una parte de la ruta. Si coloca las vías uniformemente a lo largo de todo el camino, es probable que la mayor parte de la corriente atraviese las primeras vías (posiblemente calentándolas mucho) y luego menos corriente atravesará las vías que están más lejos. Por lo tanto, no obtendrá un uso muy eficiente de esas vías, y necesitará más vías en general con este enfoque. Dado que las vías eliminan el espacio de enrutamiento, puede aumentar el tamaño de su placa en general.