Piirilevyn jäljitysvirran kapasiteetti: Leveys, kuparin paino ja IPC-2221

Jokainen kuparijohdin on ohut vastus, joka lämpenee virran kulkiessa sen läpi. Oikein mitoitettu johdin toimii viileänä vuosia; lyhyt johdin ylikuumenee, vanhentaa laminaattia ja voi avautua kuin sulake. Tämä opas vastaa insinöörien pohtimiin kysymyksiin – kuinka monta ampeeria johdin kuljettaa, paljonko yksi unssi kuparia on millimetreinä, milloin kannattaa vaihtaa paksumpaan kupariin – ja näyttää, kuinka Highleap Electronics muuntaa nämä luvut luotettavasti valmistettavaksi ja koottavaksi piirilevyksi.

1. Kuinka monta ampeeria kuparijohtimessa voi olla virtaa?

Johdolle ei ole olemassa yhtä ainoaa maksimivirtaa – raja on mikä tahansa lämpötilan nousu, jonka hyväksyt. Lyhyesti sanottuna 1 mm:n (noin 40 mil) levyinen johdin 1 unssin paksuisessa kuparissa ulkokerroksessa kuljettaa noin 2 A:n virran 10 °C:n lämpötilan nousulla ja noin 4 A:n virran 30 °C:n lämpötilan nousulla. Virta lämmittää johdinta suhteessa virran neliöön kerrottuna resistanssilla, ja johdin asettuu sinne, missä se voi luovuttaa lämpöä ympäröivään kupariin, laminaattiin ja ilmaan.

Kolme johdinominaisuutta määräävät resistanssin ja siten lämpenemisen. Poikkileikkausala – leveys kertaa kuparin paksuus – on hallitseva; kahdentaminen puolittaa resistanssin suunnilleen. Pituuden lisäämä vastus ja jännitehäviö lisääntyvät suhteellisesti, mutta huippulämpötila muuttuu tuskin lainkaan. Kuparin resistanssi nousee noin 0.4 % °C:ta kohden, joten kuuma johdin on hieman resistanssiltaan suurempi, ja se syöttää takaisin enemmän lämpöä. Kolme ympäristötekijää määräävät, kuinka helposti lämpö pääsee karkaamaan: ulkokerros vs. sisäkerros, kotelon sisällä oleva ympäristön lämpötila sekä mahdollinen ilmavirtaus tai jäähdytyselementti. Jos johdinten rakentaminen ja spesifikaatiot ovat sinulle uusia, piirilevyjohtimien suunnittelun perusteet ovat hyödyllinen pohjustus ennen tehon mitoitusta.

2. Mikä on 1 unssin kuparin paksuus millimetreinä? (kuparin painotaulukko)

1 unssi kuparia on noin 35 mikronia paksua, mikä on 0.035 mm tai karkeasti 1.37 mil. Kuparin paksuus ilmoitetaan painona neliöjalkaa kohden – vanha käytäntö, joka hämmentää uusia tulijoita – joten muistamisen arvoiset muunnokset ovat:

Koska kapasiteetti seuraa poikkileikkauspinta-alaa, voit siirtää enemmän virtaa joko leventämällä kiskoa tai tilaamalla paksumpaa kuparia. Tiheällä piirilevyllä 3 unssin kuparirakenteeseen siirtyminen on usein puhtaampaa kuin tilan kaivaminen erittäin leveälle kiskolle, ja suuritehoisiin töihin on tarkoitus rakentaa täysikokoinen raskas kuparinen piirilevy tätä tarkoitusta varten.

3. Jäljen leveys vs. nykyinen kaavio (1 unssi ja 2 unssia kuparia)

Ulkokerroksen 1 unssin paksuiselle kuparijohtimelle, jonka lämpötila nousee konservatiivisesti 10 °C, 1 A:n johdin tarvitsee noin 0.5 mm (20 mil) ja 3 A:n johdin noin 1.8 mm (70 mil). Alla oleva kaavio on lähtökohta IPC-2221-standardin mukaisesti, eikä se korvaa laskelmaa omaa lämpötilatavoitettasi vasten; sisäkerroksen johtimet tarvitsevat tyypillisesti noin kaksinkertaiset leveydet.

Leveys kasvaa nopeasti virran mukana. Muutaman ampeerin jälkeen yksittäisestä johtimesta tulee epäkäytännöllinen, ja parempi ratkaisu on kuparivalu tai -taso, useilla kerroksilla olevat rinnakkaiset johtimet, jotka on ommeltu läpivienneillä, tai raskaampi kupari – juuri näissä kohdissa erikoistunut vahvan kuparin virtakapasiteettitekniikka pitää suurvirtakiskot viileinä.

4. Sisäisen ja ulkoisen jälkien leveys: miksi sisäisten jälkien on oltava leveämpiä

Sisäisen johtimen leveys on suunnilleen kaksinkertainen ulkoiseen johtimeen verrattuna saman virran kuljettamiseen, koska se on laminaatin sisällä eikä voi luovuttaa lämpöä ilmaan. IPC-2221 käyttää eri vakioita näissä kahdessa tapauksessa juuri tästä syystä – ulompi johdin jäähtyy konvektion kautta ilmaan, kun taas sisempi johdin on lämpöeristetty ja varastoi enemmän lämpöä samalla leveydellä.

Käytännön seuraus: ulkokerrokselle validoimasi leveys voi ylikuumentua hiljaisesti, jos sama verkko reititetään monikerroslevyn sisäkerrokselle. Kun siirrät virtaa kerrosten välillä, mitoita sisäkerroksen kotelo ja käytä useita reikiä rinnakkain jokaisessa siirtymässä, jotta kerroksen vaihdosta ei tule kuumaa pullonkaulaa.