سعة التيار لمسار لوحة الدوائر المطبوعة: العرض، وزن النحاس، وIPC-2221

كل مسار نحاسي عبارة عن مقاوم رقيق يسخن عند مرور التيار الكهربائي فيه. إذا تم اختيار الحجم المناسب، ستعمل اللوحة بكفاءة لسنوات دون أن تتأثر بالحرارة؛ أما إذا كان الحجم قصيرًا، فسيسخن المسار بشدة، مما يؤدي إلى تلف الطبقة الرقيقة، وقد ينقطع كصمام أمان. يجيب هذا الدليل على الأسئلة التي يبحث عنها المهندسون بالفعل - كم أمبيرًا يحمله المسار، وما يعادل أونصة واحدة من النحاس بالمليمترات، ومتى يُفضل استخدام النحاس السميك - ويوضح كيف تُحوّل شركة هايليب إلكترونيكس هذه البيانات إلى لوحة يمكن تصنيعها وتجميعها بكفاءة عالية.

1. كم عدد الأمبيرات التي يمكن أن يحملها مسار نحاسي؟

لا يوجد حد أقصى للتيار الذي يمكن أن يمر عبر مسار التوصيل، فالحد الأقصى هو مقدار ارتفاع درجة الحرارة المسموح به. وللمقارنة، فإن مسار توصيل بعرض 1 مم (حوالي 40 ميل) مصنوع من نحاس بوزن 1 أونصة على طبقة خارجية، يحمل تيارًا مقداره 2 أمبير تقريبًا عند ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، وحوالي 4 أمبير عند ارتفاعها بمقدار 30 درجة مئوية. يسخن التيار مسار التوصيل بما يتناسب مع مربع التيار مضروبًا في المقاومة، ويستقر المسار في أي مكان يمكنه فيه تبديد هذه الحرارة إلى النحاس المحيط والرقائق والهواء.

تُحدد ثلاث خصائص للمسارات المقاومة، وبالتالي درجة الحرارة. تُعد مساحة المقطع العرضي - العرض مضروبًا في سُمك النحاس - العاملَ المهيمن؛ إذ أن مضاعفة أيٍّ منهما يُقلل المقاومة إلى النصف تقريبًا. يُضيف الطول مقاومةً وهبوطًا في الجهد بنسبةٍ متناسبة، ولكنه لا يُغير درجة الحرارة القصوى إلا قليلًا. وتزداد مقاومة النحاس بنسبة 0.4% تقريبًا لكل درجة مئوية، لذا فإن المسار الساخن هو مسار ذو مقاومة أعلى قليلًا، مما يُؤدي إلى مزيد من الحرارة. تُحدد ثلاثة عوامل بيئية مدى سهولة تسرب الحرارة: الطبقة الخارجية مقابل الطبقة الداخلية، ودرجة الحرارة المحيطة داخل الغلاف، وأي تدفق للهواء أو مُشتت حراري. إذا كنت جديدًا في كيفية بناء وتحديد مسارات الدوائر المطبوعة، فإن أساسيات تصميم مسارات الدوائر المطبوعة تُعد مقدمةً مفيدة قبل تحديد حجمها للطاقة.

2. ما هو سمك 1 أونصة من النحاس بالمليمتر؟ (جدول أوزان النحاس)

يبلغ سمك أونصة واحدة من النحاس حوالي 35 ميكرون، أي ما يعادل 0.035 ملم أو ما يقارب 1.37 ميل. يُقاس سمك النحاس بالوزن لكل قدم مربع - وهو مصطلح قديم يُربك المبتدئين - لذا فإن التحويلات التي يجدر حفظها هي:

بما أن سعة المسار تعتمد على مساحة المقطع العرضي، يمكنك نقل تيار أكبر إما بتوسيع المسار أو باستخدام نحاس أكثر سمكًا. في اللوحات ذات الكثافة العالية، غالبًا ما يكون استخدام نحاس بسمك 85 غرامًا (3 أونصات) أكثر كفاءة من تخصيص مساحة لمسار عريض جدًا، أما بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، فإن لوحة الدوائر المطبوعة المصنوعة بالكامل من النحاس السميك مصممة خصيصًا لهذا الغرض.

3. مخطط عرض المسار مقابل التيار (نحاس 1 أونصة و 2 أونصة)

بالنسبة لطبقة خارجية من النحاس بسماكة 1 أونصة، مع ارتفاع درجة حرارة 10 درجات مئوية، يحتاج مسار تيار 1 أمبير إلى عرض 0.5 مم تقريبًا (20 ميل)، بينما يحتاج مسار تيار 3 أمبير إلى عرض 1.8 مم تقريبًا (70 ميل). الجدول الكامل أدناه هو نقطة انطلاق بناءً على معيار IPC-2221، وليس بديلاً عن حسابات درجة الحرارة المستهدفة؛ عادةً ما تحتاج مسارات الطبقة الداخلية إلى ضعف هذه العروض تقريبًا.

يزداد العرض بسرعة مع التيار. بعد بضعة أمبيرات، يصبح المسار الواحد غير عملي، والحل الأفضل هو صب النحاس أو تسويته، أو المسارات المتوازية على عدة طبقات موصولة بوصلات، أو النحاس السميك - وهنا تكمن أهمية هندسة سعة التيار للنحاس السميك المخصصة للحفاظ على برودة خطوط التيار العالي.

4. عرض المسار الداخلي مقابل عرض المسار الخارجي: لماذا يجب أن تكون المسارات الداخلية أعرض

يحتاج المسار الداخلي إلى ضعف عرض المسار الخارجي تقريبًا لنقل نفس التيار، لأنه محصور بين طبقات متداخلة ولا يمكنه تبديد الحرارة إلى الهواء. يستخدم معيار IPC-2221 ثوابت مختلفة للحالتين تحديدًا لهذا السبب - يبرد المسار الخارجي عن طريق الحمل الحراري في الهواء، بينما المسار الداخلي معزول حراريًا ويخزن حرارة أكبر عند نفس العرض.

النتيجة العملية: قد ترتفع درجة حرارة الشبكة التي تم التحقق من عرضها لطبقة خارجية بشكل غير ملحوظ إذا تم توجيهها على طبقة داخلية في لوحة متعددة الطبقات. عند نقل الطاقة بين الطبقات، يجب مراعاة حجم الشبكة في حالة الطبقة الداخلية، واستخدام عدة وصلات متوازية عند كل انتقال حتى لا يصبح تغيير الطبقة نقطة اختناق في الحرارة.