Как много отверстий нужно, чтобы…?

автор Дуглас Г.Брукс (Douglas G. Brooks) | 13.12.2016

Звучит, как начало плохой шутки. Хорошо, вот ответ и это не шутка: Одно! Так и есть. Совершенно не важно, сколько тока вы пустите по дорожке, все что вам нужно – это единственное отверстие.

И очень маленькое. Ок, последнее утверждение может быть не совсем правильным в НЕКОТОРЫХ случаях. Но оно правильное для значительно большего количества случаев, чем вы думаете. И в этой статье я объясню почему.

В течении 2015 я наслаждался очень продуктивным сотрудничеством с доктором Йоханнесом Адамом из Леймена, Германия (Leimen, Germany). В результате этого сотрудничества появилось несколько статей, но одна из них особенно касается данной статьи, «Токи и температуры сквозных отверстий» [2]. В этой статья мы использовали способ симуляции, управление тепловыми рисками (TRM), разработанный доктором Адамом [3], для симуляции тока, идущего через отверстие и затем определяли температуру этого отверстия. Принято считать, что проводящая площадь поперечного сечения отверстия будет такой же (или больше), как площадь поперечного сечения дорожки (проводника). IPC 2152 очевидно подтверждает это [4]: Площадь поперечного сечения отверстия должна иметь по меньшей мере такую же площадь поперечного сечения как и у проводника или быть больше, чем у проводника, входящего в него. Если отверстие имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем проводник, то множество отверстий может быть использовано для поддержки такой же площади, как и у проводника.

Но наши результаты противоречат этому: они предполагают, что температура отверстия контролируется проводником, и пока проводник имеет правильный размер, любого старого (единственного) отверстия было вполне достаточно.

Если когда-либо был результат, который кричал бы «расскажите обо мне», то это был именно он.

Так что я отправился в путь, чтобы создать тестовую плату, протестировать ее и подтвердить результаты симуляции. Это исследование не было бы возможно без помощи многих людей и компаний. Особенно я хочу поблагодарить моего давнего партнера Дэйва Грейвза (теперь вместе с Monsoon Solutions в Бельвю, Вашингтон) за помощь в подготовке финального проекта тестируемой платы.

Рис. 1: Соответствующая часть тестовой платы с отверстиями.

Таблица 1: Итоговые результаты тестирования.

C-Therm Technologies [5] (Фредериксон, Нью Брансвик) великодушно измерили теплопроводность материала платы для облегчения симуляции. Особая благодарность Prototron Circuits [6] (Редмонд, Вашингтон), которые предоставили тестовые платы, а также работу по микроразрезам и измерениям. И мой коллега по тепловым проблемам дорожек Йоханнес Адам продолжает оказывать неоценимую помощь в анализе результатов.

Рис.1 иллюстрирует соответствующую часть тестовой платы. Мы видим две тестовые дорожки 0.5 oz., каждая длиной шесть дюймов, каждая состоит из двух трехдюймовых сегментов (верхний и нижний), соединенных единственным отверстием диаметром 10 мил. Отверстие покрыто металлом до приблизительно одной унции. Одна тестовая дорожка 27 мил шириной, что обеспечивает приблизительно такую же площадь поперечного сечения, как и проводящая площадь отверстия. Другая дорожка 200 мил шириной. Важно отметить, что отверстия идентичны для обеих дорожек.
Контрольный ток был применен к дорожкам (8.55 A на 200 мил дорожку и 6.65 A на 27 ил дорожку), и были измерены температуры вдоль дорожек с помощью термопары. Самая горячая точка на 27 мил дорожке составила 1140C, и она была слева от отверстия. Температура отверстия составила 109oC, что на 4% ХОЛОДНЕЕ, чем дорожка! Самая горячая точка на 200 мил дорожке составила 44.5oC и находилась на отверстии. Температура слева от отверстия составила около 40.5oC (мы экспериментально выяснили, что это максимальная температура дорожки при подобных условиях без отверстий). Важно заметить, что: ток 6,6 А на дорожке 27 мил шириной дал в результате температуру 109oC, а более высокий ток в 8,6 Ампер на большей по ширине дорожке (200 мил) дал в результате более низкую температуру отверстия всего 44.5oC. Это подтверждает, что именно дорожка контролирует температуру отверстия.

Мы хотели провести симуляцию на реальной тестовой плате, так как эта имела измерения, отличные от тех, которые мы гипотетически предполагали в нашей первой статье. Техника симуляции была описана в предыдущих статьях на сайте UltraCAD. Результаты симуляции и сравнение их с эмпирическими результатами теста приведены в Таблице 1. Как можно видеть, результаты симуляции в сравнении с результатами измерений выглядят довольно выгодно. Термальные профили для этих двух симуляций приведены на Рис.2.

Рис. 2: Термальные профили дорожки 27 мил шириной (вверху), проводящей ток 6.65 A, и дорожка шириной 200 мил (внизу) с током 8.55 A.

Два вопроса, которые приходят в голову:

Почему отверстие не нагрелось сильнее?

Ответ заключается в том, что теплопроводность между отверстием и медной дорожкой настолько хороша, что отверстие не может нагреться сильнее, чем дорожка. Любое избыточное тепло уводится от отверстия через дорожку и далее проводится в материал платы – тот же материал, что охлаждает дорожку. Таким образом, если дорожка правильного размера для проведения тока, то отверстие не может стать значительно горячее (может быть менее чем на 10%), чем плата.

Почему отверстие ХОЛОДНЕЕ, чем дорожка в случае с шириной 27 мил?

Так как проводящие площади отверстия и дорожки одинакового размера, можно ожидать, что отверстие и дорожка будут одной температуры. Но отверстие выглядит как внутренний проводник, полностью окруженный материалом платы. Дорожка имеет проводящий материал под собой, а над собой воздух. И плата более эффективно охлаждает дорожку, чем воздух. Именно по этой причине IPC 2152 обнаружил, что внутренние дорожки оказываются более холодными, чем внешние при всех остальных равных параметрах.

Каков же вывод? Вывод в том, что единственного отверстия 10 мил диаметром достаточно для проведения любого количества тока через отверстие при условии, что соответственные дорожки правильного размера. Это имеет важное значение для некоторых разработок, в которых дополнительные каналы трассировки теперь могут быть открыты для прокладки дорожек, которые не были открыты раньше. И учитывая, что отверстия имеют свою стоимость, сокращение их количества в итоге приведет к снижению затрат.

Важно: Здесь предполагается, что проблема касается теплообразования в отверстии. Мы не говорим о повышении напряжения в отверстии, и случаях, когда конкретная схема требует множества отверстий для контроля напряжения. Но мы знаем очень немного разработок, где дополнительные отверстия необходимы для контроля напряжения. Теперь мы занимаемся проблемами высокой скорости, где ключевой темой будет индуктивность отверстия.
PCBDESIGN

Ссылки

1.   Редактор Энди Шонесси отвечает: Ток приходит в бар и садится за столик. Два напряжения сидят у барной стойки. Один поворачивается к другому и говорит: «Сколько отверстий нужно, чтобы отвезти ее домой?» ОК, не вините меня. Вините Энди!
2.   Все статьи, включая эту доступны на www.ultracad.com .
3.   Управление тепловыми рисками (Thermal Risk Management (TRM)) разработано для анализа температур на печатной плате с учетом полной схемы дорожек с опциональным нагревом в джоулях, также как и различных компонентов и их собственного вклада в генерирование тепла. Больше о TRM на www.adam-research.com.
4.   IPC-2152, “Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design,” August, 2009, www.ipc.org, стр. 26.
5.   Контакт: Adam Harris, C-Therm Technologies, 921 College Hill Rd, Fredericton, NB, Canada, E3B 6Z9, www.ctherm.com.
6.   Контакт: Dave Ryder, Prototron Circuits, Inc., 15225 NE 95th St., Redmond, WA 98052, www.prototron.com.

Доктор Дуглас Брукс (Douglas Brooks, Ph.D.), - основатель UltraCAD Design Inc. Он написал множество статей в различных дисциплинах и проводил семинары по целостности сигнала по всему миру. Большую часть карьеры он провел в электронной отрасли в сферах инженерии, маркетинг, менеджмент, а также был руководителем нескольких компаний. Недавно издательство Prentice Hall выпустило его последнюю книгу PCB Currents: How They Flow, How They React. Посетите его сайт www.ultracad.com.

Источник: iconnect007.uberflip.com

Гибкость многослойных керамических конденсаторов. Часть 2

Гибкость многослойных керамических конденсаторов. Часть 1

Как много отверстий нужно, чтобы…?