Épaisseur élevée du cuivre PCB: quels sont les pièges?

Nous devons transporter des courants élevés sur un PCB (~ 30 ampères soutenus), nous sommes donc susceptibles de commander nos PCB avec une épaisseur de cuivre élevée. Jusqu'à présent, nous n'avons utilisé que 35 microns (1 oz) dans nos conceptions, donc «haute épaisseur» signifie pour nous 70 (2 oz) ou 105 (3 oz).

Nous ne savons pas quelles sont les choses à surveiller avec une épaisseur de cuivre. Nous apprécierions toutes les expériences. Comme il s'agit d'un sujet très large, je vais aller de l'avant et poser des questions spécifiques:

1. Il semble que pour de nombreuses maisons de fabrication, 105 microns soit aussi élevé que possible. Est-ce correct ou une épaisseur plus élevée est-elle possible?

2. Le cuivre dans les couches internes peut-il être aussi épais que le cuivre en haut et en bas de la planche?

3. Si je pousse le courant à travers plusieurs couches de la carte, est-il nécessaire ou préféré (ou même possible?) De distribuer le courant aussi uniformément que possible à travers les couches?

4. À propos des règles IPC concernant les largeurs de trace: tiennent-elles dans la vraie vie? Pour 30 ampères et une augmentation de température de 10 degrés, si je lis correctement les graphiques, j'ai besoin d'environ 11 mm de largeur de trace sur la couche supérieure ou inférieure.

5. Lors de la connexion de plusieurs couches de traces de courant élevé, quelle est la meilleure pratique: placer un réseau ou une grille de vias près de la source de courant, ou placer les vias tout au long de la trace de courant élevé?

Je suis en retard au match, mais je vais essayer:

1- Il semble que pour de nombreuses maisons de fabrication, 105 microns soit aussi élevé que possible. Est-ce correct ou une épaisseur plus élevée est-elle possible?

Certains magasins fabuleux peuvent recouvrir les couches internes. Le compromis est généralement une plus grande tolérance dans l'épaisseur globale de la planche, par exemple 20% au lieu de 10%, un coût plus élevé et des dates d'expédition ultérieures.

2- Le cuivre dans les couches internes peut-il être aussi épais que le cuivre en haut et en bas de la planche?

Oui, bien que les couches internes ne dissipent pas la chaleur aussi bien que les couches externes, et si vous utilisez le contrôle d'impédance, elles sont plus susceptibles d'être des striplines que des microrubans (c'est-à-dire en utilisant deux plans de référence au lieu d'un). Les striplines sont plus difficiles à obtenir une impédance cible; les microrubans sur les couches externes peuvent simplement être plaqués jusqu'à ce que l'impédance soit suffisamment proche, mais vous ne pouvez pas le faire avec les couches internes après que les couches sont stratifiées ensemble.

3- Si je pousse le courant à travers plusieurs couches de la carte, est-il nécessaire ou préféré (ou même possible?) De distribuer le courant aussi équitablement que possible à travers les couches?

Oui, c'est préférable, mais c'est aussi difficile. Habituellement, cela ne se fait qu'avec les plans de sol, en cousant des vias et en exigeant que les trous et les vias se connectent à tous les plans du même filet.

4- À propos des règles IPC concernant les largeurs de trace: tiennent-elles dans la vraie vie? Pour 30 ampères et une augmentation de température de 10 degrés, si je lis correctement les graphiques, j'ai besoin d'environ 11 mm de largeur de trace sur la couche supérieure ou inférieure.

La nouvelle norme IPC sur la capacité actuelle (IPC-2152) résiste bien dans la vie réelle. Cependant, n'oubliez jamais que la norme ne tient pas compte des traces proches générant également des quantités comparables de chaleur. Enfin, assurez-vous de vérifier également les chutes de tension sur vos traces pour vous assurer qu'elles sont acceptables.

De plus, la norme ne prend pas en compte l'augmentation de la résistance due à l'effet de peau pour les circuits à haute fréquence (par exemple, boucle d'alimentation commutée). La profondeur de peau pour 1 MHz est d'environ l'épaisseur de 2 oz. (70 µm) de cuivre. 10 MHz est inférieur à 1/2 oz. cuivre. Les deux côtés du cuivre ne sont utilisés que si des courants de retour circulent en couches parallèles des deux côtés de la couche en question, ce qui n'est généralement pas le cas. En d'autres termes, le courant préfère le côté faisant face à la trajectoire du courant de retour correspondant (généralement un plan de masse).

5- Lors de la connexion de plusieurs couches de traces de courant élevé, quelle est la meilleure pratique: placer un réseau ou une grille de vias près de la source de courant, ou placer les vias tout au long de la trace de courant élevé?

Il est préférable (et généralement plus facile d'un point de vue pratique) d'étaler les vias de couture. En outre, il y a une chose importante à garder à l'esprit: l'inductance mutuelle. Si vous placez des vias qui transportent un courant circulant dans la même direction trop près les uns des autres, il y aura une inductance mutuelle entre eux, augmentant l'inductance totale des vias (ce qui fait peut-être qu'une grille de vias 4x4 ressemble à un 2x2 ou 1x2 au condensateur de découplage fréquences). La règle de base est de garder ces vias à au moins une épaisseur de planche les uns des autres (plus facile) ou au moins deux fois la distance entre les plans auxquels les vias se connectent (plus de mathématiques).

Enfin, il est toujours sage de garder la pile de couches de la carte symétrique pour éviter le gauchissement de la carte. Certains magasins de fabrique peuvent être prêts à faire l'effort supplémentaire pour lutter contre le gauchissement à partir d'un cumul asymétrique, généralement en augmentant les délais et les coûts, car ils doivent prendre quelques essais pour le faire convenir à votre cumul.

Si seule une fraction des traces a besoin de 30A, je suggère toujours de souder du fil de cuivre sur la trace. Cela pourrait même être moins cher à fabriquer, car vous n'utilisez pas de matériaux «rares» (comme 100 Cu). Le fil de cuivre de mm est très bon marché et beaucoup plus robuste qu'une trace de PCB mince.$\mu$$^2$

Est-ce courant DC? Avec le courant alternatif, vous pourriez être limité par l'effet de la peau.

Je pense que 105 est le plus épais que vous puissiez obtenir, mais je ne vois aucune raison pour laquelle vous ne l'obtiendriez pas sur les couches internes. Un PCB est juste une pile d'époxy, de cuivre et de fibre de verre. Vous pouvez jouer avec l'épaisseur à volonté. Les couches internes plus épaisses ne seront pas aussi efficaces, bien sûr, car elles ne peuvent pas facilement diffuser leur chaleur dans l'environnement; l'époxy est un mauvais conducteur thermique . Nous avions une conception qui exigeait 16A sur plusieurs traces, et nous nous sommes retrouvés avec des traces de 4 mm en haut et en bas, et des vias de grand diamètre sur eux du début à la fin . Aucune trace intérieure, je ne me souviens pas de l'épaisseur du cuivre.$\mu$

Je pense que le piège inattendu # 1 peut être: les spécialistes du marketing des PCB annoncent qu'ils peuvent fabriquer des largeurs de trace / espace très serrées, et annoncent également qu'ils peuvent 35, 71 et 105 um de cuivre épais (communément appelé 1, 2 et 3 onces de cuivre), mais ils ne peuvent pas faire les deux sur la même planche. Si vous voulez du cuivre plus épais, vous devez espacer les traces plus loin que ce à quoi vous êtes habitué sur les PCB plus typiques.

1. Vous pouvez toujours appeler un fabricant de PCB et lui demander s'il peut gérer du cuivre plus épais. Mais soyez sûr et demandez combien cela coûtera. Même s'ils peuvent faire du cuivre plus épais, vous ne voudrez peut-être pas payer l'additionneur de coûts.

2. Le cuivre sur les 2 couches externes est toujours plus épais que les couches internes. Les fabricants de PCB achètent généralement des cartes plaquées de cuivre "vierges" avec une épaisseur de 17,5 um ou 35 um, les gravent et ajoutent des espaceurs entre eux et les collent ensemble, de sorte que c'est l'épaisseur de chaque couche interne. Ensuite, ils forent des trous et jettent le PCB dans le bain de placage, qui fait pousser une couche de cuivre dans chaque trou et sur les couches externes. Le résultat est que toutes les couches internes ont la même épaisseur et que les deux couches externes ont la même épaisseur, plus épaisse que les couches internes.

3. Lorsque vous poussez des courants élevés, vous voulez généralement des traces larges et courtes pour réduire la résistance et donc la chaleur I2R générée dans ces traces. Si vous avez 2 traces inégales sur différentes couches "en parallèle", la réduction de la largeur de n'importe quelle partie de l'une ou l'autre trace augmente la résistance et donc la chaleur I2R générée, aggravant les choses - peu importe si vous rendez la planche plus équilibrée en réduisant la largeur de la trace plus large ou plus déséquilibrée en réduisant la largeur de la trace plus étroite.

5- Lors de la connexion de plusieurs couches de traces de courant élevé, quelle est la meilleure pratique: placer un réseau ou une grille de vias près de la source de courant, ou placer les vias tout au long de la trace de courant élevé?

Je soupçonne que placer le réseau près de la source actuelle donnera une résistance nette inférieure.

"Y a-t-il des problèmes avec des poids de cuivre asymétriques? Par exemple, 35 um sur la couche 1-4 et 70 um sur la couche 5 et 6?"

Les premières fabriques de PCB avaient des problèmes à moins que les couches ne soient «équilibrées». Je crois comprendre que les usines de PCB modernes n'ont plus ces problèmes, donc les gens pourraient en principe fabriquer des PCB déséquilibrés. Mais la plupart des gens ne s'en soucient pas - les couches internes minces standard, les couches externes épaisses, avec 2 épaisseurs distinctes, conviennent souvent à la plupart des planches.

La meilleure source pour bon nombre de ces questions est le fournisseur de PCB que vous avez sélectionné. Différents fournisseurs de PCB excellent dans différents types de cartes: certains sont excellents à haute vitesse, avec des tolérances serrées; d'autres sont bons dans les applications à haute puissance. La plupart feront à peu près tout ce que vous demandez, mais il peut y avoir une majoration de prix.

Vous n'avez pas mentionné si le courant élevé sera à des tensions élevées. Si tel est le cas, vous devrez satisfaire à des exigences de ligne de fuite / dégagement supplémentaires pour satisfaire aux exigences de sécurité des produits.

Il semble que pour de nombreuses maisons de fabrication, 105 microns soit aussi élevé que possible. Est-ce correct ou une épaisseur plus élevée est-elle possible?

Il existe un nombre beaucoup plus restreint de conseils d'administration qui peuvent faire plus de 3 onces. Mais si vous concevez votre planche de cette façon, vous risquez de ne pas les utiliser pour toujours car il n'y aura pas beaucoup d'autres options. Je resterais avec 3 onces au maximum.

Beaucoup de conseils d'administration peuvent faire du cuivre de 3 onces. Mais gardez à l'esprit que de nombreux conseils d'administration ne gardent pas le cuivre 3 oz en stock. Donc, si vous l'utilisez, vous devrez peut-être attendre une semaine ou deux supplémentaires pour qu'ils commandent le matériel. Cela n'a généralement pas été un problème trop important dans mon expérience tant que vous le planifiez dans votre calendrier de projet.

2.Le cuivre dans les couches internes peut-il être aussi épais que le cuivre en haut et en bas de la carte?

C'est généralement le contraire.

Si vous allez mettre des composants SMD sur la carte, il est probable que vos couches externes seront toujours de 1 oz et certaines des couches internes seront de 3 oz.

3.Si je pousse le courant à travers plusieurs couches de la carte, est-il nécessaire ou préféré (ou même possible?) De distribuer le courant aussi équitablement que possible à travers les couches?

Il est à la fois préférable et possible de répartir le courant également entre les couches, mais il n'y a aucune exigence.

Les calculs sont beaucoup plus faciles lorsque chaque couche est identique.

La meilleure façon de le faire est de s'assurer que les formes de transport actuelles sur tous les calques sont identiques. De plus, les couches doivent toutes être liées ensemble à la source et à la destination, soit par une grille de vias, un trou traversant plaqué, ou les deux.

Mais si vous avez de l'espace sur une autre couche, utilisez certainement du cuivre supplémentaire, cela ne fera que réduire la chaleur.

4.À propos des règles de l'IPC concernant les largeurs de trace: tiennent-elles dans la vraie vie? Pour 30 ampères et une augmentation de température de 10 degrés, si je lis correctement les graphiques, j'ai besoin d'environ 11 mm de largeur de trace sur la couche supérieure ou inférieure.

J'ai utilisé les recommandations IPC pour la largeur de trace sans problème. Mais si vous avez un courant élevé sur plusieurs couches, attendez-vous à une augmentation de la température pour une quantité donnée de cuivre (utilisez donc plus de cuivre si vous avez de l'espace).

Il vaut également la peine d'estimer la résistance aux traces. Si votre outil CAO peut le faire, tant mieux, s'il ne le peut pas, vous pouvez simplement estimer le nombre de "carrés" de cuivre d'un bout à l'autre. La résistance est généralement de 0,5 m Ohms par carré à 1 oz ou 166 u Ohms par carré à 3 oz. En utilisant le courant et la résistance, calculez la trace de puissance. Vérifiez que la puissance semble rasonable avant de continuer.

N'oubliez pas non plus la puissance générée par les contacts des connecteurs, les sertissages, les joints de soudure, etc. Ces éléments s'additionnent tous en cas de courant élevé.

5.Lorsque vous connectez plusieurs couches de traces de courant élevé, quelle est la meilleure pratique: placer un réseau ou une grille de vias près de la source de courant, ou placer les vias tout au long de la trace de courant élevé?

Cela dépend si votre source et votre destination sont montées en surface ou à travers un trou.

Si le trou est traversant, le trou plaqué relie déjà toutes les couches ensemble, il peut donc ne pas être nécessaire de trous supplémentaires.

Vous voulez que le courant soit sur autant de couches que possible pour autant que l'itinéraire que possible. Ainsi, pour les pads SMD, il devrait y avoir des vias près de la source et de la destination. Idéalement, vous mettriez des vias remplis directement dans le tampon car sinon, vous exécuteriez tout votre courant sur une seule couche externe jusqu'à ce que vous atteigniez les premiers vias.

Placer les vias loin de la source et de la destination signifie qu'une partie du courant va circuler sur moins de couches pour une partie de l'itinéraire. Si vous placez des vias uniformément sur tout le chemin, il est probable que la majeure partie du courant passera par les premiers vias (éventuellement en les chauffant beaucoup), puis moins de courant passera par les vias les plus éloignés. Par conséquent, vous n'obtiendrez pas une utilisation très efficace de ces vias, et vous aurez besoin de plus de vias dans l'ensemble avec cette approche. Étant donné que les vias enlèvent de l'espace de routage, cela peut augmenter la taille globale de votre carte.