Relês térmicos de cobre pesado: a batalha entre amperes e solda

Você passa semanas no layout. O esquemático está verificado, os DRCs no Altium estão limpos, e os planos de energia são enormes lajes de cobre 3oz projetadas para suportar 100 amperes sem suar. Na tela, parece uma obra-prima de roteamento de baixa impedância. As redes estão totalmente conectadas, os fios de ar desapareceram, e a simulação mostra um belo caminho azul frio para sua corrente.

Depois que as placas voltam da fábrica, elas são tijolos.

Conectores se soltam porque as junções de solda estão frias e granuladas. FETs de potência falham em campo porque nunca realmente aderiram ao pad, criando um contato de alta resistência que aquece e eventualmente racha. Você não projetou um circuito. Você projetou um dissipador de calor que engoliu toda a energia térmica do forno de retrabalho.

Este é o conflito fundamental do design de PCBs de potência. A geometria de cobre necessária para transportar uma corrente enorme é muitas vezes exatamente a mesma que impede uma conexão de solda confiável. A física não se importa com sua conectividade de netlist. Se você não consegue fazer a solda fluir, você não tem uma placa.

A Termodinâmica de um Tijolo

Pare de pensar como um engenheiro elétrico e comece a pensar como um encanador lidando com fluxo de calor. Quando você coloca um pad de componente diretamente sobre um grande plano de cobre (especialmente um de 2oz, 3oz ou mais pesado), você está conectando uma pequena piscina de metal derretido a um reservatório térmico maciço.

Quando o forno de retrabalho ou o ferro de solda toca esse pad, ele tenta elevar a temperatura local até o ponto de fusão da solda—normalmente cerca de 217°C para SAC305. No entanto, o cobre é um condutor excepcional. Aquele grande plano de aterramento atua como uma rodovia, levando energia térmica do pad mais rapidamente do que a fonte de calor pode fornecê-la. É como tentar encher um balde com uma mangueira de incêndio drenando pelo fundo. Você pode aumentar a temperatura do ferro de solda até 450°C e arriscar danificar a cola que mantém o cobre no FR-4, mas não vai importar. O calor não permanece na junta; ele se dissipa na placa.

O resultado é uma "junção fria". A solda pode derreter na haste do componente, mas congela no momento em que toca o pad de cobre. Ela se forma em uma bolha, sentando-se na superfície como uma gota de mercúrio, ao invés de fluir para uma formada lisa. Se um técnico tentar forçar isso segurando o ferro por 45 segundos, geralmente ele apenas descola o pad ou queima o fluxo antes que a umidade seja molhada. É aí que as pessoas costumam culpar suas ferramentas, achando que precisam de um ferro de maior wattagem. Mas mesmo um Metcal MX-500 com uma ponta pesada não consegue lutar contra uma placa de 4oz sem ajuda. A massa térmica vence toda vez.

O Mito do "Conexão Direta"

Um mito persistente em eletrônica de potência afirma que caminhos de alta corrente deve use polígonos de conexão direta. A lógica parece sólida: qualquer restrição no caminho de cobre aumenta a resistência, o que aumenta o calor. Portanto, para minimizar o calor, devemos maximizar o contato de cobre.

Essa lógica é perigosa porque ignora o chão de fabricação. Uma conexão direta que resulta em uma junta fria de solda terá resistência de contato significativamente maior do que uma junta adequadamente umida conectada por aletas de alívio térmico. Essa junta fria é uma bomba-relógio. Sob ciclos térmicos—como um controlador de motor aquecendo e resfriando—a estrutura granular da solda fria rachadura. Assim que rachada, a resistência dispara, a junta esquenta e você eventualmente terá um circuito aberto catastrófico ou um incêndio.

Isso não é limitado a conectores grandes, também. O mesmo desequilíbrio térmico causa tombamento em componentes passivos menores. Se você tem um capacitor 0603 conectando uma trilha de sinal a um plano de terra e usa uma conexão direta no lado do terra, a solda no lado do sinal derrete primeiro. A tensão superficial puxa o componente para cima, posicionando-o de pé. A fornalha de reflow aquece a placa uniformemente, mas a placa não aceitar o calor de maneira uniforme. A não ser que você esteja trabalhando com RF, onde descontinuidades de impedância são críticas, ou lidando com correntes de pulso tão altas que vaporizaríam uma régua instantaneamente, conexão direta em planos de energia geralmente é um defeito de projeto disfarçado de otimização.

Calculando o Compromisso

Apresente a alívio térmico: aquelas aletas em forma de raios de roda conectando a pad ao plano. Elas atuam como uma barragem térmica, restringindo o fluxo de calor o suficiente para permitir que a pad atinja a temperatura durante os 60-90 segundos de janela de reflow.

É aqui que o medo entra. Se você fizer as aletas muito finas, elas se tornam fusíveis.

Os padrões padrão do CAD vão te matar aqui. Regras padrão no KiCad ou Eagle geralmente são ajustadas para camadas de sinal, criando aletas de 10 mil que vaporizarão instantaneamente ao passar 20 amperes. Você precisa calcular a largura da aleta com base na carga real. É uma troca: cobre suficiente para conduzir a corrente, mas pouco para bloquear o calor.

Comece pelo básico. Determine a corrente por pino. Se um pino de conector conduz 40 amperes, não assuma que as aletas precisam conduzir apenas 40 amperes. Normalmente, o próprio pino é o gargalo, mas suponha que você precise suportar essa carga. Use o padrão IPC-2152 para determinar a largura da trilha necessária para um aumento de temperatura específico. Se você precisar de 100 mil de largura de cobre para conduzir essa corrente com um aumento de 10°C e tiver quatro aletas, cada uma precisa ter 25 mil de largura.

Mas espere. Uma aleta de 25 mil de cobre de 3oz ainda é uma conduíte de calor significativa. Pode ser excessivamente condutiva para um perfil padrão de reflow. Você pode precisar reduzir o número de aletas para duas mais largas ou aumentar o comprimento da aleta para criar um caminho térmico mais longo. É um processo iterativo. Você está equilibrando o risco de aleta fundir (falha elétrica) contra o risco de a junta nunca molhar (falha mecânica).

Há incerteza aqui. Os padrões IPC são conservadores, e o desempenho no mundo real depende do fluxo de ar e da condutividade térmica do substrato específico. Mas é melhor confiar na matemática do Saturn PCB Toolkit do que ficar adivinhando. E enquanto alguns projetistas tentam enganar costurando vias ao redor da pad para aumentar o fluxo de corrente vertical, lembre-se de que cada furo passante revestido é uma âncora térmica que arrasta calor para longe da superfície.

Realidade DFM: A Luta do Técnico

Ignore esses cálculos e encharque o plano, e você efetivamente declara guerra na fábrica de montagem. Quando uma placa com alívio térmico precário chega à bancada de retrabalho, torna-se um pesadelo.

Imagine um técnico tentando substituir um MOSFET na sua placa. Ele aplica a ferro de solda. Nada acontece. A solda não derrete. Eles adicionam mais solda na ponta para aumentar a área de contato. Agora é uma bagunça escorregadia. Eles precisam pegar a placa quente, prende-la na placa de aquecimento e pré-aquecer todo o conjunto a 150°C — assando os eletrólitos dos seus capacitores — só para diminuir o delta térmico o suficiente para que o ferro possa fazer a ponte.

Esse estresse térmico degrada o material FR-4 e encurta a vida útil de todos os outros componentes na placa. Você pode economizar 2 milliohms de resistência usando uma conexão direta, mas isso custa à empresa milhares em tempo de retrabalho e componentes descartados. Uma placa que não pode ser retrabalhada é uma placa descartável. A menos que você esteja construindo brinquedos de consumo descartáveis, a retrabalhabilidade é uma exigência rigorosa.

Design para o Forno

O objetivo é simples: enganar o calor para ficar onde você precisa, tempo suficiente para formar a ligação intermetálica que torna uma junta de solda real.

Não deixe a ferramenta CAD te dominar. Acesse as regras de design. Configure classes específicas para suas redes de energia. Force o software a usar raios térmicos calculados ao invés de padrões globais. Leva uma hora extra durante a fase de layout para configurar essas regras e verificá-las. Essa hora economiza semanas de tempo de spin quando a primeira execução do protótipo chega com conectores caindo da placa.

Costumamos nos perder perseguindo o esquema elétrico perfeito, supondo que se os elétrons tenham um caminho, o trabalho está feito. Mas os elétrons nunca têm chance de fluir se o processo de fabricação falhar. Cobre pesado exige pensar pesado sobre termodinâmica. Respeite o calor, limite o fluxo na pad, e deixe a solda fazer seu trabalho.