Kun piirilevyllä on liikaa komponentteja, se voi johtaa ylikuormitukseen, joka voi aiheuttaa haittavaikutuksia, kuten heikentynyttä sähköistä suorituskykyä ja heikentynyttä lämmönsiirtoa. Kun komponentteja on siis paljon PCB-levyMiten voimme määrittää, onko piirilevy ylikuormitettu?
PCB-ylikuormituksen määritysmenetelmät
1.Nykyisten parametrien testaus
- Käytä erittäin tarkkaa pihtimittaria kriittisten piirien toimintavirran mittaamiseen.
- Vertaa suunnitteluparametreihin:
- Tavallisten 1,5 mm²:n johtimien turvallinen nimellisvirta on 16 A (ympäristön lämpötilassa 30 °C).
- 100mil viivan leveys / 1OZ kuparin paksuus on maksimivirta 4.5A (perustuu 10 ° C:n lämpötilan nousun standardiin).
- Määritysperusteet:Jos mitattu virta on ≥80 % suunnitteluarvosta, tarvitaan varoitus.
2.Lämpötilan nousun ominaisuuksien analyysi
- Testausväline: Infrapunalämpökamera (resoluutio ≤ 0,1°C).
- Turvallisuusrajat:
- PVC-eristemateriaali:Johtimen lämpötila ≤ 70°C
- FR-4-alusta:Paikallinen lämpötilan nousu ≤ 20°C (suhteessa ympäristön lämpötilaan).
- Epänormaalit indikaattorit:Eristekerroksen värjäytyminen/pehmeneminen, juotosliitoksen muodonmuutos.
3.Kuormituskapasiteetin todentaminen
- Laskukaava: I = Kx - P / (U - cosφ)
(Kx 0,7-0,8, cosφ suositellaan 0,85:ksi)
- Esimerkkitarkastus:
220V/3500W resistiivisen kuorman virran laskenta ≈ : 15.9A
Vaatii sopivan 2,5 mm²:n johdon (suunnittelumarginaali 20 %).
4.Fyysinen tila Diagnoosi
- Tyypilliset vikaominaisuudet:
- Kuparifolion irtoaminen (leikkausjännitys ylittää rajan)
- Hiiltymisjäljet (paikallinen korkea lämpötila > 300 °C)
- Suojalaitteiden epänormaali toiminta (≥3 laukaisua 24 tunnin aikana).
5. Suunnittelumäärittelyn todentaminen
Avainparametrin vastaavuustaulukko:
| Nykyinen vaatimus | Kuparin paksuusvaatimus | Viivan vähimmäisleveys | Täydentävät toimenpiteet |
|---|
| ＜5A | 1OZ | 20miljoonaa | Yksipuolinen reititys |
| 5-20A | 2OZ | 80miljoonaa | Lisää ikkunoita |
| ＞100A | 4OZ | 15mm | Kuparikiskon tuki |
Aseta etusijalle nopea seulonta virranmittauksen ja lämpötilan seurannan avulla yhdistettynä kuormituslaskentaan ja fyysisen tarkastuksen ristiintarkastukseen. Suuritehoisten piirilevyjen osalta valitse tiukasti viivan leveys ja kuparin paksuus nykyisen kantokykytaulukon mukaisesti varhaisessa suunnitteluvaiheessa ja varaa lämmönpoistoavustus. Mitä seurauksia ylikuormituksella on piirilevylle?
Ylikuormituksen vaikutukset PCB:hen
1.Sähköisen suorituskyvyn kolminkertainen tuhomekanismi
- Impedanssin epävakausvaikutus
Johdon resistanssin merkittävä kasvu: ΔR = ρ - L - (1/S₁ – 1/S₂) (S on poikkipinta-alan muutos).
Tyypillinen tapaus: Virtajohtojen ylikuormitus aiheuttaa ±15 % vaihtelun MCU:n syöttöjännitteessä, mikä käynnistää järjestelmän nollauksen (todelliset mittaustiedot).
- Signaalin eheyden romahtaminen
Suurnopeussignaalin heikkenemismittarit:
Silmien sulkeutuminen > 30 %
Viiveen vinouma ≥ 50 ps
Ristiriita-kohinasuhde > -12 dB
- 3EMI-säteily ylittää standardit
EMI-piikkitasot ylikuormitetuilla linjoilla nousevat 20-35 dBμV/m.
Esimerkki signaalikohinasuhteen heikkenemisestä herkissä piireissä:
Audio ADC:n näytteenottovirheiden määrä kasvaa 0,1 %:sta 3,2 %:iin.
2.Termodynaaminen vikaspektri
- Materiaalivahinkojen kynnysarvot Materiaalityyppi Kriittinen lämpötila Vikaantumistapa FR-4-alusta 130°C Delaminaatio ja halkeilu 1 oz kuparifolio 260°C Sulaminen ja muodonmuutos Lyijy-tinajuotos 183°C Nestemäinen migraatio Juotosmaskin muste 70°C Karbonisoituminen ja kuorinta
- Tyypillinen terminen vikaketju
Ylivirta → Paikallinen lämpötilan nousu > 85 °C → Juotosliitoksen viruminen → Lisääntynyt kosketusresistanssi → Lämpötilan karkaaminen (positiivinen takaisinkytkentä)
3. Järjestelmätason riskimatriisi
- Vikaantumistodennäköisyysjakauma
Tehomoduuli: 68%
Virtaliitäntä: 22%
Signaalijohdot: 10%
- Toissijaisten vaurioiden malli
Lämpösäteilyn vaikutussäde:(P on lämmöntuotantoteho, yksikkö: W).
Tapaus: 10W:n lämmönlähde aiheuttaa ±15% kapasitanssin ajautumisen 3cm:n säteellä MLCC:stä.
PCB-ylikuormitusjärjestelmän ratkaisu (neliulotteinen optimointijärjestelmä)
1.Sähköisen suorituskyvyn parantamisratkaisu
- Nykyinen kantavuus Kapasiteetin lisääminen
- Kuparikerroksen optimointi: 15 mm leveä kaksipuolinen johdotus (100A-tason ratkaisu): 4OZ paksu kupari + 15 mm leveä kaksipuolinen johdotus (100A-tason ratkaisu)
- Tehostetut prosessit:
Ikkunoita avaava tinapinnoitus johtimissa (40 %:n parannus virransiirtokapasiteettiin).
Kuparikiskon apuvirranjako (teollisuuskäyttöön tarkoitettu 200 A:n sovelluskotelo)
- Impedanssinohjaustekniikka
- Tehokerros, jossa on täydellinen kuparitason rakenne (impedanssi < 5mΩ)
- Matrix via array (12mil via ryhmä jakaa 20A virtaa)
2.Älykäs lämmönhallintaratkaisu
- Lämmönpoiston rakenteen suunnittelu
- Korkealämpöiset komponentit (＞5W) kokoonpano:
Pohjan lämmönpoistoreikäklusteri (Φ0.3mm × 50 reikää)
Levyn reuna-asettelu + alumiiniseoksesta valmistettu jäähdytyselementti (60 % lämpötilan pudotus)
- Termisen asettelun tekniset tiedot
- Lämpöherkkä komponenttiväli ≥8mm
- Lämmönlähteiden tasainen jakautuminen (lämpötilaeron säätö <15°C)
3.Tiheän asettelun strategia
- Signaalin eheyden suunnittelu
- Digitaalisen/analogisen kerroksen eristys (GND-välikerroksen suojaus).
- Suurnopeussignaalit:
Tasaisen pituuden säätö (±50 mil)
RF-komponenttien symmetrinen asettelu (12 dB:n kohinan vähennys 5G-moduuleissa).
- Korkean jännitteen eristysratkaisu
- >50V alueet:
15 mm:n turvaväli
2mm eristysrako eristys
4. Kehittyneet prosessiratkaisut
- Erityinen laminaattiprosessi
- Sandwich-kuparikerrosrakenne (1,5 mm upotettu kuparikerros)
- Korkean taajuuden levymateriaalisovellus (Rogers 4350B@1GHz+)
- Lämpösimulointi (ΔT < 15°C/cm)
- Signaalitestaus (TDR-impedanssin vaihtelu ≤ 10 %)
- DFM-standardit (viivan leveys/väli ≥ 4 mil)
| Optimointivaihe | Tärkeimmät tekniset indikaattorit |
|---|
| 1. Nykyisen kapasiteetin perusteet | Kuparin paksuus ≥4OZ + Jäljen leveys ≥15mm |
| 2. Lämmönhallinta | Keskeisten komponenttien lämpötilan alentaminen ≥30 % |
| 3. Signaalin optimointi | Ristiriitojen vähentäminen 12dB |
| 4. Prosessin päivitys | Tuottoasteen paraneminen 27 % |
Huomautus: Kun tätä ratkaisua sovellettiin 5G-tukiasemamoduuliin, saatiin seuraavat tulokset:
- Jatkuva virrankantokyky kasvanut 300 %.
- Lämpöhäiriöiden määrä väheni 82 %
- Signaalin eheyden vaatimustenmukaisuusaste saavutti 100 %
Mitä toimenpiteitä olisi toteutettava PCB-ylikuormituksen estämiseksi? Piirilevyjen ylikuormituksen estäminen edellyttää yhteistoiminnallista valvontaa koko suunnittelu-, valmistus- ja testausprosessin ajan.
PCB-ylikuormitussuojaussuunnitelma
1.Suojelustrategia suunnitteluvaiheessa
- Tarkka nykyinen kantavuuden suunnittelu
- Nykyinen kantokyvyn laskentastandardi:
matematiikka
I_{max} = K \cdot \Delta T^{0.44} \cdot W^{0.725}
(K=0,048, ΔT on sallittu lämpötilan nousu, W on viivan leveys millimetreinä).
- Tyypilliset konfigurointisuunnitelmat:
- Perinteiset sovellukset:(10A luokka): 2OZ kuparin paksuus + 100mil viivan leveys (10A luokka).
- Korkean virran järjestelmät: 15 mm:n kaksipuoliset jäljet + kupariset kiskot (100A luokka): 4OZ kuparin paksuus + kaksipuoliset 15 mm:n jäljet + kupariset kiskot (100A luokka).
- Tehon eheyden suunnittelu
- Kytkentäkondensaattorimatriisi:
- Korkeataajuusalue: 0402 10nF keraaminen kondensaattori (ESL < 0,5nH).
- Keskitaajuusalue: 0603 100nF kondensaattori.
- Matalataajuusalue: 1206 10μF tantaalikondensaattori.
- Parannettu lämmönhallinta
- Lämmönpoiston reikäkokoonpanon tekniset tiedot:
- Reiän halkaisija:Φ0.3mm
- Keskipisteen etäisyys: Keskipisteen etäisyys: 0.8mm
- Hunajakennojärjestely (35 % parannus lämmöntuottotehokkuuteen).
2.Kehittyneet valmistusprosessit
- Erityiset jalostustekniikat
- Suuren virransiirtokyvyn prosessi:
- VIPPO-kuparitäyte (40 % pienempi kosketusresistanssi)
- Valikoiva kuparin paksuus (4OZ paksuuntuminen paikallisilla alueilla)
- Kolmen todisteen pinnoitusprosessin parametrit:
| Pinnoitetyyppi | Paksuus | Lämpötila. Vastus | SuolasumutestiSuunnitteluohjeet: | Tärkeimmät ominaisuudet |
|---|
| Silikoni | 0.1mm | 200°C | 1000 tuntia | Korkea joustavuus, erinomainen kosteudenkestävyys |
| Polyuretaani | 0.15mm | 130°C | 500 tuntia | Erinomainen kulutuskestävyys, hyvä kemiallinen suojaus |
3.Testaus- ja seurantajärjestelmä
- Tuotannon testausstandardit
- Tieto- ja viestintätekniikan testikysymykset:
- Impedanssitesti (±5 % toleranssi)
- Eristysresistanssi (≥100MΩ)
- Jännitteen kestotesti (500V DC/60s)
- Älykäs valvontajärjestelmä
- Reaaliaikaiset seurantaparametrit:
- Virrantiheys (≤4A/mm²)
- Hotspot-lämpötila (≤85 ℃)
- Värähtelyspektri (<5g RMS)
4.Keskeiset suunnittelutiedot
| Nykyinen luokitus | Kuparin paksuus | Min. Jäljen leveys | Maksimi lämpötilan nousu | Suunnittelusuositukset |
|---|
| ≤5A | 1 oz (35μm) | 50 mil (1,27mm) | ≤10°C | Yksikerroksinen reititys |
| 20A | 2 oz (70μm) | 3mm | ≤15°C | Thermal via array |
| 100A+ | 4 oz (140μm) | 15mm | ≤20°C | Kuparikisko nestejäähdytyksellä |
5. Erittäin luotettavat ratkaisut
- Symmetrinen laminaattirakenne (≤5 % impedanssipoikkeama)
- Typpitäytteinen pakkaus (happipitoisuus <100ppm)
- Vikaantumisen varoitusjärjestelmä
- Kolmiportainen varoitusmekanismi:
Taso 1: Ääni- ja visuaalinen hälytys, kun lämpötila ylittää 85 °C.
Taso 2: Automaattinen taajuuden alentaminen, kun virta ylittää raja-arvon.
Taso 3: Sulakesuojaus (toiminta-aika < 50 ms)
Yhteenveto
Piirilevyjen ylikuormitukseen liittyy sähköisen suorituskyvyn heikkenemistä, lämpöhäiriöitä ja järjestelmän vakausriskejä, ja niitä on valvottava koko suunnittelu-, valmistus- ja testausprosessin ajan.Piirilevyjen luotettavuutta voidaan parantaa merkittävästi käyttämällä tarkkoja virransiirtokapasiteettilaskelmia (esim. ， 4 oz kuparin paksuus + 15 mm:n jäljen leveys, joka tukee 100 A:ta), kehittynyttä lämpösuunnittelua (hunajakennomaiset lämmönpoistoreiät, jotka vähentävät lämpötilan nousua 35 %), tiukkaa prosessinohjausta (VIPPO-kuparin täyttö, joka vähentää resistanssia 40 %) ja älykästä seurantaa (reaaliaikaiset virta-/lämpötilahälytykset).