Lorsqu'il y a trop de composants sur une carte de circuit imprimé, cela peut conduire à une surcharge, ce qui peut avoir des effets néfastes tels qu'une dégradation des performances électriques et une réduction de la dissipation de la chaleur. Par conséquent, lorsqu'il y a beaucoup de composants sur un Carte PCBComment déterminer si le circuit imprimé est surchargé ?
Méthodes de détermination de la surcharge en PCB
1. Test des paramètres de courant
- Utiliser une pince de mesure de haute précision pour mesurer le courant de fonctionnement des circuits critiques.
- Comparer avec les paramètres de conception :
- Les conducteurs conventionnels de 1,5 mm² ont un courant nominal de sécurité de 16 A (à une température ambiante de 30 °C).
- La largeur de ligne de 100 mils/l'épaisseur de cuivre de 1 oz a une intensité maximale de 4,5 A (sur la base d'une norme d'élévation de température de 10 °C).
- Critères de détermination : Si le courant mesuré est ≥80% de la valeur de conception, un avertissement est requis.
2.Analyse des caractéristiques de l'élévation de la température
- Outil de test :Imageur thermique infrarouge (résolution ≤ 0,1°C)
- Seuils de sécurité :
- Matériau isolant en PVC : Température du conducteur ≤ 70°C
- Substrat FR-4 :Augmentation locale de la température ≤ 20°C (par rapport à la température ambiante)
- Indicateurs anormaux :Décoloration/adoucissement de la couche d'isolation, déformation du joint de soudure
3.Vérification de la capacité de charge
- Formule de calcul :I = Kx - P / (U - cosφ)
(Kx pris comme 0,7-0,8, cosφ recommandé comme 0,85)
- Exemple de vérification :
220V/3500W calcul du courant de charge résistive ≈ : 15.9A
Nécessite un fil de 2,5 mm² correspondant (marge de conception de 20 %)
4.Diagnostic de l'état physique
- Caractéristiques typiques d'un défaut :
- Décollement de la feuille de cuivre (la contrainte de cisaillement dépasse la limite)
- Marques de carbonisation (température élevée localisée > 300°C)
- Fonctionnement anormal des dispositifs de protection (≥3 déclenchements en 24 heures)
5.Vérification des spécifications de conception
Tableau de correspondance des paramètres clés :
| Exigence actuelle | Exigences en matière d'épaisseur de cuivre | Largeur minimale de la ligne | Mesures complémentaires |
|---|
| ＜5A | 1OZ | 20 millions | Routage sur une seule face |
| 5-20A | 2OZ | 80 millions | Ajouter des fenêtres |
| ＞100A | 4OZ | 15 mm | Assistance aux barres de cuivre |
Donner la priorité à l'examen rapide par la mesure du courant et la surveillance de la température, combinées au calcul de la charge et à la vérification croisée de l'inspection physique. Pour les circuits imprimés de forte puissance, il convient de sélectionner strictement la largeur des lignes et l'épaisseur du cuivre en fonction du tableau de capacité de transport de courant dès le début de la phase de conception, et de prévoir une marge pour la dissipation de la chaleur. Quelles sont les conséquences d'une surcharge sur la carte de circuit imprimé ?
Effets de la surcharge sur les PCB
1. Mécanisme de triple destruction de la performance électrique
- Effet d'instabilité de l'impédance
Augmentation significative de la résistance du fil : ΔR = ρ - L - (1/S₁ – ; 1/S₂) (S est la variation de la section transversale)
Cas typique : La surcharge des lignes électriques entraîne une fluctuation de ±15 % de la tension d'alimentation du MCU, ce qui déclenche la réinitialisation du système (données de mesure réelles).
- Effondrement de l'intégrité du signal
Mesures de dégradation des signaux à grande vitesse :
Fermeture du diagramme oculaire > 30
Temps de propagation ≥ 50 ps
Rapport signal/bruit > -12 dB
- Le rayonnement de 3EMI dépasse les normes
Les niveaux de crête des interférences électromagnétiques sur les lignes surchargées augmentent de 20 à 35 dBμV/m.
Exemple de dégradation du rapport signal/bruit dans les circuits sensibles :
Le taux d'erreur d'échantillonnage de l'ADC audio passe de 0,1 % à 3,2 %.
2.Spectre de défaillance thermodynamique
- Seuils de dommages matériels Type de matériau Température critique Mode de défaillance Substrat FR-4 130°C Délamination et fissuration Feuille de cuivre 1 oz 260°C Fusion et déformation Soudure plomb-étain 183°C Migration de liquide Encre du masque de soudure 70°C Carbonisation et décollement
- Chaîne de défaillance thermique typique
Surintensité → Augmentation de la température locale > 85°C → Fluage du joint de soudure → Augmentation de la résistance de contact → Emballement thermique (boucle de rétroaction positive)
3.Matrice des risques au niveau du système
- Distribution des probabilités de défaillance
Module d'alimentation : 68%
Interface d'alimentation : 22%
Lignes de signaux : 10%
- Modèle de dommages secondaires
Rayon d'influence du rayonnement thermique : R = 3,5 - √P (P est la puissance de production de chaleur, unité : W)
Cas :Une source de chaleur de 10W provoque une dérive de capacité de ±15% dans un rayon de 3cm du MLCC.
Solution pour le système de surcharge des circuits imprimés (système d'optimisation quadridimensionnel)
1. Solution d'amélioration des performances électriques
- Capacité de charge actuelle Amélioration
- Optimisation de la couche de cuivre : Cuivre d'une épaisseur de 4OZ + câblage double face de 15 mm de large (solution de niveau 100A)
- Processus améliorés :
Étamage des conducteurs par ouverture de fenêtre (amélioration de 40 % de la capacité de transport de courant)
Partage du courant auxiliaire du jeu de barres en cuivre (cas d'application industrielle de 200 A)
- Technologie de contrôle de l'impédance
- Couche de puissance avec plan de cuivre complet (impédance < ; 5mΩ)
- Matrice via réseau (12mil via groupe partageant un courant de 20A)
2.Solution intelligente de gestion thermique
- Conception de la structure de dissipation de la chaleur
- Configuration des composants à haute température (＞5W) :
Groupe de trous de dissipation thermique par le bas (Φ0,3mm×50 trous)
Disposition des bords de la carte + dissipateur thermique en alliage d'aluminium (60% de baisse de température)
- Spécifications de l'agencement thermique
- Sensibilité thermique espacement des composants ≥8mm
- Distribution uniforme des sources de chaleur (contrôle de la différence de température <15°C)
3.Stratégie d'implantation à haute densité
- Conception de l'intégrité des signaux
- Isolation de la couche numérique/analogique (blindage intermédiaire de la couche GND)
- Signaux à grande vitesse :
Contrôle de l'égalité de longueur (±50 mil)
Disposition symétrique des composants RF (réduction du bruit de 12 dB pour les modules 5G)
- Solution d'isolation haute tension
- Zones de >50V :
Espace de sécurité de 15 mm
Isolation des fentes de 2 mm
4.Solutions de traitement avancées
- Procédé spécial de laminage
- Structure sandwich de couches de cuivre (couche de cuivre encastrée de 1,5 mm)
- Application de matériaux pour cartes à haute fréquence (Rogers 4350B@1GHz+)
- Simulation thermique (ΔT < ; 15°C/cm)
- Test de signal (fluctuation de l'impédance TDR ≤ 10%)
- Normes DFM (largeur de ligne/espacement ≥ 4 mil)
| Phase d'optimisation | Indicateurs techniques clés |
|---|
| 1. Les bases de la capacité actuelle | Épaisseur du cuivre ≥4OZ + Largeur de la trace ≥15mm |
| 2. Gestion thermique | Réduction de la température des composants clés ≥30% |
| 3. Optimisation du signal | Réduction de la diaphonie 12dB |
| 4. Mise à niveau du processus | Amélioration du taux de rendement de 27 |
Note : Après avoir appliqué cette solution à un module de station de base 5G, les résultats suivants ont été obtenus :
- Augmentation de 300 % de la capacité de transport de courant continu
- Le taux de défaillance thermique a diminué de 82 %.
- Le taux de conformité de l'intégrité du signal a atteint 100 %.
Quelles sont les mesures à prendre pour éviter la surcharge des circuits imprimés ? La prévention de la surcharge des circuits imprimés nécessite un contrôle collaboratif tout au long du processus de conception, de fabrication et d'essai.
Plan de protection contre les surcharges des PCB
1. Stratégie de protection au stade de la conception
- Conception précise de la capacité de charge actuelle
- Norme de calcul de la capacité d'accueil actuelle :
mathématiques
I_{max} = K \cdot \Delta T^{0.44} \cdot W^{0.725}
(K=0,048, ΔT est l'augmentation de température admissible, W est la largeur de la ligne en millièmes)
- Schémas de configuration typiques :
- Applications conventionnelles : 2OZ épaisseur de cuivre + 100mil largeur de ligne (classe 10A)
- Schémas à courant élevé :Epaisseur de cuivre 4OZ + traces double face 15mm + barres omnibus en cuivre (classe 100A)
- Conception de l'intégrité de l'alimentation
- Matrice des condensateurs de découplage :
- Bande haute fréquence : 0402 Condensateur céramique 10nF (ESL < ; 0,5nH)
- Bande de fréquences moyennes : condensateur 0603 100nF
- Bande basse fréquence : 1206 condensateur au tantale de 10μF.
- Gestion thermique améliorée
- Spécifications des réseaux de trous de dissipation de chaleur :
- Diamètre du trou : Φ0.3mm
- Distance centrale :0,8 mm
- Disposition en nid d'abeille (amélioration de 35 % de l'efficacité de la dissipation thermique)
2.Procédés de fabrication avancés
- Technologies de traitement spécial
- Processus à forte capacité de transport de courant :
- Remplissage en cuivre VIPPO (réduction de 40 % de la résistance de contact)
- Épaisseur de cuivre sélective (épaississement de 4OZ dans certaines zones)
- Paramètres du processus de revêtement à trois épreuves :
| Type de revêtement | Épaisseur | Temp. Résistance | Essai au brouillard salin | Caractéristiques principales |
|---|
| Silicone | 0,1 mm | 200°C | 1000 heures | Grande flexibilité, excellente résistance à l'humidité |
| Polyuréthane | 0,15 mm | 130°C | 500 heures | Résistance supérieure à l'abrasion, bonne protection chimique |
3.Système d'essai et de contrôle
- Normes de test de production
- Items du test TIC :
- Test d'impédance (tolérance de ±5%)
- Résistance d'isolation (≥100MΩ)
- Test de résistance à la tension (500V DC/60s)
- Système de surveillance intelligent
- Paramètres de surveillance en temps réel :
- Densité de courant (≤4A/mm²)
- Température du point chaud (≤85℃)
- Spectre de vibration (<5g RMS)
4.Principales spécifications de conception
| Valeur nominale actuelle | Épaisseur du cuivre | Min. Largeur de la trace | Augmentation maximale de la température | Recommandations en matière de conception |
|---|
| ≤5A | 1 oz (35μm) | 50 mil (1,27 mm) | ≤10°C | Routage à couche unique |
| 20A | 2 oz (70μm) | 3mm | ≤15°C | Thermique via réseau |
| 100A+ | 4 oz (140μm) | 15 mm | ≤20°C | Barre omnibus en cuivre avec refroidissement liquide |
5.Solutions à haute fiabilité
- Protection de qualité militaire
- Conception stratifiée symétrique (écart d'impédance ≤5%)
- Emballage rempli d'azote (teneur en oxygène <100ppm)
- Système d'alerte en cas de défaillance
- Mécanisme d'alerte à trois niveaux :
Niveau 1 : Alarme sonore et visuelle lorsque la température dépasse 85°C
Niveau 2 : Réduction automatique de la fréquence lorsque le courant dépasse la limite
Niveau 3 : Protection par fusible (temps d'action < ; 50 ms)
Résumé
Les problèmes de surcharge des circuits imprimés entraînent une dégradation des performances électriques, des défaillances thermiques et des risques pour la stabilité du système, et doivent être contrôlés tout au long du processus de conception, de fabrication et d'essai. La fiabilité des circuits imprimés peut être considérablement améliorée grâce à des calculs précis de la capacité de transport de courant (par exemple, une épaisseur de cuivre de 4 oz + une largeur de trace de 15 mm supportant 100 A), à une conception thermique avancée (réseaux de trous de dissipation thermique en nid d'abeille réduisant l'augmentation de la température de 35 %), à un contrôle strict du processus (remplissage de cuivre VIPPO réduisant la résistance de 40 %) et à une surveillance intelligente (alertes en temps réel concernant le courant et la température).