La conception de pistes de circuits imprimés de largeur correcte est essentielle pour la fiabilité électrique, la stabilité thermique et la fabricabilité.
Si une trace est trop étroite pour le courant qu'elle transporte, elle peut provoquer :
- Chaleur excessive
- Chute de tension
- Problèmes d'intégrité du signal
- Défaillance de la carte de circuit imprimé dans les cas extrêmes
Comprendre comment la largeur de la trace est liée à la capacité de courant aide les ingénieurs à concevoir des cartes qui répondent à la fois les exigences électriques et les contraintes de fabrication.
Cet article explique comment fonctionne la largeur de trace, comment estimer la capacité de courant et comment optimiser les tracés pour la fabrication de circuits imprimés dans le monde réel.
L'importance de la largeur de la trace dans la conception des circuits imprimés
La largeur de la trace détermine la quantité de courant qu'un conducteur en cuivre peut supporter sans surchauffe.
Plusieurs facteurs influencent cette relation :
Epaisseur du cuivre
Les valeurs courantes sont les suivantes
- 1 oz de cuivre (35 µm)
- 2 oz de cuivre (70 µm)
- Dessins en cuivre lourd (3 oz+)
Le cuivre plus épais augmente la capacité de courant.
Augmentation de la température
Les directives de conception supposent généralement une augmentation de température acceptable, par exemple :
Une augmentation de température plus faible nécessite des traces plus larges.
Couches externes et couches internes
Les couches externes dissipent plus facilement la chaleur.
Règle typique :
- Les traces internes portent moins de courant que les traces de la couche externe.
Les considérations relatives à la fabrication, telles que l'épaisseur du cuivre et l'empilement des couches, sont expliquées dans le flux de production des circuits imprimés : Le processus de fabrication des PCB expliqué étape par étape
Relation de base entre la largeur de la trace et le courant
La relation entre le courant et la largeur de la trace est généralement estimée à l'aide de l'équation suivante Norme IPC-2221.
Une règle empirique simplifiée :
| Largeur de la trace | Poids du cuivre | Capacité actuelle |
|---|
| 10 mil | 1 oz | ~1 A |
| 20 mil | 1 oz | ~2-3 A |
| 50 mil | 1 oz | ~5-6 A |
Il s'agit de valeurs approximativesLes calculs doivent être précis et inclure les éléments suivants
- augmentation de la température
- épaisseur du cuivre
- longueur de la trace
- environnement du conseil d'administration
Une mauvaise manipulation du courant est l'une des causes courantes évoquées dans le document : Défaillances courantes des circuits imprimés : Causes et solutions
Capacité de traçage interne ou externe
Les empilages de circuits imprimés influencent les performances thermiques.
Couches externes
Avantages :
- meilleure dissipation de la chaleur
- capacité de courant plus élevée
- une inspection plus facile
Couches internes
Limites :
- chaleur emprisonnée
- réduction du refroidissement
- capacité de courant plus faible
Par exemple :
| Type de couche | Capacité actuelle |
|---|
| Externe | Plus élevé |
| Interne | 50-70% de l'extérieur |
La planification des couches a également une incidence sur la complexité de la fabrication, qui est abordée dans le chapitre consacré à la planification des couches. Guide de conception de l'empilement des couches du PCB
Effets thermiques des traces étroites
Si les traces sont sous-dimensionnées, l'accumulation de chaleur devient un risque sérieux.
Les conséquences potentielles sont les suivantes :
Surchauffe du cuivre
Une forte densité de courant peut augmenter rapidement la température du cuivre.
Dégradation du stratifié
Une chaleur excessive peut endommager le substrat du circuit imprimé.
Problèmes de fiabilité des joints de soudure
Les cycles thermiques soumettent les composants et les tampons à des contraintes.
De nombreux problèmes de fiabilité proviennent de problèmes de conception électrique et thermique. Pour en savoir plus : Explication des méthodes de test de fiabilité des PCB
Comment calculer la largeur du tracé du circuit imprimé (étape par étape)
Les concepteurs utilisent souvent des calculatrices ou des formules dérivées des normes IPC.
Étape 1 - Déterminer le courant maximal
Identifiez le courant le plus élevé que la trace doit supporter.
Exemple :
Sortie du pilote du moteur = 4 A
Étape 2 - Définir l'augmentation de température autorisée
Valeurs typiques :
10°C conception conservatrice
20°C conception commune
Étape 3 - Choisir l'épaisseur du cuivre
Exemple :
1 oz de cuivre
Étape 4 - Utiliser un calculateur de largeur de tracé
De nombreux outils EDA ou calculateurs en ligne fournissent des valeurs précises.
Étape 5 - Validation à l'aide de la revue DFM
Les fabricants peuvent confirmer que la conception respecte les tolérances de fabrication.
Les méthodes d'examen de la DFM sont expliquées dans le document : Qu'est-ce que la DFM des circuits imprimés et quelle est son importance dans la fabrication ?
Conseils pratiques pour la conception de tracés à courant élevé
Plusieurs techniques permettent d'améliorer le traitement des courants.
Augmentation de l'épaisseur du cuivre
Utilisation 2 oz de cuivre améliore considérablement la capacité actuelle.
Utiliser des coulées de cuivre plus larges
Les grandes surfaces de cuivre réduisent la résistance et la chaleur.
Ajouter des traces parallèles
La répartition du courant sur plusieurs pistes réduit la charge.
Utiliser des vias thermiques
Les vias thermiques distribuent la chaleur entre les couches.
Le forage et la fabrication de via sont couverts dans le document : Perçage de circuits imprimés et perçage au laser : Différences de fabrication
Contraintes de fabrication pour la largeur de la trace
La fabrication des circuits imprimés présente des limites pratiques.
Capacités de fabrication typiques :
| Paramètres | Valeur typique |
|---|
| Largeur minimale de la trace | 4-6 mil |
| Espacement minimal | 4-6 mil |
| Dessins en cuivre lourd | processus spécial |
La conception dans les limites de la fabrication améliore le rendement et réduit les coûts.
La relation entre la complexité de la conception et le coût de production est examinée dans le document : Comment réduire le coût des circuits imprimés sans compromettre la qualité
Comment les fabricants évaluent-ils la conception de la traçabilité ?
Les fabricants professionnels de circuits imprimés effectuent généralement les vérifications des règles de conception (DRC) et Analyse DFM avant la production.
Ils font le point :
- largeur de la trace par rapport au poids du cuivre
- tolérances d'espacement
- distribution thermique
- capacité de transport de courant
Dans des entreprises telles que TOPFASTLes ingénieurs vérifient souvent les paramètres d'agencement avant le début de la fabrication afin de réduire les risques de fabrication et de garantir des performances stables pour tous les lots de production.
Conclusion
La largeur de la trace joue un rôle essentiel dans la fiabilité électrique et la fabricabilité des circuits imprimés.
Les principales conclusions sont les suivantes :
- La largeur de la trace détermine la capacité de courant et la performance thermique
- L'épaisseur du cuivre et l'augmentation de la température influencent fortement les règles de conception.
- Les couches externes peuvent transporter plus de courant que les couches internes
- Un examen DFM approprié permet de s'assurer que les conceptions peuvent être fabriquées de manière fiable.
En combinant des calculs de courant précis avec des pratiques de mise en page tenant compte de la fabricationles ingénieurs peuvent construire des circuits imprimés qui sont à la fois stables sur le plan électrique et prêts pour la production.
FAQ
Q : Quelle intensité de courant une trace de circuit imprimé peut-elle supporter ? R : La capacité de courant dépend de la largeur du tracé, de l'épaisseur du cuivre et de l'augmentation de température autorisée. Par exemple, une trace de 20 mils avec 1 oz de cuivre peut transporter environ 2-3 A dans des conditions typiques.
Q : Que se passe-t-il si la trace d'un circuit imprimé est trop étroite ? R : Une trace étroite peut surchauffer, entraînant une résistance excessive, une chute de tension et une éventuelle détérioration du cuivre.
Q : Comment calculer la largeur du tracé d'un circuit imprimé ? R : Les concepteurs utilisent généralement des calculateurs basés sur la norme IPC-2221 qui tiennent compte du courant, de l'épaisseur du cuivre et de l'élévation de la température.
Q : Les traces internes des circuits imprimés sont-elles plus faibles que les traces externes ? R : Oui. Les traces internes transportent généralement moins de courant parce qu'elles dissipent la chaleur moins efficacement que les traces de la couche externe.