PCB Via Current-Carrying Capacity: How Hot is Too Hot?

Les designers, en particulier les nouveaux designers qui se familiarisent tout juste avec les normes industrielles, posent régulièrement une question concernant la capacité de transport du courant des conducteurs dans un circuit imprimé. La capacité de transport de courant des pistes et des traversées est un point légitime sur lequel il faut se concentrer lors de la conception d'une nouvelle carte destinée à transporter un courant élevé. L'objectif est de maintenir la température des conducteurs en dessous d'une certaine limite, ce qui permet ensuite de maintenir les composants de la carte au frais.

Alors que la capacité de courant recommandée pour les traces est bien étudiée et documentée dans les normes IPC 2152, les vias dans les cartes multicouches ont reçu beaucoup moins d'attention. Quelques croisés se sont penchés sur les questions relatives à la capacité de transport de courant et aux limites de température de via, et sur leur comparaison avec la température d'une trace typique transportant le même courant. Examinons l'état actuel des exigences thermiques des vias dans les circuits imprimés et comparons-les aux traces internes et externes des circuits imprimés.

Quelle est la capacité de transport de courant de via ?

Vos traces ont une capacité de transport de courant spécifiée, qui peut être déterminée à partir du poids du cuivre et de l'élévation de température souhaitée en utilisant le nomogramme IPC 2152. L'objectif des traces de dimensionnement est de s'assurer que votre carte et vos composants restent dans une température de fonctionnement sûre. Les règles de dimensionnement des traces sont souvent appliquées au dimensionnement des vias, mais les concepteurs peuvent avoir des réserves quant à une limite de température sûre pour les vias. J'ai même vu des concepteurs novices s'inquiéter de voir un via fondre en cours de fonctionnement si la température augmente trop.

Même si vos vias ne seront pas aussi chauds, il est important de comparer la température de vos vias avec celle des traces et des plans auxquels ceux-ci sont connectés. Vous pourriez avoir l'intuition que le via, étant connecté à chaque extrémité à une trace chaude avec un courant élevé, aura une température au moins aussi élevée que la trace qui lui est connectée. Cela semble logique, les traces connectées et tous les plans voisins peuvent devenir assez chauds à un courant élevé (faible poids de cuivre à ~5-10 A). La chaleur ne s'accumulerait-elle donc pas dans le via ? De plus, vous pourriez naturellement en conclure que les traces sur une couche de surface seraient plus froides que les traces dans une couche intérieure. Cela ne ferait-il pas en sorte que le via atteigne une température plus élevée lorsque celui-ci traverse l'intérieur d'une carte ? Ces questions entourent des points importants liés à la fiabilité des vias, notamment pour les microvias.

En fait, la situation réelle peut être à l'opposé de notre intuition. Premièrement, les traces sur la couche de surface seront plus chaudes que les traces dans une couche interne. En effet, la conductivité thermique du FR4 (environ 0,25 W/m⋅K) est supérieure d'un ordre de grandeur à celle de l’air. Il existe d'autres options de substrat offrant une conductivité thermique supérieure. Cela signifie que le substrat agit comme un puits de chaleur pour les conducteurs qui le traversent. Cela s'applique également aux vias et permet d'expliquer pourquoi ces derniers ont tendance à être plus froids que les traces qui leur sont connectées.

Les résultats expérimentaux

Un article récent de Douglas Brooks et Johannes Adam, paru dans le Signal Integrity Journal, contient des mesures expérimentales de la température dans les traces et les vias transportant un courant élevé. À ma connaissance, ces mesures fournissent la première comparaison de la température dans des traces conçues selon les normes IPC 2152 et un via qui y est connecté. Ces mesures et les résultats des simulations sont présentés dans les tableaux ci-dessous.

Évidemment, c'est beaucoup moins que la règle empirique de 0,5 A visible parfois sur les forums. Les règles empiriques ont tendance à être trop conservatrices, il est donc possible de les suivre dans la plupart des cas. Cependant, si vous devez fournir un courant continu élevé, vous risquez de faire plus de mal que de bien si vous découpez les plans avec un nombre excessif de vias. Il faut en tenir compte lors du choix du nombre de vias nécessaires pour l'alimentation. Si vous fixez une limite moins prudente de 1 A par via, et que vous devez fournir 5 A instantanément, alors 5 grands vias avec un placage épais devraient convenir, tant que la température de votre via ne devient pas trop élevée près d'un composant. Le danger ici n'est pas celui d'une température élevée, je dirais qu'il s'agit plutôt d'un cycle de température. En cas de cycles répétés entre des températures très élevées et très basses, la fatigue peut finir par s'installer et conduire à une défaillance via le système.

Analyse

Ici, nous pouvons voir que les traces fines ont tendance à être plus chaudes que les vias qui leur sont connectés, avec une différence de température de quelques °C seulement. Cela peut être attribué aux différences de conductivité thermique entre la trace exposée à l'air et le via. En effet, la chaleur est dissipée par le via plus rapidement que celle-ci n'est dissipée par la trace mince. Les résultats présentés ci-dessus montrent une contradiction avec l'argument de la conductivité thermique que j'ai mentionné plus haut.

Lorsque la trace devient assez large (200 mils), la trace est maintenant plus froide que le via, bien que la différence de température ne soit que de quelques °C. Le flux de chaleur s'éloignant de la trace dépend de la surface exposée et de la conductivité thermique du milieu environnant. Dans ce cas, là où la trace large a une grande surface exposée, la chaleur est dissipée plus rapidement de la trace que du via. La température d'équilibre de la trace est donc plus basse. Cette relation peut être résumée de la manière suivante :

• Lorsque la trace est fine, le via agit comme un petit dissipateur thermique pour la trace,
• Lorsque la trace est large, la trace agit comme un petit dissipateur thermique pour le via.

Il y a d'autres points à prendre en compte dans cette analyse. Tout d'abord, les couches planes ne sont pas prises en compte, celles-ci agissent comme un grand puits de chaleur, réduisant encore la température des conducteurs. Ensuite, d'autres substrats présentant une conductivité thermique élevée (par exemple, les céramiques ou les circuits imprimés à noyau métallique) extrairont encore plus de chaleur des conducteurs, ce qui entraînera une température d'équilibre encore plus basse pour tous les conducteurs.

Le verdict

Tant que les pistes de votre circuit imprimé sont dimensionnées conformément aux largeurs de piste minimales spécifiées dans la norme IPC 2152, et que vos vias ont un placage suffisamment épais, vous n'aurez probablement pas à vous soucier de l'élévation de température dans vos vias. L'excès de chaleur à l'intérieur du via se dissipe dans le substrat et les traces à proximité. Dans le cas où les traces sont très larges, celles-ci ont une plus grande surface pour dissiper la chaleur par rapport au via. Dans ce cas, la chaleur quitte la trace plus rapidement que celle-ci ne quitte le via, la trace atteindra donc une température d'équilibre plus basse. Cela a été confirmé par l'étude expérimentale de Douglas Brooks et Johannes Adam dans le SIJ.

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