Demasiados componentes numa placa de circuito impresso causarão sobrecarga?

Quando há demasiados componentes numa placa de circuito impresso, isso pode levar a uma sobrecarga, o que pode causar efeitos adversos, como a degradação do desempenho elétrico e a redução da dissipação de calor. Assim, quando existem muitos componentes numa placa de circuito impressoComo podemos determinar se a placa de circuito impresso está sobrecarregada?

Métodos para determinar a sobrecarga de PCB

1. Ensaio dos parâmetros de corrente

• Utilizar uma pinça amperimétrica de alta precisão para medir a corrente de funcionamento dos circuitos críticos
• Comparar com os parâmetros de projeto:
  - Os condutores convencionais de 1,5 mm² têm uma classificação de corrente segura de 16A (a uma temperatura ambiente de 30°C)
  - A largura da linha de 100mil/1OZ de espessura de cobre tem uma classificação de corrente máxima de 4,5A (com base numa norma de aumento de temperatura de 10°C)
• Critérios de determinação: Se a corrente medida for ≥80% do valor de projeto, é necessário um aviso

2.Análise das caraterísticas da subida de temperatura

• Ferramenta de teste:Termovisor de infravermelhos (resolução ≤ 0,1°C)
• Limiares de segurança:
  - Material de isolamento em PVC: Temperatura do condutor ≤ 70°C
  - Substrato FR-4:Aumento da temperatura local ≤ 20°C (relativamente à temperatura ambiente)
• Indicadores anómalos:Descoloração/amaciamento da camada de isolamento, deformação da junta de soldadura

3.Verificação da capacidade de carga

• Fórmula de cálculo:I = Kx - P / (U - cosφ)
  (Kx tomado como 0,7-0,8, cosφ recomendado como 0,85)
• Exemplo de verificação:
  Cálculo da corrente de carga resistiva 220V/3500W ≈ : 15,9A
  Requer um fio de 2,5 mm² correspondente (margem de conceção de 20%)

4.Diagnóstico da condição física

• Caraterísticas típicas de falha:
  - Descolamento da folha de cobre (tensão de corte superior ao limite)
  - Marcas de carbonização (alta temperatura localizada > 300°C)
  - Funcionamento anormal dos dispositivos de proteção (≥3 disparos em 24 horas)

5.Verificação da especificação do projeto

Tabela de correspondência de parâmetros-chave:

Dar prioridade ao rastreio rápido através da medição da corrente + monitorização da temperatura, combinada com o cálculo da carga e a verificação cruzada da inspeção física. Para placas de circuito impresso de alta potência, selecionar rigorosamente a largura da linha e a espessura do cobre de acordo com a tabela de capacidade de transporte de corrente na fase inicial do projeto e reservar uma margem de dissipação de calor. Que consequências terá a sobrecarga na placa de circuito impresso?

Efeitos da sobrecarga nos PCB

1. Mecanismo de destruição tripla do desempenho elétrico

1. Efeito de instabilidade de impedância
   Aumento significativo da resistência do fio: ΔR = ρ - L - (1/S₁ – 1/S₂) (S é a alteração da área da secção transversal)
   Caso típico: A sobrecarga das linhas de alimentação provoca uma flutuação de ±15% na tensão de alimentação da MCU, accionando a reinicialização do sistema (dados de medição reais)
2. Colapso da integridade do sinal
   Métricas de degradação do sinal de alta velocidade:
   Fecho do diagrama ocular > 30%
   Skew de atraso ≥ 50 ps
   Relação de ruído cruzado > -12 dB
3. Radiação 3EMI que excede as normas
   Os níveis de pico de EMI em linhas sobrecarregadas aumentam 20-35 dBμV/m
   Exemplo de degradação da relação sinal/ruído em circuitos sensíveis:
   A taxa de erro de amostragem do ADC de áudio aumenta de 0,1% para 3,2%

2.Espectro termodinâmico de falhas

1. Limiares de danos materiais Tipo de material Temperatura crítica Modo de falha Substrato FR-4 130°C Delaminação e fissuração Folha de cobre de 1 oz 260°C Fusão e deformação Solda de chumbo-estanho 183°C Migração líquida Tinta da máscara de solda 70°C Carbonização e descamação
2. Cadeia típica de falhas térmicas
   Sobrecorrente → Aumento da temperatura local > 85°C → Fluência da junta de soldadura → Aumento da resistência de contacto → Fuga térmica (ciclo de feedback positivo)

3.Matriz de risco a nível do sistema

1. Distribuição da probabilidade de falha
   Módulo de potência: 68%
   Interface de alimentação: 22%
   Linhas de sinal: 10%
2. Modelo de dano secundário
   Raio de influência da radiação térmica: R = 3,5 - √P (P é a potência de geração de calor, unidade: W)
   Caso:Uma fonte de calor de 10W provoca um desvio da capacidade de ±15% num raio de 3cm do MLCC

Solução do sistema de sobrecarga de PCB (sistema de otimização de quatro dimensões)

1. Solução de melhoria do desempenho elétrico

• Capacidade de carga atual Melhoria

• Otimização da camada de cobre: Cobre com 4OZ de espessura + cablagem de dupla face com 15 mm de largura (solução de nível 100A)
• Processos melhorados:
  Estanhagem de abertura de janelas nos condutores (melhoria de 40% da capacidade de transporte de corrente)
  Partilha de corrente auxiliar de barramento de cobre (caso de aplicação de 200A de nível industrial)

• Tecnologia de controlo de impedância

• Camada de potência com conceção de plano de cobre completo (impedância < 5mΩ)
• Matriz via matriz (12mil via grupo partilhando 20A de corrente)

2.Solução inteligente de gestão térmica

• Conceção da estrutura de dissipação de calor

• Configuração de componentes de alto calor (＞5W):
  Conjunto de orifícios de dissipação de calor na parte inferior (Φ0,3 mm×50 orifícios)
  Disposição dos bordos da placa + dissipador de calor em liga de alumínio (queda de temperatura de 60%)

• Especificações da disposição térmica

• Espaçamento entre componentes de sensibilidade térmica ≥8mm
• Distribuição uniforme das fontes de calor (controlo da diferença de temperatura <15°C)

3.Estratégia de disposição de alta densidade

• Conceção da integridade do sinal

• Isolamento da camada digital/analógica (blindagem intermédia da camada GND)
• Sinais de alta velocidade:
  Controlo de comprimento igual (±50 mil)
  Disposição simétrica dos componentes RF (redução de ruído de 12 dB para módulos 5G)

• Solução de isolamento de alta tensão

• Áreas >50V:
  Espaçamento de segurança de 15 mm
  Isolamento da ranhura com isolamento de 2 mm

4.Soluções de processo avançadas

• Processo de laminação especial

• Estrutura de camada de cobre em sanduíche (camada de cobre incorporada de 1,5 mm)
• Aplicação de material de placa de alta frequência (Rogers 4350B@1GHz+)

• Sistema de verificação

• Simulação térmica (ΔT < 15°C/cm)
• Ensaio de sinal (flutuação da impedância do TDR ≤ 10%)
• Normas DFM (largura/espaçamento da linha ≥ 4 mil)

Nota: Após a aplicação desta solução a um módulo de estação de base 5G, foram obtidos os seguintes resultados:

• Capacidade de transporte de corrente contínua aumentada em 300%
• A taxa de falha térmica diminuiu 82%
• A taxa de conformidade da integridade do sinal atingiu 100%

Para evitar a sobrecarga de PCB, que medidas devem ser tomadas? A prevenção da sobrecarga de PCB requer um controlo colaborativo ao longo de todo o processo de conceção, fabrico e teste.

Plano de proteção contra sobrecarga de PCB

1. Estratégia de proteção na fase de conceção

• Conceção exacta da capacidade de carga atual

• Norma de cálculo da capacidade de carga atual:
  matemática
  I_{max} = K \cdot \Delta T^{0.44} \cdot W^{0.725}
  (K=0,048, ΔT é o aumento de temperatura admissível, W é a largura da linha em mils)
• Esquemas de configuração típicos:
  • Aplicações convencionais: 2OZ de espessura de cobre + 100mil de largura de linha (classe 10A)
  • Esquemas de corrente elevada:4OZ de espessura de cobre + traços de 15mm de dupla face + barramentos de cobre (classe 100A)

• Conceção da integridade da energia

• Matriz de condensadores de desacoplamento:
  • Banda de alta frequência: 0402 Condensador cerâmico de 10nF (ESL < 0,5nH)
  • Banda de média frequência: condensador 0603 100nF
  • Banda de baixa frequência: condensador de tântalo 1206 10μF

• Gestão térmica melhorada

• Especificações da matriz de orifícios de dissipação de calor:
  • Diâmetro do furo: Φ0.3mm
  • Distância central:0,8 mm
  • Disposição em favo de mel (melhoria de 35% na eficiência da dissipação de calor)

2.Processos de fabrico avançados

• Tecnologias de processamento especial

• Processo de elevada capacidade de transporte de corrente:
  • Enchimento de cobre VIPPO (redução de 40% da resistência de contacto)
  • Espessura selectiva de cobre (espessamento de 4OZ em áreas locais)

• Sistema de proteção

• Parâmetros do processo de revestimento de três provas:

3.Sistema de teste e monitorização

• Normas de ensaio de produção

• Itens do teste TIC:
  • Teste de impedância (tolerância de ±5%)
  • Resistência de isolamento (≥100MΩ)
  • Teste de tensão de resistência (500V DC/60s)

• Sistema de monitorização inteligente

• Parâmetros de monitorização em tempo real:
  • Densidade de corrente (≤4A/mm²)
  • Temperatura do ponto de acesso (≤85℃)
  • Espectro de vibração (<5g RMS)

4.Principais especificações de projeto

5.Soluções de elevada fiabilidade

• Proteção de nível militar

• Conceção de laminado simétrico (≤5% de desvio de impedância)
• Embalagem cheia de nitrogénio (teor de oxigénio <100ppm)

• Sistema de aviso de avaria

• Mecanismo de aviso de três níveis:
  Nível 1: Alarme sonoro e visual quando a temperatura ultrapassa os 85°C
  Nível 2: Redução automática da frequência quando a corrente excede o limite
  Nível 3: Proteção por fusível (tempo de ação < 50 ms)

Resumo

Os problemas de sobrecarga de PCB envolvem a degradação do desempenho elétrico, falhas térmicas e riscos de estabilidade do sistema, e devem ser controlados ao longo de todo o processo de conceção, fabrico e teste. Ao utilizar cálculos precisos da capacidade de transporte de corrente (por exemplo, espessura de cobre de 4 oz + largura de traço de 15 mm suportando 100 A), design térmico avançado (matrizes de orifícios de dissipação de calor em favo de mel reduzindo o aumento de temperatura em 35%), controlo rigoroso do processo (enchimento de cobre VIPPO reduzindo a resistência em 40%) e monitorização inteligente (alertas de corrente/temperatura em tempo real), a fiabilidade da PCB pode ser significativamente melhorada.