Pourquoi votre piste de PCB chauffe plus que vous ne le pensez

Le problème dont personne ne parle tant que quelque chose ne fond pas

La plupart des ingénieurs dimensionnent les traces des circuits imprimés en fonction de la capacité actuelle et considèrent que c'est terminé. Le traçage peut gérer 3 A, vous utilisez 2,5 A, tout va bien. Sauf que ce n'est pas le cas, car ces 2,5 A chauffent votre trace à 40 °C au-dessus de la température ambiante, et maintenant les circuits analogiques sensibles à la température situés à proximité ne sont plus conformes aux spécifications. Ou pire encore, vos joints de soudure se dégradent lentement parce qu'ils se situent à 85 °C au lieu des 60 °C que vous pensiez.

Trace l'augmentation de la température est l'une de ces choses qui semblent simples tant que vous n'avez pas étudié les chiffres. La relation entre le courant, la géométrie des traces et la température n'est pas linéaire, l'environnement thermique est extrêmement important et les normes IPC citées par tout le monde présentent des limites qui ne sont pas toujours évidentes.

Ce que fait réellement la calculatrice

Le calculateur d'augmentation de la température des traces de PCB prend les paramètres de votre trace (courant, largeur, poids du cuivre, température ambiante et longueur de trace) et vous donne une image thermique : la température de la trace, la quantité d'énergie dissipée et l'apparence de la résistance à la trace.

Les résultats incluent :

• Hausse de température (IPC-2221) : de combien de degrés au-dessus de l'ambiante votre trace chauffera selon l'abaque externe de l'IPC-2221
• Hausse de température (IPC-2152 fig. 5-1) : la même sur l'abaque prudent de l'IPC-2152 pour toute couche, 4,83 fois la première
• Température maximale de la trace : la température réelle de fonctionnement (ambiante + hausse), pour chaque hausse
• Résistance de la trace : la résistance DC de votre trace à 20 °C
• Puissance dissipée : les pertes I²R qui font tout chauffer
• Courant admissible à ΔT=10 °C : un contrôle sur l'abaque de l'IPC-2221 du courant qui donnerait une hausse de 10 °C

Cette dernière option est utile pour des comparaisons rapides. Si vous utilisez 4 A et que le calculateur indique que votre capacité ΔT=10°C est de 2,1 A, vous savez que vous appuyez fort sur le tracé.

La physique (brièvement)

L'échauffement des traces provient de pertes résistives. Le courant traversant la résistance finie de la trace dissipe l'énergie :

La résistance à la trace dépend de la géométrie et de la température. Pour un tracé rectangulaire :

où $\rho$ est la résistivité du cuivre (environ $1.7 \times 10^{-8}$ Ω·m à 20°C), $L$ est la longueur, $W$ est la largeur et $t$ est l'épaisseur.

Le poids du cuivre se traduit par son épaisseur : 1 once de cuivre correspond à environ 35 μm (1,4 mils), 2 oz à 70 μm, et ½ oz à 17,5 μm. Ce sont des valeurs nominales : votre usine peut être à ± 10 % sur une planche donnée.

C'est là que ça devient intéressant. La résistivité du cuivre augmente avec la température à environ 0,39 % par °C. Ainsi, une trace dont la température est supérieure de 50 °C à la température ambiante a une résistance environ 20 % supérieure à celle calculée à partir des valeurs de température ambiante. Cela crée une boucle de rétroaction : une résistance plus élevée signifie une plus grande dissipation de puissance, ce qui signifie une température plus élevée, ce qui signifie une résistance plus élevée. Le système trouve un équilibre, mais ce n'est pas à la température que l'on obtiendrait avec un calcul naïf.

Un exemple concret

Supposons que vous conceviez une carte de commande de moteur. Le moteur consomme 3 A en continu et vous avez une trace de 12 pouces (305 mm) allant du connecteur au pont en H. La carte utilise 1 once de cuivre et vous avez alloué 50 mils (1,27 mm) pour la largeur de la trace. La température ambiante dans l'enceinte est de 45 °C.

Tout d'abord, tracez la section transversale :

• Largeur : 1,27 mm
• Épaisseur : 35 μm (1 oz de cuivre)
• Région : $1.27 \times 0.035 = 0.0445$ mm² = $4.45 \times 10^{-8}$ m²

Résistance aux traces à 20 °C :

Dissipation de puissance (première approximation) :

C'est plus d'un watt dissipé dans une étroite bande de cuivre. L'augmentation de température dépend de la capacité de cette chaleur à s'échapper, que la trace se trouve sur une couche interne (mauvaise), sur une couche externe avec masque de soudure (d'accord) ou sur une couche externe avec circulation d'air (mieux).

Le calculateur donne deux hausses d'après les abaques pour 3 A dans une trace de 50 mil en cuivre 1 oz : 11,3 °C sur l'abaque externe de l'IPC-2221, et 54,6 °C sur la figure 5-1 de l'IPC-2152, l'abaque prudent pour toute couche. La seconde dépasse la courbe de 45 °C que trace l'abaque, et le calculateur la signale comme extrapolée. Sans plan de cuivre sous la trace, concevez selon la seconde ; votre trace fonctionne donc à :

Nous devons maintenant corriger la résistance en fonction de la température :

Dissipation de puissance réelle :

C'est 30 % de puissance en plus que notre première estimation. En pratique, les courbes thermiques en tiennent déjà compte en partie, mais l'idée demeure : la résistance dépendante de la température compte.

Et si nous élargissions la trace ?

Doubler la trace à 100 mil divise la résistance par deux et améliore nettement le comportement thermique (plus de surface de cuivre pour étaler et rayonner la chaleur). La hausse tombe à 17,4 °C selon la figure 5-1 (3,6 °C selon l'abaque de l'IPC-2221), ce qui place la trace à 62,4 °C au lieu de 99,6 °C. C'est une marge bien plus confortable.

Autre possibilité : passer au cuivre 2 oz avec la largeur d'origine de 50 mil donne la même section, donc les mêmes hausses : 17,4 °C selon la figure 5-1. Le choix dépend des contraintes de l'empilage et de la tolérance aux coûts.

Les normes IPC : ce qu'elles vous disent et ne vous disent pas

L'IPC-2152 a remplacé les anciens abaques de l'IPC-2221 que tout le monde utilisait depuis des décennies. Les anciens abaques reposaient sur des données des années 1950 : cartes simple face, pas de vernis épargne, pas de plan de cuivre à proximité. Pour les cartes multicouches modernes, ils étaient prudents dans certains cas et dangereusement optimistes dans d'autres. L'IPC-2152 en a conservé un, l'abaque interne de l'IPC-2221, comme figure 5-1 : l'abaque prudent pour toute couche, celui que lit la seconde hausse du calculateur.

L'IPC-2152 est basé sur des tests thermiques réels de PCB modernes, ce qui est une bonne chose. Mais la norme repose toujours sur des hypothèses :

• Air calme (pas de convection forcée)
• Trace isolée (aucune source de chaleur à proximité)
• Conditions stables (pas de courants pulsés)
• Constructions de planches spécifiques

Votre carte réelle peut avoir un plan de masse 8 mil sous la trace qui sert de dissipateur, ce que la méthode détaillée de l'IPC-2152 prend en compte, comme la hausse pour cette carte du calculateur, issue du modèle thermique propre à rftools et non de l'IPC-2152, ou trois autres traces de puissance en parallèle qui ajoutent leur chaleur. Le calculateur vous donne une base raisonnable, mais il faut exercer son jugement d'ingénieur.

Erreurs et pièges courants

Ignorer les vias dans le chemin actuel

Un seul via présente une résistance significative par rapport à un tracé large. Un via de 12 mil en cuivre de 1 oz a peut-être une résistance de 0,5 à 1 mΩ 2, ce n'est pas beaucoup isolément, mais si 3 A le traversent, cela représente 4,5 à 9 mW par via. Enchaînez dix vias en série (ce qui se produit dans les mises en page mal planifiées) et vous obtenez un point chaud localisé qui n'apparaîtra pas dans les calculs de traçage.

Oublier le couplage thermique

Deux traces de 2 A parallèles sur 3 pouces seront chacune plus chaudes qu'une seule trace de 2 A isolée. La chaleur d'une trace augmente la température ambiante locale de l'autre. J'ai vu des cartes où l'augmentation de température calculée était de 25 °C mais l'augmentation réelle était de 40 °C à cause des traces et des composants adjacents.

Utilisation du poids nominal de cuivre

Votre cuivre « 1 oz » peut atteindre 0,9 oz après la gravure, en particulier pour les traces à pas fin où le facteur de gravure ronge les parois latérales. Pour les trajets de courant critiques, supposons 10 à 15 % de cuivre en moins que la valeur nominale.

Supposer que les couches internes chauffent beaucoup plus

L'IPC-2221 le suppose : son abaque interne n'admet que la moitié du courant de l'abaque externe. Les mesures de l'IPC-2152 ont montré que les traces internes en air calme chauffent à peu près autant que les externes ; c'est pourquoi sa figure 5-1 s'applique aux deux et que la hausse IPC-2152 du calculateur est la même sur toute couche. La trace qui chauffe le moins est celle qui a un plan de cuivre juste en dessous.

Ignorer les comportements transitoires

L'augmentation de température en régime permanent suppose un courant continu. Si votre charge est pulsée, disons 5 A pendant 100 ms par seconde, la trace n'atteindra pas la température stationnaire. Il oscillera entre une température plus basse et une température plus élevée. Cela peut en fait être pire pour la fiabilité qu'un chauffage constant en raison de la fatigue thermique des joints de soudure. Mais cela signifie également que vous pourriez être en mesure d'utiliser une trace plus étroite que ne le suggèrent les calculs en régime permanent, si vous comprenez les constantes de temps thermiques impliquées.

Le mythe du masque de soldat

Certains ingénieurs pensent que le masque de soudure isole la trace et la fait chauffer. En réalité, le masque de soudure a un impact thermique minimal : il est fin et, bien qu'il ne soit pas un bon conducteur, il ne retient pas la chaleur de manière significative. Ce qui compte le plus, c'est de savoir si vous avez du cuivre exposé pour le refroidissement par convection ou un plan de masse en dessous pour l'étalement conducteur.

Quand s'inquiéter (et quand ne pas le faire)

Une augmentation de température de 10 °C sur une trace de puissance est généralement acceptable. 20 °C méritent d'être prises en compte. 40 °C ou plus signifient que vous devez reconcevoir ou ajouter une gestion thermique.

Mais le contexte est important. Une augmentation de 30 °C qui place votre trace à 55 °C (dans une température ambiante de 25 °C) est probablement acceptable. La même augmentation de 30 °C dans une enceinte ambiante de 70 °C vous place à 100 °C, ce qui se rapproche de la température de refusion de la soudure et accélérera l'électromigration de votre cuivre.

Pensez également à ce qui se trouve à proximité. Un tracé chaud à côté d'une référence de tension de précision pose problème même si le tracé lui-même est conforme aux spécifications. Une trace chaude au milieu d'une section d'alimentation entourée d'autres composants de puissance ? Sûrement très bien.

Règles générales rapides

Pour du cuivre 1 oz et une hausse de 10 °C, la figure 5-1 de l'IPC-2152 (toute couche, sans plan sous la trace) et l'abaque externe de l'IPC-2221 donnent ces largeurs :

• 1 A : 31 mil (IPC-2221 externe : 12 mil)
• 3 A : 140 mil (54 mil)
• 5 A : 283 mil (109 mil)
• 10 A : 737 mil (283 mil), au-delà des 700 mil² que trace la figure 5-1 ; vous voudrez sans doute un polygone de cuivre

Sur une couche interne, l'IPC-2221 demande aussi la largeur de la figure 5-1. Divisez la largeur par deux en cuivre 2 oz. Vérifiez toujours par un vrai calcul tout ce qui compte.

Essayez-le

Prenez votre schéma, trouvez votre trace de courant la plus élevée et ouvrez le calculateur d'augmentation de température de PCB Trace. Entrez les chiffres réels : largeur de trace réelle, poids réel du cuivre, température ambiante réaliste. Si la hausse de température vous surprend, vous n'êtes pas seul. La plupart des ingénieurs sous-estiment l'échauffement des traces jusqu'à ce qu'ils le mesurent sur une vraie carte à l'aide d'une caméra thermique.

Mieux vaut le savoir dans la calculatrice qu'en production.