قسمت بیست و یکم: پهنای ترک ها در طراحی PCB

در قسمت قبلی ابزار Via Shielding را معرفی کردیم و آن را در آلتیوم دیزاینر بررسی کردیم، در این قسمت به بررسی پهنای ترک ها در طراحی PCB می‌پردازیم.

چرا پهنای ترک در طراحی PCB مهم است؟!

اگر جریان زیادی از یک ترک عبور دهیم در حالی‌که آن ترک ظرفیت تحمل آن جریان را نداشته باشد، ترک بیش‌ازاندازه گرم و داغ می‌شود و احتمال دارد پاره شود. هم‌چنین خطر آتش‌سوزی برد به خاطر گرمای ایجادشده هم وجود دارد. اینجاست که متوجه می‌شویم باید در طراحی‌هایمان به پهنای ترک‌ها توجه بیشتری کنیم.
در این مقاله قصد داریم به راه‌حلی برای این سؤال که خب پهنای ترک‌ها چقدر باشد؟ بپردازیم. پس با این آموزش از سیسوگ همراه شوید.

پهنای ترک ها در طراحی PCB

مقاومت اهمی ترک

مقاومت ترک روی برد طبق فرمول زیر محاسبه می‌شود:

𝑅 = 𝜌 × [𝐿 / (𝑊 × 𝑇 )] ×[1 + 𝛼 × (𝑇𝑎𝑚𝑏−25℃)]

𝑅 = Trace Resistance

𝜌 = Resistivity of (PCB trace material)

𝐿 = Trace Length

𝑊 = Trace Width

𝑇 = Trace Thickness (or Trace Height)

𝛼 = Temperature Coefficient of Copper at 20℃

𝑇𝑎𝑚𝑏 = Ambient Temperature [℃] of the environment in which the PCB trace is operating.

مقاومت اهمی ترک

ظرفیت جریان عبوری از ترک

بیشترین مقدار جریانی هست که بدون آسیب رساندن به هیچ یک از قطعات الکترونیکی روی برد می تواند از ترک عبور کند و طبق فرمول زیر به دست می آید.
طبق فرمول از جمله پارامترهایی که در این جریان موثر هستند سطح مقطع عبور جریان و temperature rise هستند.

Imax = (k · Triseb) · Ac

Imax = the maximum current [A]

Trise = the maximum desired temperature rise [°C]

A = the cross-section area [mils2]

k, b and c are constants

استفاده از نرم افزار

در قسمت هجدهم نرم‌افزار Saturn PCB Toolkit را معرفی کردیم. در این مقاله هم می‌خواهیم با استفاده از این نرم‌افزار پهنای مناسب برای ترک ها در طراحی PCB را محاسبه کنیم به این صورت که مشخصات ترک را وارد می‌کنیم، نرم‌افزار ظرفیت جریان عبوری از آن را محاسبه می‌کند. پس با تغییر پهنای ترک در نرم‌افزار، می‌توانیم به میزان جریانی که نیاز داریم از ترک عبور کند برسیم.

پهنای ترک ها در طراحی PCB

Conductor Width همان پهنای ترک هست که خب هرچه بزرگ‌تر باشد سطح مقطع عبور جریان بیشتر شده و درنتیجه مقاومت مسیر کمتر و ظرفیت جریان عبوری از ترک بیشتر می‌شود.
Copper Thickness که منظور ضخامت مس هست و در اینجا برابر با مجموع دو مقدار Base Copper Weight و Plating Thickness می‌شود.
منظور از Base Copper Weight ضخامت مس در فیبر خام اولیه که دو طرفش با فویل مسی پوشانده شده هست که برابر با 0.5oz یا 18 میکرومتر هست.
Plating Thickness ضخامت مسی را که بعد از هر مرحله آبکاری اضافه می‌شود بیان می‌کند که این مقدار هم برابر با 0.5oz است.
مجموع این دو برابر با 1oz می‌شود که معمولاً استاندارد چاپ کننده‌های برد مدار چاپی برای ضخامت مس همین یک انس هست.

Temp Rise پارامتری هست که بر اساس محدودیت های ما تعیین می شود.
مثلا فرض کنید ما یک دستگاهی داریم که خود دستگاه در دمای 50 درجه کار می کند و قطعه ای که روی دستگاه ما قرار دارد حین کارکرد 20 درجه افزایش دما پیدا می کند و دمایش به 70 درجه می رسد هم چنین ماکزیمم دمایی که قطعه ما می تواند به درستی کار کند طبق دیتاشیت 80 درجه هست خب در این جا عدد temp rise برای محاسبه پهنای مسی که مثلا از زیر قطعه ما عبور می کند و جریان را عبور میدهد 10 درجه است. اگر پهنای ترک مناسب نباشد در اثر عبور جریان زیاد و تلفات اهمی و گرمایی که ایجاد می شود باعث افزایش دمای قطعه و رسیدن به دمای بحرانی خودش و نهایتا سوختن آن می شود. یا مثلا در طراحی برد های power که ما به دنبال بازدهی بالا هستیم این عدد حیاتی می شود چون برای بازدهی بالا ما باید تلفات اهمی را کاهش دهیم که خب برای این کار پهنای ترک ها و ضخامت آن ها را زیاد می کنیم که مقاومت کاهش پیدا کند و در این موارد عدد temp rise را مقدار کمی در نظر می گیریم چون هر چه این عدد بزرگ تر باشد یعنی گفتیم که این ترک می تواند بیشتر گرم شود و افزایش دمای بیشتری داشته باشه و خب میدانیم که گرم شدن مس به علت همان تلفات اهمی هست پس وقتی این عدد مقدار کمتری است یعنی گفتیم این مس اجازه افزایش دما بیشتر از مثلا 5 درجه را ندارد که خب برای این منظور باید تلفات اهمی و مقاومت مس کاهش پیدا کند پس پهنای ترک مقدار بزرگتری می شود.
PCB Thickness همان ضخامت برد هست که هرچه مقدار کمتری باشد ظرفیت جریان عبوری از ترک کمتر می‌شود چون وقتی ضخامت PCB را کم کنیم مثل این هست که فرصت خنک شدن ترک از طریق گردش هوا را ازش گرفتیم و اون رو مجبور کردیم که از طریق دی‌الکتریک خنک شود.
حالا اگر در لایه زیرین ترک یک صفحه مسی مثلاً پلیگان زمین قرار داشته باشد آن صفحه مثل هیت سینک برای ترک عمل می‌کند و در این حالت ظرفیت جریان عبوری از ترک بیشتر می‌شود.

با استفاده از همین نرم‌افزار می‌توان با واردکردن طول ترک (پارامتر Conductor Length) مقاومت ترک و هم‌چنین افت ولتاژ ناشی از عبور ماکزیمم جریان از آن را به‌دست آورد.
هم‌چنین با انتخاب Internal Layer می‌توان محاسبات بالا را برای ترک‌هایی که در لایه‌های داخلی قرار دارند، انجام داد.

ضخامت مس (PCB Thickness)

در صنعت برد مدار چاپی، رایج‌ترین روش برای بیان ضخامت مس روی PCB برحسب انس (oz) است. می‌دانیم که انس واحد وزن ایمپریال هست و این سؤال پیش می‌آید که چرا برای بیان ضخامت از واحد وزن استفاده می‌شود؟!
جواب اینجاست که اگر یک انس مس را روی یک سطح به مساحت یک فوت مربع بریزند به‌طوری‌که کل سطح را به‌طور یکنواخت بپوشاند ضخامت حاصل برابر 1.37mils می‌شود که معادل 35 میکرومتر و همان 1oz هست.

هرچه ضخامت مس بیشتر شود سطح مقطع عبور جریان بیشتر شده، مقاومت کمتر شده و درنتیجه ظرفیت عبور جریان بیش‌تر می‌شود.

یک راه‌حل منطقی که اکثراً دربردهای power دیده‌ایم این هست که برای افزایش ضخامت ترک، روی آن را با چاپ سبز نمی‌پوشانند و آن را قلع اندود می‌کنند.

مزیت های این راهکار:

اگر بخواهیم برای افزایش ضخامت مس تعداد دفعات مراحل آبکاری بیش‌تر شود، هزینه چاپ برد بیشتر می‌شود. با این راهکار می‌توانیم خودمان ضخامت ترک را زیاد کنیم.
زمانی که می‌خواهیم ظرفیت جریان عبوری از یک ترک را افزایش دهیم ولی امکان افزایش پهنای ترک برایمان وجود ندارد چون مثلاً فضای کافی روی برد نداریم، می‌توانیم با این روش ضخامت ترک را زیاد کنیم. همان‌طور که گفتیم درنتیجه این کار هم، ظرفیت جریان عبوری بیشتر می‌شود.

پهنای ترک ها در طراحی PCB