Relazione tra peso del rame, larghezza della traccia e capacità di trasporto di corrente

Teoricamente, la capacità di trasporto di corrente di un PCB (Printed Circuit Board) è determinata dall’area della sezione trasversale della pista e dall’aumento di temperatura. Inoltre, l’area della sezione trasversale della pista è direttamente proporzionale alla larghezza della pista e allo spessore del rame. E qui sorge una domanda: questa regola si applica anche alla relazione tra capacità di trasporto di corrente e area della sezione trasversale della pista, cioè la capacità di una pista è direttamente proporzionale alla sua area di sezione trasversale? Con lo stesso aumento di temperatura, pari a 10°C, una pista da 10 mil con rame da 1 oz è in grado di sopportare al massimo una corrente di 1 A e siamo certi che una pista da 50 mil è in grado di sopportare una corrente superiore a 1 A. Ma qual è esattamente la corrente massima che può sopportare, 5 A sulla base di un semplice calcolo proporzionale? In realtà è molto più complicato di così. Secondo la norma MIL-STD-275, ci viene detto che la corrente massima che una pista da 50 mil può sopportare è di 2,6 A.

Tuttavia, la tabella sopra è stata gradualmente sostituita dallo standard generico IPC-2221 sulla progettazione di circuiti stampati come riferimento in base al quale uncircuito stampatoè progettato con precisione.

Unità di Misura dello Spessore del Rame

Prima di una discussione autentica, è necessario consultare una voce wiki su un'unità applicata allo spessore del rame, l’oncia (oz). È generalmente accettata come unità di misura del peso, ma nella progettazione di circuiti stampati è stata impiegata per la misurazione dello spessore del rame. Quando si tratta della conversione dello spessore del rame in once, occorre tenere a mente alcune regole. Poiché le specifiche del rame sono misurate in peso di rame per piede quadrato, 1 oz, che viene solitamente menzionata, in realtà si riferisce al fatto che ogni piede quadrato di questo rame pesa 1 oz. In tali casi, più il rame è spesso, più pesa, poiché il peso del rame è direttamente proporzionale al suo spessore. Di conseguenza, lo spessore del rame può essere rappresentato dall’unità di peso, l’oncia. Inoltre, l’oncia può anche essere convertita in unità di millimetri o mil. Alcune conversioni comuni sono elencate di seguito:
0,5oz = 0,0007inch = 0,7mils = 0,018mm
1,0oz = 0,0014inch = 1,4mils = 0,035mm
2,0oz = 0,0034inch = 2,8mils = 0,070mm

Relazione tra l’area della sezione trasversale del foglio di rame del PCB, la capacità massima di trasporto di corrente e l’aumento di temperatura

Sulla base della spiegazione della Sezione 6.2 dell’IPC-2221, ovvero Requisiti per i Materiali Conduttivi, la capacità di trasporto di corrente può essere ulteriormente classificata in due tipi: conduttori interni e conduttori esterni. La capacità massima di trasporto di corrente dei conduttori interni è definita come la metà di quella dei conduttori esterni. La Tabella 6-4 dell’IPC-2221 mostra la relazione tra l’area della sezione trasversale del foglio di rame, l’aumento di temperatura e la capacità massima di trasporto di corrente tra conduttori esterni e conduttori interni.

Inoltre, è stata riassunta una formula semplificata sulla base delle tabelle sopra riportate:Io= KΔT0,44A0,75

In questa formula, K è un fattore di correzione. È equivalente a 0,024 per i conduttori interni e 0,048 per i conduttori esterni. ΔT è la differenza di temperatura massima, che indica la differenza di temperatura tra il rame riscaldato e la temperatura ambiente, con unità in gradi Celsius (°C). A si riferisce all’area della sezione trasversale della traccia di rame, con unità in mil quadrati (mil²).Iosi riferisce alla corrente nominale con unità di misura ampere (A).

Grazie allo sviluppo della tecnologia elettronica, alcuni calcolatori online della larghezza delle piste sono disponibili per i progettisti di circuiti stampati. È uno strumento così pratico che, non appena si inseriscono la corrente richiesta e lo spessore del rame, verrà fornita la corrispondente larghezza delle piste dei conduttori interni ed esterni.Calcolatore della Larghezza delle Tracce PCBeCalcolatore della larghezza delle piste PCB ANSI IPC-2221Aappartengono agli strumenti appena introdotti.

Elementi che determinano la massima capacità di corrente trasportabile

Sebbene si possa utilizzare direttamente una semplice formula per calcolare la massima capacità di corrente, i casi pratici non sono così semplici e diretti. Questo perché, oltre all’area della sezione trasversale e all’aumento di temperatura, la capacità di trasporto di corrente delle piste dipende anche da altri elementi come il numero di componenti, i pad e le vias.

Per le piste con molti pad distribuiti, la stagnatura della pista offrirà una capacità estremamente superiore rispetto alle piste ordinarie. Non è raro che gli ingegneri si trovino di fronte a circuiti stampati in cui alcune piste tra i pad risultano bruciate a causa del passaggio di una grande corrente. La ragione di una tale tragedia risiede nel fatto che un’eccessiva quantità di pasta saldante sui componenti o sui pin porta a un aumento dell’area della sezione trasversale, mentre nessuna modifica avviene sulla pista tra i pad. Di conseguenza, non appena si alimenta il circuito o si esegue una modifica sull’ordine della pista, è possibile causare un picco di corrente transitorio estremamente elevato o persino la bruciatura di una pista tra i pad.

Una delle soluzioni a questo problema consiste nell’aumentare la larghezza delle piste. Quando non è consentito allargare una pista, si può applicare la solder mask sulle piste che tendono a bruciarsi e la solder paste dovrebbe essere stampata inSMT (Tecnologia a Montaggio Superficiale)procedura. Dopo la saldatura a rifusione, la larghezza della traccia aumenterà, così che anche la capacità di trasporto di corrente aumenterà.

In una parola, sebbene la capacità di trasporto di corrente delle piste PCB possa essere ottenuta tramite le tabelle fornite dall’IPC o mediante una formula, queste si applicano solo al calcolo di piste rettilinee. Tuttavia, l’inquinamento da polvere o contaminanti deve essere preso attentamente in considerazione nella reale fabbricazione o assemblaggio dei circuiti stampati, poiché l’inquinamento può portare alla rottura parziale delle piste. Pertanto, quando progettiamo la massima capacità di trasporto di corrente in uno dei due modi, è necessario aggiungere un fattore di sicurezza per evitare che si verifichino problemi di sovraccarico.

Inoltre, occorre prestare particolare attenzione alle tracce di svolta. Se in una traccia si forma un angolo acuto, è possibile che si verifichi un trasferimento non uniforme, il che potrebbe avere poca influenza su correnti ridotte o su tracce con ampia larghezza. Tuttavia, quando si tratta di bassa capacità di trasporto di corrente, possono insorgere problemi.

La capacità di trasporto di corrente di un PCB è un aspetto da considerare durante la progettazione di circuiti stampati efficaci e affidabili. Tuttavia, i soli calcoli teorici potrebbero non essere sufficienti per prendere decisioni efficaci quando vengono applicati in scenari pratici. Per questo è necessario utilizzare standard industriali come l’IPC-2221, in modo che il tuo PCB funzioni come progettato nelle effettive condizioni operative.

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