Via và khả năng mang dòng điện trên PCB

0
214

Via bao gồm 3 thành phần:

Conductive barrel: Lỗ khoan được mạ dẫn điện

Pad: Phần đồng dẫn điện ở 2 đầu của một lỗ via.

Antipad: Khoảng trống xung quang lỗ via mà không có kết nối dẫn điện của via với các thành phần trace, plane trên một lớp bất kỳ.

https://madpcb.com/wp-content/uploads/2020/11/Via-Antipad.jpg

Cấu trúc của một via, Source: https://madpcb.com/

Công thức tính dòng điện đi qua một vật dẫn:

I = (K) (𝝙T𝜷1) (A𝜷2)

𝝙T là biến thiên nhiệt độ so với nhiệt độ môi trường xung quanh, đơn vị °C

A là diện tích mặt cắt ngang, đơn vị mil vuông.

K là hệ số điều chỉnh, bằng 0.024 với các đường dẫn lớp bên trong và bằng 0.048 với các đường dẫn lớp bên ngoài.

𝛽1 và 𝛽2 lần lượt là 0.44, 0.75

Yếu tố nhiệt độ

Dòng điện sẽ gây ra sự tản nhiệt và dần dần dẫn đến nhiệt độ tăng trong dây dẫn và môi trường xung quanh.

Điện trở suất của vật liệu dẫn điện thay đổi theo nhiệt độ. Nói chung, điện trở suất tiêu chuẩn được đo ở mức 20 độ C. Vì vậy, cứ sau 1 độ thay đổi, điện trở suất thay đổi theo một số giá trị. Bảng dưới đây cung cấp thông tin về điện trở suất của các kim loại khác nhau được tính toán 20 độ C và ứng dụng của chúng.

Vật liệu Điện trở suất ở 20℃ Ứng dụng
Copper (Cu) 1.68✕10^-8 Copper wires, traces, alloys
Gold (Au) 2.44✕10^-8 Vật liệu mạ để bảo vệ copper
Aluminum (Al) 2.65✕10^-8 Aluminum wires, traces, alloys
Silver(Ag) 1.59✕10^-8 Vật liệu mạ, ngăn ngừa ăn mòn và cải thiện điện trở suất.

Yếu tố mặt cắt ngang

Khu vực cắt ngang tỷ lệ thuận với khả năng mang theo dòng điện. Nó có nghĩa là diện tích bề mặt nhiều hơn, tản nhiệt nhiều hơn và khả năng mang theo dòng điện hơn. Hình ảnh dưới đây mô tả mặt cắt ngang của một trace, diện tích cắt ngang = thickness x Width.

https://www.protoexpress.com/wp-content/uploads/2022/02/Trace-cross-section.jpg

Việc tăng độ dày thickness bị giới hạn bởi khả năng sản xuất, do đó cách duy nhất là tăng độ rộng trace để tăng diện tich mặt cắt ngang. Bề mặt của trace hoạt động như một tản nhiệt. Khi thay đổi nhiệt độ đột ngột thì độ dày của trace lớn hơn thi khả năng thay đổi dòng điện nhỏ hơn so với trace mỏng. Trong một số tình huống, ta không thể tăng độ rộng của trace, ta có thể hàn thêm thiếc trên bề mặt của trace.

Tại sao cần tính toán dòng điện trong một via?

Điện trở của via gây ra sự tiêu tán nhiệt, via kích thước lớn có điện trở thấp hơn và ngược lại. Năm 2009, IPC đưa ra tiêu chuẩn IPC-2152 về khả năng mang dòng điện trên PCB.

Các biện pháp để điều chỉnh khả năng mang dòng điện

Chế tạo via

Tenting via: Phủ toàn bộ via bằng mặt lạ hàn Solder Mask, biện pháp nhày bảo vệ via khỏi ăn mòn, ô xi hóa, nguy cơ chạm chập.

tented-vias-in-pcbs-for-current-carrying-capacity.jpg

tenting-of-vias-for-current-carrying-capacity.jpg

Màu xanh lá: Lớp Solder Mask (sơn phủ)

Màu xanh dương: lỗ khoan của via

Màu nâu: Đồng (copper)

Phương pháp điền đầy lỗ via bằng vật liệu dẫn điện hoặc không dẫn điện. Nếu điền đầy bằng vật liệu dẫn điện thì khả năng mang dòng điện của via tăng lên.

via-plugging-for-current-carrying-capacity.jpg

Via được điền đầy bởi Epoxy

via-not-covered.jpg

Via không được phủ solder mask, hole sizes <= 0.5mm

pcb-via-partially-covered.jpg

Via được phủ solder mask một phần, hole sizes > 0.3mm và < 0.5mm

via-fully-covered.jpg

Via được phủ hoàn toàn, hole sizes = 0.3mm

Kết nối tối ưu giữa các lớp

Sử dụng via microvia, via mù, via chôn giúp giảm điện dung ký sing và điện cảm ký sinh. Khi định tuyến nguồn, cần sử dụng nhiều via để giảm ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như giảm điện cảm. Nếu độ dài của via càng ngắn thì càng giảm trở kháng của via, điều này giúp khả năng mang dòng điện của via cao hơn.

vertical-connection-of-pcb-vias.jpg

Công cụ tính toán độ rộng trace – Trace width

Douglas Brook và Johannes Adam “Vias Are Cooler Than We Think” trong ‘Signal Integrity Journal’ đã công bố kết quả thực nghiệm về khả năng mang dòng điện của trace và via khi bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ như sau:

Mô phỏng:

Trace width (mils) Current (A) Trace temperature (℃) Via temperature (℃) Via T/ Trace T
27 4.75 72.8 70.1 96.3
27 6.65 114.2 108.2 94.7
200 4.75 30.8 31.8 103.2
200 8.55 44.8 48.1 107.4

Thực tế:

Trace width (mils) Current(A) Trace temperature (℃) Via temperature (℃) Via T/Trace T
27 4.75 66 64.5 97.7
27 6.65 114 109 95.6
200 4.75 30.5 31.5 103.3
200 8.55 40.5 44.5 109.9

Đối với PCB dòng điện cao, tính toán chiều rộng trace là rất quan trọng. Từ các bảng trên, chúng ta có thể đánh giá khả năng mang dòng điện của một chiều rộng trace cụ thể. Các công cụ tính toán chúng ta có thể tìm được trên internet:

Ví dụ như:

Protoexpress: https://twcalculator.app.protoexpress.com/, các tool khác https://designertools.app.protoexpress.com/

https://www.protoexpress.com/wp-content/uploads/2021/04/image-1-1.png

Source: https://www.protoexpress.com/tools/trace-width-and-current-capacity-calculator/

Via-Current-Capacity-Temperature-Rise-Calculator.jpg

Source: https://www.protoexpress.com/tools/via-current-capacity-temperature-rise-calculator/

Saturn PCB: https://saturnpcb.com/saturn-pcb-toolkit/

https://1.bp.blogspot.com/-UdQB23CXEgI/XO95dY2ntbI/AAAAAAAAE14/TVhJqow4CuskUHJzDmdJV0EUhuVqtz-sACLcBGAs/s1600/Via%2Bcurrent.jpg

Source: https://konaungelectronicdesign.blogspot.com/

Digikey: https://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-pcb-trace-width

4PCB: https://www.4pcb.com/trace-width-calculator.html

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng mang dòng điện của via

Từ các sự kiện đã đề cập ở trên, chúng ta có thể thấy rằng chủ yếu diện tích mặt cắt ngang và nhiệt độ là những yếu tố quyết định khả năng mang dòng điện. Nhưng có những yếu tố khác cũng có thể tác động đến khả năng mang dòng điện.

VIAS được kết nối với trace, nếu trace không đủ rộng, một xung gai dòng điện có thể đốt cháy trace hoặc via. Đó là do hàn không đều làm tăng diện tích mặt cắt ngang trong khi chiều rộng trace vẫn giữ nguyên.

Để tránh các vấn đề dòng điện, các nhà thiết kế nên xem xét có một bảng sạch không (từ các chất bẩn. Các chất bẩn và hạt bụi cũng ảnh hưởng đến khả năng mang dòng điện.

Trong dòng chảy cao, trace cong với góc nhọn có thể có tác động bất lợi đối với việc mang dòng điện. Nó không phải là vấn đề lớn trong truyền tải dòng điện nhỏ.

Vật liệu cơ sở PCB cũng rất quan trọng trong vấn đề này. Một trace có cùng độ dày và chiều rộng nhưng với vật liệu cơ sở khác nhau có thể ảnh hưởng rất nhiều đặc điểm dẫn nhiệt của các vật liệu khác nhau.

Tham khảo: https://www.protoexpress.com/blog/how-to-design-via-with-current-carrying-capacity/

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here