Capacità di corrente delle tracce PCB: larghezza, peso del rame e IPC-2221

Ogni traccia di rame è una sottile resistenza che si riscalda quando viene attraversata dalla corrente. Se dimensionata correttamente, una scheda rimane fresca per anni; se invece è troppo corta, la traccia si surriscalda, invecchia il laminato e può interrompersi come un fusibile. Questa guida risponde alle domande che gli ingegneri si pongono realmente – quanti ampere trasporta una traccia, a quanti millimetri corrisponde 1 oncia di rame, quando passare al rame più spesso – e mostra come Highleap Electronics trasforma questi dati in una scheda che può produrre e assemblare in modo affidabile.

1. Quanti ampere può sopportare una traccia di rame?

Non esiste un valore massimo di corrente per una traccia: il limite è dato dall'aumento di temperatura che si accetta. A titolo di esempio, una traccia larga 1 mm (circa 40 mil) in rame da 1 oz su uno strato esterno trasporta circa 2 A con un aumento di temperatura conservativo di 10 °C e circa 4 A con un aumento di 30 °C. La corrente riscalda la traccia in proporzione al quadrato della corrente moltiplicato per la resistenza, e la traccia si stabilizza dove può dissipare il calore nel rame circostante, nel laminato e nell'aria.

Tre proprietà delle tracce determinano la resistenza e quindi il riscaldamento. L'area della sezione trasversale – larghezza per spessore del rame – è il fattore dominante; raddoppiando una delle due, la resistenza si dimezza approssimativamente. La lunghezza aggiunge resistenza e caduta di tensione proporzionali, ma modifica di poco la temperatura di picco. Inoltre, la resistenza del rame aumenta di circa lo 0.4% per °C, quindi una traccia calda è una traccia con una resistenza leggermente superiore, che a sua volta genera più calore. Tre fattori ambientali determinano la facilità con cui il calore si disperde: lo strato esterno rispetto a quello interno, la temperatura ambiente all'interno del contenitore e la presenza di flusso d'aria o dissipatori di calore. Se non hai familiarità con la progettazione e la specifica delle tracce, i principi fondamentali della progettazione delle tracce per PCB sono un'utile introduzione prima di dimensionare le tracce per la potenza.

2. Qual è lo spessore di 1 oncia di rame in millimetri? (tabella dei pesi del rame)

1 oncia di rame ha uno spessore di circa 35 micron, ovvero 0.035 mm o circa 1.37 mil. Lo spessore del rame viene espresso in peso per piede quadrato – una vecchia convenzione che spesso confonde i neofiti – quindi le conversioni da memorizzare sono:

Poiché la capacità è proporzionale all'area della sezione trasversale, è possibile trasportare una corrente maggiore allargando la traccia o utilizzando rame più spesso. Su un circuito stampato ad alta densità, passare a una struttura in rame da 3 once è spesso una soluzione più pulita rispetto a ricavare spazio per una traccia molto larga, e per applicazioni ad alta potenza un PCB interamente in rame spesso è progettato appositamente per questo scopo.

3. Grafico della larghezza della traccia rispetto alla corrente (rame da 1 oz e 2 oz)

Per 1 oncia di rame su uno strato esterno con un aumento di temperatura conservativo di 10 °C, una traccia da 1 A richiede circa 0.5 mm (20 mil) e una traccia da 3 A circa 1.8 mm (70 mil). La tabella completa qui sotto è un punto di partenza basato sullo standard IPC-2221, non un sostituto per un calcolo in base alla propria temperatura target; le tracce dello strato interno in genere richiedono circa il doppio di queste larghezze.

La larghezza aumenta rapidamente con la corrente. Oltre pochi ampere, una singola traccia diventa impraticabile e la soluzione migliore è una colata o un piano di rame, tracce parallele su più strati unite da via, oppure rame più spesso – ed è qui che entra in gioco l'ingegneria specifica per la capacità di corrente del rame pesante, che mantiene freschi i circuiti ad alta corrente.

4. Larghezza delle tracce interne vs. esterne: perché le tracce interne devono essere più larghe

Una traccia interna necessita di una larghezza circa doppia rispetto a una traccia esterna per trasportare la stessa corrente, perché è racchiusa tra due strati di materiale laminato e non può dissipare il calore nell'aria. Lo standard IPC-2221 utilizza costanti diverse per i due casi proprio per questo motivo: una traccia esterna si raffredda per convezione nell'aria, mentre una traccia interna è termicamente isolata e immagazzina più calore a parità di larghezza.

La conseguenza pratica: una larghezza che hai validato per uno strato esterno può surriscaldarsi silenziosamente se la stessa rete viene instradata su uno strato interno in una scheda multistrato. Quando si sposta l'alimentazione tra gli strati, dimensiona per il caso dello strato interno e utilizza più vie in parallelo ad ogni transizione in modo che il cambio di strato non diventi un collo di bottiglia termico.