نكتة جانبا ، الموضوع خطير ، خطر الحريق. دعنا نذهب. هذه هي المقالة الثالثة في السلسلة ، حيث تناقش نماذج لتقدير الحد الأقصى الحالي للمسار المطبوع ، والذي يعد في بعض الحالات معلمة محددة عند اختيار سمك الطبقات الموصلة للوحة الدوائر المطبوعة.
قيل في مقال
سابق أن اختيار سمك الطبقات النحاسية للوحة الدائرة المطبوعة يتم تحديده أولاً وقبل كل شيء بالحد الأدنى المطلوب من الخلوص والحد الأدنى للعرض للموصل ، وكذلك الحد الأقصى للتيار المتدفق عبر الموصل. قد تتعارض هذه المعلمات مع بعضها البعض: كلما كانت الطبقة الموصلة أرق ، يمكن الحصول على النمط الطوبولوجي الأصغر ، ولكن كلما صغر حجم التيار الأقصى الذي يمكن أن يتحمله مسار الطباعة (citris paribus ، عرض الموصل ، التردد الحالي ، بالوعة الحرارة ، إلخ). تتسبب الطاقة الحرارية Q الصادرة عن المقاومة الأومية R للمسار المطبوع (Joule heat Q = I
2 Rt ، حيث أنا القوة الحالية ، t هو الوقت) في زيادة درجة حرارته بالنسبة للبيئة ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الموصل نفسه والمكونات ذات الصلة ، أو ، كملاذ أخير ، إلى احتراقها بتيار مقيد (تيار الاندماج الإنجليزي). يعتمد الارتباط بين التيار من خلال مسار الطباعة وزيادة درجة الحرارة على العديد من المعلمات وبشكل عام يصعب تخيله ، ومع ذلك ، هناك صيغ تسمح لنا بإجراء تقديرات أولية.
برايس ، أونديردونك وبروكس
إحدى المحاولات الأولى قام بها WH Pris (WHPreece). حصل على اعتماده التجريبي في تجربة معملية قام فيها بزيادة التيار تدريجيًا من خلال الموصل حتى يتوهج باللون الأحمر. تربط صيغة Pris تيار التوهج بقطر الموصل d لمختلف المواد:
حيث K هو ثابت جدولي يساوي 80 تقريبًا للنحاس. باستخدام نسبة مساحة الدائرة ، يمكننا إعادة كتابة هذه الصيغة لحالة موصل نحاسي بمساحة مستعرضة S:
في تجربة Pris ، تم تعليق الموصل في الهواء ، على عكس الموصل الموجود على لوحة الدوائر المطبوعة ، حيث تختلف ظروف امتصاص الحرارة تمامًا. الأقرب هي ظروف امتصاص الحرارة لحالات موصل موصل واحد ، وكذلك لبعض حالات لحام الأسلاك الصغيرة (عندما لا يتم استخدام المركب لحمايته) ، حيث يمكن أن تعطي هذه الصيغة تقديرًا جيدًا للتيار المحدد.
عادة ما تعتبر الزيادة المقبولة في درجة حرارة مسار الطباعة 10-30 درجة مئوية. قد تكون هذه القيمة أكبر اعتمادًا على معلمات المشروع ، ومع ذلك ، على مدى النطاق الكامل لدرجات حرارة تشغيل المنتج ، يجب أن تكون درجة حرارة المسار أقل من درجة حرارة التزجج لمواد لوحة الدوائر المطبوعة (درجة حرارة التزجج الإنجليزية ، T
g ) ، وأكثر من ذلك ، درجة حرارة توهج النحاس. لذلك ، فإن اعتماد زيادة درجة الحرارة ∆T على التيار I للمسار المطبوع للعرض w وسمك الرقاقة h ، مفيد من قبل Brooks في [1] ، مفيد:
حيث C ، α ، β ، γ هي ثوابت ، يتم إعطاء قيمها للطبقات الخارجية والداخلية في الجدول 1. يجب أن يوضع في الاعتبار أنه على الطبقات الخارجية يكون سمك الرقاقة عادة 20-40 ميكرون أكبر من القيمة الأساسية بسبب الرش الإضافي عند إنشاء الانتقال ثقوب. أيضا ، يمكن أن يكون تأثير التشطيب على الألواح بدون قناع كبيرًا. يستخدم هذا في أجهزة الطاقة ، عندما يتم لحام لحام إضافي للمسار المطبوع المفتوح من القناع.
صيغة أخرى معروفة لحساب القدرة الاستيعابية الحالية للموصل هي صيغة Onderdonk (الإنجليزية IMOnderdonk) ، والتي تحتوي على معلمة مهمة مثل الوقت. إنها تتعلق بالوقت t لمرور التيار I من خلال موصل نحاسي مع مقطع عرضي S وزيادة درجة الحرارة ∆T نسبة إلى درجة الحرارة الأولية T
0 :
نظرًا لأنه في اشتقاق الصيغة [2] ، يتم استبعاد أي إزالة للحرارة ، في حالة مسار الطباعة ، تنطبق هذه الصيغة على نبضة تيار قصير تستمر حتى 1-2 ثانية. مع زيادة الوقت وتأثير إزالة الحرارة ، تقل دقة التقدير ، مما يقلل بشكل كبير من التيار المحدد. يتم عرض الرسوم البيانية التبعية للصيغ الثلاثة المذكورة أعلاه لمعلمات متنوعة لمسار الطباعة في الشكلين 1 و 2.
من المهم دائمًا مراعاة الشروط التجريبية أو الافتراضات التحليلية في الاشتقاق من أجل فهم حدود قابلية تطبيق صيغة معينة. لن تعطي أي من الصيغ أعلاه علاقة دقيقة ومثالية بين التيار المحدود والمقطع العرضي المطلوب من الموصل للتطبيقات الحقيقية. وينطبق الشيء نفسه على الآلات الحاسبة البسيطة التي يمكن العثور عليها على الإنترنت (
على سبيل المثال ) ، لأنها تستند إلى هذه الصيغ أو صيغ مماثلة. لا يمكن مراعاة تأثير الموصلات والمكونات المجاورة كمصادر ومستقبلات للحرارة والإشعاع والتبريد النشط أو السلبي إلا أثناء النمذجة الكهروحرارية في أنظمة CAD المتخصصة (مثل الإيقاع ، ANSYS وغيرها). ومع ذلك ، حتى في هذه الحالة ، قد تختلف نتائج النمذجة والتجربة بشكل كبير. والحقيقة هي أن مسار الطباعة لا يحتوي على مقطع مستطيل ، ولكنه قريب من شبه المنحرف (الشكل 3) ، ولا يمكن أن يختلف عرضه وقيمته الموصلية لرقائق النحاس فقط عن تلك المحسوبة بواسطة النموذج ، ولكن أيضًا يحتوي على بعض مبعثر من عينة إلى عينة ، دفعة إلى دفعة ، الشركة المصنعة إلى الشركة المصنعة ، إلخ. يزداد تأثير انحرافات العرض مع انخفاضه. ومع ذلك ، فإن النتائج المحسوبة بالصيغ والتوصيات للمعايير تمثل في الغالب أسوأ الحالات ، وبالتالي توفر هامش أمان للنظام. إذا كان المطور بحاجة إلى تحسين النسبة بين التيار المقيد والمقطع العرضي المطلوب للمسار المطبوع ، فمن الضروري الانتقال إلى هذا الهدف من خلال الطريقة التكرارية للنمذجة والتجربة.
تأثير الجلد
تقلل الزيادة في المقطع العرضي للمسار المطبوع بشكل نسبي من مقاومته الأومية لكل وحدة الطول ، مما يقلل من فقد الحرارة أثناء تدفق التيار المباشر. الوضع مع التيار المتناوب ليس بهذه البساطة بسبب وجود تأثير جلدي (تأثير الجلد الإنجليزي) ، مما يؤدي إلى حقيقة أن كثافة التيار المتناوب يتم توزيعها بشكل غير متساو على المقطع العرضي للموصل ، وينخفض بشكل كبير إلى الصفر من سطح الموصل إلى المركز. من أجل راحة العمليات الحسابية ، يتم استخدام مفهوم القسم الفعال للموصل مع العمق الذي تحدده النسبة:
حيث f هو التردد الحالي ، σ هو التوصيل المعدني ، μ هو النفاذية المغناطيسية. على عمق يساوي δ ، تصبح الكثافة الحالية أقل بمرات ه من الكثافة الحالية على السطح J
S. رياضيا ، يمكن إظهار المساواة التقريبية التالية للكثافة الحالية J (x ، y) في الموصل:
أي ، للحسابات التقريبية ، يمكننا أن نفترض أن التيار يتدفق فقط في الطبقة الحدودية للموصل المحيط l من العمق and ، مع توزيع موحد (الشكل 4).
في إطار هذا النموذج المبسط ، إذا كان عمق الطبقة السطحية أقل من نصف سمك مسار الطباعة ، فسيتم تحديد مقاومة مسار الطباعة بتردد معين من خلال هذا القسم الفعال ، مما يؤدي إلى زيادة في المقاومة الأومية وانخفاض طفيف في الحث. في الشكل. يوضح الشكل 5 اعتماد عمق الطبقة السطحية على تردد التيار ، مع مراعاة انتشار الموصلية النحاسية في الموصلية. يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للطبقات النحاسية التي يبلغ سمكها 18 ميكرومتر ، فإن تردد القطع (الذي يلعب فوقه تأثير الجلد دورًا) يقع في منطقة 50-70 ميجاهرتز ، وبالنسبة للطبقات التي يبلغ سمكها 35 ميكرومتر يكون في منطقة 15-20 ميجاهرتز. لاحظ أنه عند الترددات فوق MHz 100 يختلف عمق تأثير الجلد قليلاً ، وهذا يسمح لنا بتجاهل اعتماده على التردد في حسابات الإشارات عالية التردد.
عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة مع تيارات ثابتة للعديد من الأمبيرات ، من الضروري إجراء حسابات حرارية لكل من المكونات الكهربائية والموصلات. تتيح لنا النماذج والعلاقات التحليلية المقدمة تقدير الحد الأقصى الحالي للمسارات المطبوعة ، وعلى أساسها ، تحديد السماكة اللازمة لطبقات النحاس وطبولوجيا الموصلات. للحصول على الحل الدقيق ، من الضروري استخدام أنظمة CAD المتخصصة ، في حين أنه من المستحسن تحديد الهندسة مع مراعاة أخطاء التصنيع وبيانات التوصيل النحاسي الواردة من الشركة المصنعة لألواح الدوائر المطبوعة. أوصي بشدة بقراءة
مقالات D. Brooks المخصصة للتحليل التفصيلي لطرق تقدير درجة حرارة الموصلات المطبوعة ، والتي توفر نتائج مرئية لمجالات درجة حرارة النمذجة.
الأدب
[1] Brooks DG، Adam J. "التيارات النزرة ودرجات الحرارة التي تمت مراجعتها" ، UltraCAD ، 2015.
[2] Adam J.، Brooks DG، "In Search For Preece and Onderdonk،" UltraCAD، 2015.
نُشر المقال لأول مرة في دورية Components and Technologies 2018، No. 1. تم الاتفاق على النشر على Geektimes مع محرري المجلة.