Cuando hay demasiados componentes en una placa de circuito impreso, se puede producir una sobrecarga, lo que puede causar efectos adversos como un rendimiento eléctrico degradado y una menor disipación del calor. Por eso, cuando hay muchos componentes en una Placa PCB¿Cómo podemos determinar si la placa de circuito impreso está sobrecargada?
Métodos para determinar la sobrecarga de PCB
1. Pruebas de los parámetros actuales
- Utilizar una pinza amperimétrica de alta precisión para medir la corriente de funcionamiento de los circuitos críticos.
- Comparación con los parámetros de diseño:
- Los conductores convencionales de 1,5 mm² tienen una capacidad de corriente segura de 16 A (a una temperatura ambiente de 30 °C).
- La línea de 100mil de ancho/1OZ de grosor de cobre tiene una corriente nominal máxima de 4,5A (basada en un estándar de aumento de temperatura de 10°C)
- Criterios de determinación: Si la corriente medida es ≥80% del valor de diseño, se requiere una advertencia
2.Análisis característico del aumento de temperatura
- Herramienta de prueba:Cámara termográfica de infrarrojos (resolución ≤ 0,1°C).
- Umbrales de seguridad:
- Material aislante de PVC: Temperatura del conductor ≤ 70°C
- Sustrato FR-4:Aumento de la temperatura local ≤ 20°C (respecto a la temperatura ambiente).
- Indicadores anormales:Decoloración/ablandamiento de la capa de aislamiento, deformación de la junta de soldadura.
3.Verificación de la capacidad de carga
- Fórmula de cálculo:I = Kx - P / (U - cosφ)
(Kx tomado como 0,7-0,8, cosφ recomendado como 0,85)
- Ejemplo de verificación:
Cálculo de la corriente de carga resistiva 220V/3500W ≈ : 15.9A
Requiere cable de 2,5 mm² (margen de diseño del 20%)
4.Diagnóstico de la condición física
- Características típicas de los fallos:
- Desprendimiento de la lámina de cobre (el esfuerzo cortante supera el límite)
- Marcas de carbonización (alta temperatura localizada > 300°C)
- Funcionamiento anómalo de los dispositivos de protección (≥3 disparos en 24 horas).
5.Verificación de las especificaciones de diseño
Tabla de correspondencia de parámetros clave:
| Necesidad actual | Espesor de cobre requerido | Anchura mínima de línea | Medidas complementarias |
|---|
| ＜5A | 1OZ | 20 millones | Enrutamiento a una cara |
| 5-20A | 2OZ | 80 millones | Añadir ventanas |
| ＞100A | 4OZ | 15 mm | Asistencia para barras colectoras de cobre |
Dar prioridad a la detección rápida mediante la medición de la corriente y la supervisión de la temperatura, combinadas con el cálculo de la carga y la verificación cruzada de la inspección física. Para las placas de circuito impreso de alta potencia, seleccione estrictamente la anchura de línea y el grosor del cobre según la tabla de capacidad de transporte de corriente en la fase inicial de diseño, y reserve un margen para la disipación del calor. ¿Qué consecuencias tendrá la sobrecarga en la placa de circuito impreso?
Efectos de la sobrecarga en los PCB
1. Triple mecanismo de destrucción del rendimiento eléctrico
- Efecto de inestabilidad de la impedancia
Aumento significativo de la resistencia del hilo: ΔR = ρ - L - (1/S₁ – 1/S₂) (S es la variación de la sección transversal).
Caso típico: La sobrecarga de las líneas de alimentación provoca una fluctuación de ±15% en la tensión de alimentación de la MCU, lo que provoca el reinicio del sistema (datos de medición reales).
- Colapso de la integridad de la señal
Métricas de degradación de señales de alta velocidad:
Cierre del diagrama ocular > 30%.
Sesgo de retardo ≥ 50 ps
Relación diafonía/ruido > -12 dB
- Radiación 3EMI superior a las normas
Los niveles pico de EMI en líneas sobrecargadas aumentan entre 20 y 35 dBμV/m
Ejemplo de degradación de la relación señal/ruido en circuitos sensibles:
La tasa de error de muestreo del ADC de audio pasa del 0,1% al 3,2%.
2.Espectro termodinámico de fallos
- Umbrales de daños materiales Tipo de material Temperatura crítica Modo de fallo Sustrato FR-4 130°C Delaminación y agrietamiento Lámina de cobre de 1 oz 260°C Fusión y deformación Soldadura de plomo-estaño 183°C Migración de líquido Tinta de máscara de soldadura 70°C Carbonización y descascarillado
- Cadena típica de fallos térmicos
Sobrecorriente → Aumento de la temperatura local > 85°C → Fluencia de la unión soldada → Aumento de la resistencia de contacto → Desbocamiento térmico (bucle de retroalimentación positiva).
3.Matriz de riesgos a nivel de sistema
- Distribución de la probabilidad de fallo
Módulo de potencia: 68%
Interfaz de potencia: 22
Líneas de señal: 10%
- Modelo de daños secundarios
Radio de influencia de la radiación térmica: R = 3,5 - √P (P es la potencia de generación de calor, unidad: W).
Caja:Una fuente de calor de 10 W provoca una desviación de la capacitancia de ±15% a 3 cm del MLCC.
Solución del sistema de sobrecarga de PCB (sistema de optimización cuatridimensional)
1. Solución de mejora del rendimiento eléctrico
- Aumento de la capacidad de carga actual
- Optimización de la capa de cobre: Cobre de 4OZ de grosor + cableado de doble cara de 15 mm de ancho (solución de nivel 100A)
- Procesos mejorados:
Estañado de los conductores para abrir ventanas (mejora del 40% de la capacidad de transporte de corriente)
Reparto de corriente auxiliar en barras colectoras de cobre (caso de aplicación industrial de 200 A)
- Tecnología de control de la impedancia
- Capa de potencia con diseño de plano de cobre completo (impedancia < 5mΩ)
- Matriz de vías (grupo de vías de 12 mil que comparten una corriente de 20 A)
2.Solución inteligente de gestión térmica
- Diseño de la estructura de disipación del calor
- Configuración de componentes de alto calentamiento (＞5W):
Grupo de orificios de disipación de calor inferior (Φ0,3 mm×50 orificios).
Disposición del borde de la placa + disipador térmico de aleación de aluminio (60% de caída de temperatura)
- Especificaciones de la disposición térmica
- Distancia entre componentes de sensibilidad térmica ≥8mm
- Distribución uniforme de las fuentes de calor (control de la diferencia de temperatura <15°C)
3.Estrategia de trazado de alta densidad
- Diseño de integridad de la señal
- Aislamiento de la capa digital/analógica (blindaje intermedio de la capa GND)
- Señales de alta velocidad:
Control de igual longitud (±50 mil)
Disposición simétrica de los componentes de RF (reducción de ruido de 12 dB para módulos 5G)
- Solución de aislamiento de alta tensión
- Zonas >50V:
Distancia de seguridad de 15 mm
Aislamiento de ranura aislante de 2 mm
4.Soluciones de proceso avanzadas
- Proceso especial de laminado
- Estructura de capa de cobre sándwich (capa de cobre incrustada de 1,5 mm)
- Aplicación de material para placas de alta frecuencia (Rogers 4350B@1GHz+)
- Simulación térmica (ΔT < 15°C/cm)
- Pruebas de señal (fluctuación de impedancia TDR ≤ 10%)
- Normas DFM (anchura/espaciado de línea ≥ 4 mil)
| Fase de optimización | Principales indicadores técnicos |
|---|
| 1. Fundamentos de la capacidad actual | Espesor del cobre ≥4OZ + Anchura de la traza ≥15mm |
| 2. Gestión térmica | Reducción de la temperatura de los componentes clave ≥30%. |
| 3. Optimización de la señal | Reducción de la diafonía 12 dB |
| 4. Actualización del proceso | Mejora de la tasa de rendimiento en un 27 |
Nota: Tras aplicar esta solución a un módulo de estación base 5G, se obtuvieron los siguientes resultados:
- La capacidad de corriente continua aumenta un 300%.
- La tasa de fallos térmicos disminuyó un 82%.
- El índice de conformidad de la integridad de la señal alcanzó el 100%.
¿Qué medidas deben tomarse para evitar la sobrecarga de las placas de circuito impreso? La prevención de la sobrecarga de las placas de circuito impreso requiere un control colaborativo a lo largo de todo el proceso de diseño, fabricación y ensayo.
Plan de protección contra sobrecargas de PCB
1. Estrategia de protección en la fase de diseño
- Diseño preciso de la capacidad de carga actual
- Norma actual de cálculo de la capacidad de carga:
matemáticas
I_{max} = K \cdot \Delta T^{0.44} \W^{0.725}
(K=0,048, ΔT es el aumento de temperatura admisible, W es el ancho de línea en mils)
- Esquemas típicos de configuración:
- Aplicaciones convencionales: 2OZ de espesor de cobre + 100mil de ancho de línea (clase 10A)
- Esquemas de alta corriente:Espesor de cobre de 4OZ + trazas de doble cara de 15 mm + barras colectoras de cobre (clase 100A)
- Diseño de la integridad de la alimentación
- Matriz de condensadores de desacoplamiento:
- Banda de alta frecuencia: 0402 Condensador cerámico de 10nF (ESL < 0,5nH)
- Banda de frecuencias medias: condensador 0603 100nF
- Banda de baja frecuencia: condensador de tantalio 1206 10μF
- Especificaciones del conjunto de orificios de disipación de calor:
- Diámetro del agujero: Φ0.3mm
- Distancia entre centros:0,8 mm
- Disposición en nido de abeja (mejora del 35% de la eficacia de disipación del calor)
2.Procesos avanzados de fabricación
- Tecnologías de tratamiento especiales
- Proceso de alta capacidad de transporte de corriente:
- Relleno de cobre VIPPO (reducción del 40% de la resistencia de contacto)
- Espesor de cobre selectivo (engrosamiento de 4OZ en zonas locales)
- Parámetros del proceso de revestimiento trifásico:
| Tipo de revestimiento | Espesor | Temp. Resistencia | Prueba de niebla salina | Características principales |
|---|
| Silicona | 0,1 mm | 200°C | 1000 horas | Gran flexibilidad, excelente resistencia a la humedad |
| Poliuretano | 0.15mm | 130°C | 500 horas | Resistencia superior a la abrasión, buena protección química |
3.Sistema de pruebas y control
- Normas de pruebas de producción
- Ítems de la prueba TIC:
- Prueba de impedancia (±5% de tolerancia)
- Resistencia de aislamiento (≥100MΩ)
- Prueba de tensión soportada (500 V CC/60 s)
- Sistema de Monitoreo Inteligente
- Parámetros de monitorización en tiempo real:
- Densidad de corriente (≤4A/mm²)
- Temperatura del punto caliente (≤85℃)
- Espectro de vibraciones (<5g RMS)
4.Especificaciones clave de diseño
| Clasificación actual | Espesor del cobre | Mín. Ancho de traza | Aumento máximo de temperatura | Recomendaciones de diseño |
|---|
| ≤5A | 1 oz (35μm) | 50 mil (1,27 mm) | ≤10°C | Enrutamiento monocapa |
| 20A | 2 oz (70μm) | 3 mm | ≤15°C | Matriz de vías térmicas |
| 100A+ | 4 oz (140μm) | 15 mm | ≤20°C | Barra colectora de cobre con refrigeración líquida |
5.Soluciones de alta fiabilidad
- Protección de grado militar
- Diseño laminar simétrico (≤5% de desviación de impedancia)
- Envases rellenos de nitrógeno (contenido de oxígeno <100ppm)
- Sistema de aviso de avería
- Mecanismo de alerta de tres niveles:
Nivel 1: Alarma acústica y visual cuando la temperatura supera los 85°C
Nivel 2: Reducción automática de la frecuencia cuando la corriente supera el límite
Nivel 3: Protección por fusible (tiempo de acción < 50 ms)
Resumen resumen
Los problemas de sobrecarga de las placas de circuito impreso implican degradación del rendimiento eléctrico, fallos térmicos y riesgos para la estabilidad del sistema, y deben controlarse a lo largo de todo el proceso de diseño, fabricación y pruebas. Mediante el empleo de cálculos precisos de la capacidad de transporte de corriente (por ejemplo, 4 onzas de espesor de cobre + 15 mm de anchura de traza que soportan 100 A), un diseño térmico avanzado (conjuntos de agujeros de disipación de calor en forma de panal que reducen el aumento de temperatura en un 35%), un estricto control del proceso (el relleno de cobre VIPPO reduce la resistencia en un 40%) y una supervisión inteligente (alertas de corriente/temperatura en tiempo real), la fiabilidad de las placas de circuito impreso puede mejorar considerablemente.