Un numero eccessivo di componenti su un PCB può causare un sovraccarico?

La presenza di un numero eccessivo di componenti su un circuito stampato può portare a un sovraccarico, con conseguenti effetti negativi quali il degrado delle prestazioni elettriche e la riduzione della dissipazione del calore. Pertanto, quando ci sono molti componenti su un Tabella PCBCome possiamo determinare se il PCB è sovraccarico?

Metodi per determinare il sovraccarico dei PCB

1. Test dei parametri di corrente

• Usare una pinza amperometrica di alta precisione per misurare la corrente di funzionamento dei circuiti critici.
• Confronto con i parametri di progetto:
  - I conduttori convenzionali da 1,5 mm² hanno una corrente nominale di sicurezza di 16 A (a una temperatura ambiente di 30°C).
  - La larghezza della linea di 100mil e lo spessore del rame di 1OZ hanno una corrente massima di 4,5A (basata su un aumento di temperatura di 10°C).
• Criteri di determinazione: Se la corrente misurata è ≥80% del valore di progetto, è necessaria una segnalazione.

2.Analisi della caratteristica di aumento della temperatura

• Strumento di prova:Termocamera a infrarossi (risoluzione ≤ 0,1°C)
• Soglie di sicurezza:
  - Materiale isolante in PVC: Temperatura del conduttore ≤ 70°C
  - Substrato FR-4:Aumento della temperatura locale ≤ 20°C (rispetto alla temperatura ambiente)
• Indicatori anomali:Scolorimento/ammorbidimento dello strato isolante, deformazione del giunto di saldatura

3.Verifica della capacità di carico

• Formula di calcolo:I = Kx - P / (U - cosφ)
  (Kx preso come 0,7-0,8, cosφ consigliato come 0,85)
• Esempio di verifica:
  220V/3500W calcolo della corrente di carico resistivo ≈ : 15,9A
  Richiede un filo da 2,5 mm² adatto (margine di progettazione 20%)

4.Diagnosi delle condizioni fisiche

• Caratteristiche tipiche del guasto:
  - Spellatura del foglio di rame (sollecitazione di taglio superiore al limite)
  - Segni di carbonizzazione (alta temperatura localizzata > 300°C)
  - Funzionamento anomalo dei dispositivi di protezione (≥3 interventi in 24 ore)

5.Verifica delle specifiche di progetto

Tabella di corrispondenza dei parametri chiave:

Privilegiare uno screening rapido attraverso la misurazione della corrente e il monitoraggio della temperatura, in combinazione con il calcolo del carico e la verifica incrociata dell'ispezione fisica. Per i PCB ad alta potenza, selezionare rigorosamente la larghezza delle linee e lo spessore del rame in base alla tabella della capacità di trasporto della corrente nella fase iniziale di progettazione e riservare una quota di dissipazione del calore. Quali conseguenze avrà il sovraccarico sulla scheda PCB?

Effetti del sovraccarico sui PCB

1. Meccanismo di triplice distruzione delle prestazioni elettriche

1. Effetto di instabilità dell'impedenza
   Aumento significativo della resistenza del filo: ΔR = ρ - L - (1/S₁ – 1/S₂) (S è la variazione dell'area della sezione trasversale)
   Caso tipico: Il sovraccarico delle linee elettriche provoca una fluttuazione del ±15% della tensione di alimentazione dell'MCU, innescando il reset del sistema (dati di misura effettivi)
2. Crollo dell'integrità del segnale
   Metriche di degrado del segnale ad alta velocità:
   Chiusura del diagramma oculare > 30%
   Ritardo skew ≥ 50 ps
   Rapporto crosstalk-to-noise > -12 dB
3. Radiazioni 3EMI superiori agli standard
   I livelli di picco EMI sulle linee sovraccariche aumentano di 20-35 dBμV/m
   Esempio di degrado del rapporto segnale/rumore nei circuiti sensibili:
   Il tasso di errore di campionamento dell'ADC audio passa dallo 0,1% al 3,2%.

2.Spettro di rottura termodinamico

1. Soglie di danno materiale Tipo di materiale Temperatura critica Modalità di guasto Substrato FR-4 130°C Delaminazione e fessurazione Foglio di rame da 1 oz 260°C Fusione e deformazione Saldatura al piombo-stagno 183°C Migrazione di liquidi Inchiostro della maschera di saldatura 70°C Carbonizzazione e distacco
2. Tipica catena di guasti termici
   Sovracorrente → Aumento della temperatura locale > 85°C → Scorrimento del giunto a saldare → Aumento della resistenza di contatto → Fuga termica (ciclo di feedback positivo)

3.Matrice dei rischi a livello di sistema

1. Distribuzione della probabilità di guasto
   Modulo di alimentazione: 68%
   Interfaccia di alimentazione: 22%.
   Linee di segnale: 10%
2. Modello di danno secondario
   Raggio di influenza della radiazione termica: R = 3,5 - √P (P è la potenza di generazione del calore, unità: W)
   Caso:Una fonte di calore da 10W causa una deriva della capacità del ±15% entro 3 cm dall'MLCC.

Soluzione di sistema per il sovraccarico dei PCB (sistema di ottimizzazione a quattro dimensioni)

1. Soluzione per il miglioramento delle prestazioni elettriche

• Capacità di carico attuale Potenziamento

• Ottimizzazione dello strato di rame: Rame spesso 4OZ + cablaggio bifacciale largo 15 mm (soluzione di livello 100A)
• Processi migliorati:
  Stagnatura a finestra sui conduttori (miglioramento del 40% della capacità di trasporto della corrente)
  Ripartizione della corrente ausiliaria su sbarre in rame (caso di applicazione industriale da 200 A)

• Tecnologia di controllo dell'impedenza

• Strato di potenza con design completo del piano di rame (impedenza < 5mΩ)
• Matrice via array (gruppo di 12mil via che condividono una corrente di 20A)

2.Soluzione di gestione termica intelligente

• Design della struttura di dissipazione del calore

• Configurazione dei componenti ad alto calore (＞5W):
  Gruppo di fori di dissipazione del calore inferiore (Φ0,3 mm×50 fori)
  Disposizione dei bordi della scheda + dissipatore di calore in lega di alluminio (riduzione della temperatura del 60%)

• Specifiche del layout termico

• Sensibilità termica Distanza tra i componenti ≥8 mm
• Distribuzione uniforme delle fonti di calore (controllo della differenza di temperatura <15°C)

3.Strategia di layout ad alta densità

• Progettazione dell'integrità del segnale

• Isolamento dello strato digitale/analogico (schermatura intermedia dello strato GND)
• Segnali ad alta velocità:
  Controllo di lunghezza uguale (±50 mil)
  Layout simmetrico dei componenti RF (riduzione del rumore di 12 dB per i moduli 5G)

• Soluzione di isolamento ad alta tensione

• Aree >50V:
  Distanza di sicurezza di 15 mm
  Isolamento delle fessure da 2 mm

4.Soluzioni di processo avanzate

• Speciale processo di laminazione

• Struttura a sandwich di rame (strato di rame incorporato di 1,5 mm)
• Applicazione di materiale per schede ad alta frequenza (Rogers 4350B@1GHz+)

• Sistema di verifica

• Simulazione termica (ΔT < 15°C/cm)
• Test del segnale (fluttuazione dell'impedenza TDR ≤ 10%)
• Standard DFM (larghezza/spazio delle linee ≥ 4 mil)

Nota: dopo aver applicato questa soluzione a un modulo di stazione base 5G, sono stati ottenuti i seguenti risultati:

• La capacità di trasporto di corrente continua è aumentata del 300%.
• Il tasso di guasti termici è diminuito dell'82%
• Il tasso di conformità dell'integrità del segnale ha raggiunto il 100%.

Per prevenire il sovraccarico dei PCB, quali sono le misure da adottare? La prevenzione del sovraccarico dei PCB richiede un controllo collaborativo durante l'intero processo di progettazione, produzione e collaudo.

Piano di protezione dai sovraccarichi dei PCB

1. Strategia di protezione in fase di progettazione

• Progettazione precisa della capacità di carico attuale

• Standard di calcolo della capacità di carico attuale:
  matematica
  I_{max} = K \cdot \Delta T^{0,44} \cdot W^{0,725}
  (K=0,048, ΔT è l'aumento di temperatura consentito, W è la larghezza della linea in mils)
• Schemi di configurazione tipici:
  • Applicazioni convenzionali: Spessore rame 2OZ + larghezza linea 100mil (classe 10A)
  • Schemi ad alta corrente:Spessore del rame 4OZ + tracce bifacciali da 15 mm + sbarre in rame (classe 100A)

• Progettazione dell'integrità di potenza

• Matrice di condensatori di disaccoppiamento:
  • Banda ad alta frequenza: 0402 condensatore ceramico da 10nF (ESL < 0,5nH)
  • Banda a media frequenza: condensatore 0603 100nF
  • Banda a bassa frequenza: condensatore al tantalio 1206 10μF

• Gestione termica avanzata

• Specifiche dei fori di dissipazione del calore:
  • Diametro del foro: Φ0,3 mm
  • Distanza dal centro:0,8 mm
  • Disposizione a nido d'ape (miglioramento del 35% dell'efficienza di dissipazione del calore)

2.Processi di produzione avanzati

• Tecnologie di lavorazione speciali

• Processo ad alta capacità di trasporto di corrente:
  • Riempimento in rame VIPPO (riduzione del 40% della resistenza di contatto)
  • Spessore selettivo del rame (ispessimento di 4OZ in aree locali)

• Sistema di protezione

• Parametri del processo di rivestimento a tre prove:

3.Sistema di test e monitoraggio

• Standard dei test di produzione

• Voci del test TIC:
  • Test di impedenza (tolleranza ±5%)
  • Resistenza di isolamento (≥100MΩ)
  • Test di resistenza alla tensione (500V CC/60s)

• Sistema di monitoraggio intelligente

• Parametri di monitoraggio in tempo reale:
  • Densità di corrente (≤4A/mm²)
  • Temperatura del punto caldo (≤85℃)
  • Spettro di vibrazione (<5g RMS)

4.Specifiche principali di progettazione

5.Soluzioni ad alta affidabilità

• Protezione di livello militare

• Design simmetrico del laminato (deviazione dell'impedenza ≤5%)
• Imballaggio riempito di azoto (contenuto di ossigeno <100ppm)

• Sistema di segnalazione dei guasti

• Meccanismo di avviso a tre livelli:
  Livello 1: allarme acustico e visivo quando la temperatura supera gli 85°C
  Livello 2: riduzione automatica della frequenza quando la corrente supera il limite
  Livello 3: protezione con fusibile (tempo di azione < 50 ms)

sintesi

I problemi di sovraccarico dei PCB comportano un degrado delle prestazioni elettriche, guasti termici e rischi per la stabilità del sistema e devono essere controllati durante l'intero processo di progettazione, produzione e collaudo. Utilizzando calcoli precisi della capacità di trasporto della corrente (ad esempio, spessore del rame di 4 oz + larghezza della traccia di 15 mm che supporta 100 A), una progettazione termica avanzata (array di fori di dissipazione del calore a nido d'ape che riducono l'aumento della temperatura del 35%), un controllo rigoroso del processo (riempimento in rame VIPPO che riduce la resistenza del 40%) e un monitoraggio intelligente (avvisi di corrente/temperatura in tempo reale), l'affidabilità dei PCB può essere notevolmente migliorata.