Portata di Corrente dei Fori di Via: Qual è il Limite?

Una domanda che mi sento rivolgere spesso, specialmente da parte di chi sta muovendo i primi passi nel settore, riguarda la portata di corrente dei conduttori in un PCB. La portata di corrente delle tracce e dei fori via è un punto importante da considerare quando si progetta una nuova scheda a corrente elevata. L'obiettivo è quello di mantenere le temperature dei conduttori al di sotto di un certo limite, aiutando a prevenire l'accumulo di calore sui componenti.

Mentre la capacità di corrente raccomandata per le tracce è ben studiata e documentata negli standard IPC 2152, i fori di via nelle schede multistrato hanno ricevuto molta meno attenzione. Sono pochi gli ingegneri ad aver indagato sulle questioni relative alla portata di corrente e ai limiti di temperatura dei fori di via, in confronto alla temperatura di una tipica traccia a uguale carico di corrente. In quest’articolo analizzeremo quindi i requisiti termici per i fori di via e li metteremo a confronto con le tracce PCB interne ed esterne.

Qual è la Portata di Corrente dei Fori di Via?

Le tracce hanno una portata di corrente specifica, che può essere determinata utilizzando il peso del rame e l'aumento di temperatura desiderato, utilizzando il nomografo IPC 2152. L'obiettivo del progettista è quindi quello di dimensionare le tracce per garantire che la scheda e i componenti rimangano entro una certa temperatura operativa. Le regole per il dimensionamento delle tracce vengono spesso applicate anche al dimensionamento dei fori di via. Eppure, sono in molti ad avere riserve riguardo al limite di temperatura ideale per i fori di via. Ho addirittura visto alcuni progettisti alle prime armi preoccuparsi per un'eventuale fusione del foro durante il funzionamento a temperature elevate. Anche se i fori di via non possono surriscaldarsi così tanto, è comunque importante confrontare la temperatura dei via con le tracce e i piani a cui si collegano.

OnSi potrebbe logicamente pensare che il foro, essendo collegato a ciascuna estremità ad una traccia calda e ad alta corrente, abbia una temperatura almeno equivalente a quella della traccia ad esso collegata. Dopotutto, le tracce collegate ai piani vicini possono riscaldarsi con l’alta corrente (basso peso del rame a ~ 5-10 A), perché non dovrebbe succedere lo stesso nei fori di via? Si potrebbe poi supporre che le tracce su uno strato superficiale siano più fredde delle tracce su uno strato interno. Questo non dovrebbe comportare quindi un ulteriore aumento di temperatura del foro durante l'attraversamento della scheda? Queste domande racchiudono alcune considerazioni importanti relative all'affidabilità dei fori di via, in particolare per quanto riguarda i microvia.

Eppure, la realtà è diametralmente opposta a queste supposizioni. Innanzitutto, le tracce sullo strato superficiale hanno una temperatura più elevata rispetto alle tracce sui layer interni. Questo perché la conduttività termica della vetronite FR4 (circa 0,25 W/m⋅K) è enormemente maggiore di quella dell'aria; esistono tuttavia opzioni di substrato alternative che forniscono una maggiore conduttività termica. Questo significa che il substrato agisce come un dissipatore di calore per i conduttori che lo attraversano. Ciò vale anche per i fori di via e spiega il motivo per cui i via tendano a essere più freddi delle tracce ad essi collegate.

Risultati Sperimentali

Un recente articolo di Douglas Brooks e Johannes Adam sul Signal Integrity Journal mostra alcune misurazioni sperimentali della temperatura in tracce e via ad alta corrente. Per quanto ne sappia, queste misurazioni sono il primo confronto mai effettuato della temperatura in tracce progettate secondo gli standard IPC 2152 e i via ad essa collegati. Queste misurazioni e i risultati delle simulazioni sono illustrati nelle tabelle seguenti.

Ovviamente, questi risultati sono di gran lunga inferiori rispetto alla regola empirica di 0,5 A trovata spesso sui forum di settore. Le regole empiriche tendono ad essere particolarmente prudenti e nella maggior parte dei casi non è sbagliato seguirle. Tuttavia, se si ha bisogno di fornire un'elevata corrente CC, si potrebbero creare problemi inserendo un numero eccessivo di fori di via. È infatti cruciale impostare il numero di fori di via adatto. Se si devono fornire 5 A istantaneamente, e si imposta un limite meno prudente di 1 A per via, allora 5 grandi via con placcatura spessa dovrebbero andar bene, a patto che la temperatura del foro non sia eccessiva nei pressi dei componenti. Il vero problema qui non è tanto la temperatura, ma piuttosto i cicli di temperatura. Cicli ripetuti con variazioni di temperatura elevate potrebbero eventualmente portare a un cedimento del via.

Analisi

Qui possiamo vedere come le tracce sottili tendano a diventare più calde dei via ad esse collegati, con una differenza di temperatura di pochi °C. Questo può essere ricondotto alle differenze di conducibilità termica per la traccia esposta all'aria, rispetto ai fori di via. Effettivamente, il calore viene dissipato più velocemente nei via di quanto non sia possibile nella traccia sottile.

I risultati presentati sopra sono in contraddizione con l'argomento sulla conduttività termica di cui ho precedentemente parlato. Una traccia sufficientemente ampia (200 mils) è più fredda dei via, sebbene la differenza di temperatura sia di pochi °C. Il flusso di calore in allontanamento dalla traccia dipende sia dalla superficie esposta, che dalla conduttività termica del materiale circostante. Quando una traccia larga ha un'ampia superficie esposta, il calore viene quindi dissipato più velocemente dalla traccia che dai via. Ciò fa sì che la traccia abbia una temperatura di equilibrio inferiore. Questa relazione può essere ben riassunta come segue:

• Quando la traccia è ampia, il via si comporta come un piccolo dissipatore di calore per la traccia.
• Quando la traccia è sottile, la traccia agisce come un piccolo dissipatore di calore per il via.

Ma ci sono altri aspetti da valutare in quest’analisi. Innanzitutto, non sono stati presi in considerazione i layer piani. Essi agiscono come un grande dissipatore di calore, riducendo ulteriormente la temperatura dei conduttori. Inoltre, substrati alternativi con elevata conduttività termica (ad esempio ceramiche o PCB con nucleo metallico) assorbono più calore dai conduttori, portando a una temperatura di equilibrio ancora più bassa per tutti i conduttori.

Il Verdetto

Se le tracce PCB sono dimensionate in base alle larghezze minime di traccia specificate nello standard IPC 2152, e i via hanno una placcatura abbastanza spessa, molto probabilmente non sarà necessario preoccuparsi dell'aumento di temperatura nei fori di via. Il calore in eccesso all'interno dei via verrà infatti dissipato nel substrato e nelle tracce vicine. Tracce molto ampie avranno una superficie maggiore attraverso la quale dissipare il calore rispetto ai via. In questo caso, il calore lascerà la traccia ad una velocità maggiore rispetto ai via, facendo raggiungere alla traccia una temperatura di equilibrio inferiore. Questo è stato confermato nello studio sperimentale di Douglas Brooks e Johannes Adam su SIJ.

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