Når der er for mange komponenter på et printkort, kan det føre til overbelastning, hvilket kan have negative konsekvenser som forringet elektrisk ydeevne og nedsat varmeafledning. Så når der er mange komponenter på et PCB boardHvordan kan vi afgøre, om printkortet er overbelastet?
Metoder til bestemmelse af PCB-overbelastning
1.Test af aktuelle parametre
- Brug et højpræcisions-clampmeter til at måle driftsstrømmen i kritiske kredsløb.
- Sammenlign med designparametre:
- Konventionelle 1,5 mm² ledere har en sikker strømstyrke på 16 A (ved en omgivelsestemperatur på 30 °C).
- 100mil linjebredde/1OZ kobbertykkelse har en maksimal strømstyrke på 4,5A (baseret på en temperaturstigningsstandard på 10°C)
- Kriterier for bestemmelse:Hvis den målte strøm er ≥80% af designværdien, er en advarsel påkrævet.
2.Karakteristisk analyse af temperaturstigning
- Testværktøj: Infrarødt varmebillede (opløsning ≤ 0,1 °C)
- Sikkerhedstærskler:
- PVC-isolerende materiale:Ledertemperatur ≤ 70°C
- FR-4-substrat:Lokal temperaturstigning ≤ 20°C (i forhold til omgivelsestemperatur)
- Unormale indikatorer:Misfarvning/opblødning af isoleringslag, deformation af loddeforbindelse
3.Verifikation af belastningskapacitet
- Beregningsformel: I = Kx - P / (U - cosφ)
(Kx taget som 0,7-0,8, cosφ anbefalet som 0,85)
- Eksempel på verifikation:
220V/3500W beregning af resistiv belastningsstrøm ≈ : 15,9A
Kræver matchende 2,5 mm² ledning (designmargin 20%)
4.Diagnose af fysisk tilstand
- Typiske fejlkarakteristika:
- Afskalning af kobberfolie (forskydningsspænding overskrider grænse)
- Karboniseringsmærker (lokal høj temperatur > 300 °C)
- Unormal drift af beskyttelsesanordninger (≥3 udløsninger inden for 24 timer)
5. Verifikation af designspecifikationer
Tabel over matchende nøgleparametre:
| Nuværende krav | Krav til kobbertykkelse | Minimum linjebredde | Supplerende foranstaltninger |
|---|
| ＜5A | 1OZ | 20 millioner | Enkeltsidet routing |
| 5-20A | 2OZ | 80 millioner | Tilføj vinduer |
| ＞100A | 4OZ | 15 mm | Hjælp til kobberskinner |
Prioriter hurtig screening gennem strømmåling + temperaturovervågning kombineret med belastningsberegning og krydsverifikation af fysisk inspektion. For printkort med høj effekt skal du nøje vælge linjebredde og kobbertykkelse i henhold til tabellen over den aktuelle bæreevne i den tidlige designfase og reservere varmeafledningstillæg. Hvilke konsekvenser vil overbelastning have på printkortet?
Effekter af overbelastning på PCB'er
1.Tredobbelt ødelæggelsesmekanisme for elektrisk ydeevne
- Impedans ustabilitetseffekt
Betydelig stigning i trådmodstand: ΔR = ρ - L - (1/S₁ – 1/S₂) (S er ændringen i tværsnitsarealet)
Typisk tilfælde: Overbelastning af elledninger forårsager ±15 % udsving i MCU-forsyningsspænding, hvilket udløser nulstilling af systemet (faktiske måledata)
- Kollaps i signalintegritet
Målinger af signalforringelse ved høj hastighed:
Lukning af øjendiagram > 30%.
Forsinkelsesskævhed ≥ 50 ps
Crosstalk-til-støj-forhold > -12 dB
- 3EMI-stråling overskrider standarderne
EMI-spidsniveauer på overbelastede linjer stiger med 20-35 dBμV/m
Eksempel på forringet signal/støj-forhold i følsomme kredsløb:
Audio ADC sampling error rate stiger fra 0,1 % til 3,2 %.
2.Termodynamisk fejlspektrum
- Tærskelværdier for materielle skader Materialetype Kritisk temperatur Fejltilstand FR-4-substrat 130 °C Delaminering og revner 1 oz kobberfolie 260 °C Smeltning og deformation Bly-tin-loddetin 183 °C Flydende migration Loddemaskeblæk 70 °C Karbonisering og afskalning
- Typisk termisk fejlkæde
Overstrøm → Lokal temperaturstigning > 85 °C → Krybende loddefuge → Øget kontaktmodstand → Termisk løbsk (positiv feedback-loop)
3. Risikomatrix på systemniveau
- Fordeling af fejlsandsynligheder
Strømforsyningsmodul: 68%
Strømgrænseflade: 22%.
Signallinjer: 10%
- Model for sekundær skade
Indflydelsesradius for termisk stråling:R = 3,5 - √P (P er den varmeproducerende effekt, enhed: W)
Tilfælde: En 10W varmekilde forårsager ±15% kapacitansafvigelse inden for 3 cm af MLCC'en.
PCB-overbelastningssystemløsning (firedimensionelt optimeringssystem)
1.Løsning til forbedring af elektrisk ydeevne
- Forbedring af den nuværende bæreevne
- Optimering af kobberlag: 4OZ tykt kobber + 15 mm brede dobbeltsidede ledninger (løsning på 100A-niveau)
- Forbedrede processer:
Vinduesåbnende tinbelægning på ledere (40 % forbedring af den strømførende kapacitet)
Deling af hjælpestrøm på kobbersamleskinne (200A-applikation i industrikvalitet)
- Teknologi til kontrol af impedans
- Effektlag med komplet kobberplan-design (impedans < 5mΩ)
- Matrix via array (12mil via gruppe, der deler 20A strøm)
2.Intelligent løsning til varmestyring
- Design af varmeafledningsstruktur
- Konfiguration af komponenter med høj varme (＞5W):
Klynge af huller til varmeafledning i bunden (Φ0,3 mm × 50 huller)
Board edge-layout + køleplade i aluminiumslegering (60 % temperaturfald)
- Specifikationer for termisk layout
- Komponentafstand for termisk følsomhed ≥8 mm
- Jævn fordeling af varmekilder (kontrol af temperaturforskel <15°C)
3.Strategi for layout med høj densitet
- Design af signalintegritet
- Isolering af digitalt/analogt lag (mellemliggende afskærmning af GND-lag)
- Højhastighedssignaler:
Kontrol af lige længde (±50 mil)
Symmetrisk layout af RF-komponenter (12 dB støjreduktion for 5G-moduler)
- Løsning til højspændingsisolering
- >50V områder:
15 mm sikkerhedsafstand
2 mm isolering af åbninger
4. Avancerede procesløsninger
- Sandwich kobberlag-struktur (1,5 mm indlejret kobberlag)
- Anvendelse af højfrekvente kortmaterialer (Rogers 4350B@1GHz+)
- Termisk simulering (ΔT < 15°C/cm)
- Signaltest (TDR-impedansudsving ≤ 10 %)
- DFM-standarder (linjebredde/afstand ≥ 4 mil)
| Optimeringsfasen | Vigtige tekniske indikatorer |
|---|
| 1. Grundlæggende om nuværende kapacitet | Kobbertykkelse ≥4OZ + Sporbredde ≥15mm |
| 2. Termisk styring | Temperaturreduktion på nøglekomponenter ≥30%. |
| 3. Optimering af signaler | Reduktion af krydstale 12 dB |
| 4. Procesopgradering | Forbedring af udbyttet med 27%. |
Bemærk: Efter at have anvendt denne løsning på et 5G-basestationsmodul blev følgende resultater opnået:
- Kontinuerlig strømførende kapacitet øget med 300%.
- Antallet af termiske fejl faldt med 82%.
- Signalintegritetens overholdelsesgrad nåede 100 %.
Hvilke foranstaltninger skal der træffes for at forhindre overbelastning af printkort? Forebyggelse af PCB-overbelastning kræver fælles kontrol gennem hele design-, fremstillings- og testprocessen.
Plan for beskyttelse mod PCB-overbelastning
1.Beskyttelsesstrategi i designfasen
- Præcist design af nuværende bæreevne
- Nuværende standard for beregning af bæreevne:
matematik
I_{max} = K \cdot \Delta T^{0.44} \cdot W^{0.725}
(K=0,048, ΔT er den tilladte temperaturstigning, W er linjebredden i mils)
- Typiske konfigurationsskemaer:
- Konventionelle anvendelser:2OZ kobbertykkelse + 100mil linjebredde (10A klasse)
- Ordninger med høj strømstyrke: 4OZ kobbertykkelse + dobbeltsidede 15mm spor + kobberskinner (100A klasse)
- Design af strømintegritet
- Afkoblingskondensator-matrix:
- Højfrekvent bånd: 0402 10nF keramisk kondensator (ESL < 0,5nH)
- Mellemfrekvensbånd: 0603 100nF kondensator
- Lavfrekvent bånd: 1206 10μF tantal-kondensator
- Forbedret termisk styring
- Specifikationer for varmeafledningshuller:
- Huldiameter:Φ0,3 mm
- Centerafstand: 0,8 mm
- Honeycomb-arrangement (35 % forbedring af varmeafledningseffektiviteten)
2.Avancerede fremstillingsprocesser
- Særlige forarbejdningsteknologier
- Proces med høj strømkapacitet:
- VIPPO-kobberfyldning (40 % reduktion i kontaktmodstand)
- Selektiv kobbertykkelse (4OZ fortykkelse i lokale områder)
- Procesparametre for tre-bevis belægning:
| Belægningstype | Tykkelse | Temp. Modstand | Salt Spray Test | Vigtige karakteristika |
|---|
| Silikone | 0,1 mm | 200°C | 1000 timer | Høj fleksibilitet, fremragende modstandsdygtighed over for fugt |
| Polyurethan | 0,15 mm | 130°C | 500 timer | Overlegen slidstyrke, god kemisk beskyttelse |
3.Test- og overvågningssystem
- Standarder for produktionstest
- ICT-testelementer:
- Impedanstest (±5% tolerance)
- Isolationsmodstand (≥100MΩ)
- Test af modstandsspænding (500V DC/60s)
- Intelligent overvågningssystem
- Overvågningsparametre i realtid:
- Strømtæthed (≤4A/mm²)
- Hotspot-temperatur (≤85℃)
- Vibrationsspektrum (<5g RMS)
4.Vigtige designspecifikationer
| Nuværende vurdering | Copper Thickness | Min. Sporbredde | Maks. temperaturstigning | Design Recommendations |
|---|
| ≤5A | 1 oz (35μm) | 50 mil (1,27 mm) | ≤10°C | Routing i et enkelt lag |
| 20A | 2 oz (70μm) | 3 mm | ≤15°C | Termisk via array |
| 100A+ | 4 oz (140 μm) | 15 mm | ≤20°C | Kobbersamleskinne med væskekøling |
5. Løsninger med høj pålidelighed
- Beskyttelse af militær kvalitet
- Symmetrisk laminatdesign (≤5 % impedansafvigelse)
- Nitrogenfyldt emballage (iltindhold <100ppm)
- Advarselsmekanisme på tre niveauer:
Niveau 1: Hørbar og visuel alarm, når temperaturen overstiger 85 °C
Niveau 2: Automatisk frekvensreduktion, når strømmen overskrider grænsen
Niveau 3: Sikringsbeskyttelse (handlingstid < 50 ms)
Sammenfatning
PCB-overbelastningsproblemer indebærer risiko for forringelse af den elektriske ydeevne, termisk svigt og systemstabilitet og skal kontrolleres gennem hele design-, fremstillings- og testprocessen.Ved at anvende præcise beregninger af strømførende kapacitet (f.eks. 4 oz kobbertykkelse + 15 mm sporbredde, der understøtter 100 A), avanceret termisk design (honeycomb-varmeafledningshuller, der reducerer temperaturstigningen med 35 %), streng proceskontrol (VIPPO-kobberfyldning, der reducerer modstanden med 40 %) og intelligent overvågning (advarsler om strøm/temperatur i realtid) kan PCB's pålidelighed forbedres betydeligt.