Pourquoi votre trace de PCB est plus chaude que vous ne le pensez (Comment...

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 (ΔT)  : combien de degrés au-dessus de la température ambiante votre trace s'exécutera
• Température de trace maximale : température de fonctionnement réelle (ambiante + hausse)
• Résistance aux traces : la résistance en courant continu de votre trace à la température de fonctionnement
• Puissance dissipée : les pertes du $I^2R$ font chauffer tout
• Capacité actuelle à ΔT=10 °C : un contrôle de santé indiquant quel courant vous provoquerait une augmentation de 10 °C

Ce dernier 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 poussez fort.

La physique (brièvement)

L'échauffement des traces provient de pertes résistives. Le courant traversant la résistance finie de la trace dissipe de 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 correspond à 70 μm et ½ oz correspond à 17,5 μm. Ce sont des valeurs nominales : votre usine peut se situer à ± 10 % sur un tableau donné.

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)
• Superficie :$1.27 \times 0.035 = 0.0445$ 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).

En utilisant des courbes dérivées de l'IPC-2152 pour une trace externe, 3 A à une trace de 50 mil dans 1 oz de cuivre donne une augmentation de température d'environ 35 °C. Votre trace s'exécute donc à l'adresse suivante :

Nous devons maintenant corriger la résistance à la température :

Dissipation de puissance réelle :

C'est 23 % de puissance en plus que notre estimation initiale. Dans la pratique, les courbes thermiques en tiennent déjà compte en partie, mais le fait demeure : la résistance dépendante de la température est importante.

Ouvrez le calculateur d'augmentation de température PCB Trace et saisissez ces valeurs. Vous verrez la hausse de température, la résistance corrigée et vous verrez si vous devez repenser votre configuration.

Et si nous élargissions la trace ?

Le fait de doubler la trace à 100 mils réduit la résistance de moitié et améliore considérablement les performances thermiques (plus de surface de cuivre pour diffuser et émettre de la chaleur). La hausse de température chute à environ 12 °C, ce qui place la trace à 57 °C au lieu de 80 °C. C'est une marge beaucoup plus confortable.

Sinon, opter pour du cuivre de 2 oz avec la largeur initiale de 50 mil permet d'obtenir des résultats similaires : une augmentation d'environ 15 °C. Le choix dépend de vos contraintes d'empilage et de votre tolérance aux coûts.

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

La norme IPC-2152 a remplacé les anciennes cartes IPC-2221 que tout le monde utilisait depuis des décennies. Les anciennes cartes étaient basées sur des données des années 1950 : cartes simple face, aucun masque de soudure, aucun avion à proximité. Ils se sont montrés prudents à l'égard des panneaux multicouches modernes dans certains cas et dangereusement optimistes dans d'autres.

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 actuelle peut avoir un plan de masse situé à 8 mils en dessous de la trace agissant comme un dissipateur de chaleur, ou elle peut avoir trois autres pistes d'alimentation parallèles et ajoutant leur chaleur au mélange. Le calculateur vous donne une base de référence raisonnable, mais vous devez faire preuve de jugement technique.

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 dans 1 oz de cuivre a peut-être une résistance de 0,5 à 1 mΩ, 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.

Traiter les couches internes et externes de la même manière

Les traces internes sont nettement plus chaudes que les traces externes au même courant. Ils sont entourés de FR-4, qui est un isolant thermique décent. Une trace interne peut connaître une augmentation de température 50 % plus élevée qu'une trace externe ayant la même géométrie et le même courant. Le calculateur suppose généralement des traces externes. Si vous acheminez l'alimentation sur des couches internes, ajoutez une marge.

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 une bonne solution. 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 les traces externes dans l'air calme contenant 1 once de cuivre, ces recommandations approximatives fonctionnent pour une augmentation de température de 10 °C :

• 1 A : environ 10 à 15 miles de large
• 3 A : ~50 à 60 mils de large
• 5 A : environ 120 à 150 mils de large
• 10 A : environ 400 mils de large (vous voulez probablement un polygone pour)

Doublez la largeur pour les traces internes. Réduisez-le de moitié si vous utilisez 2 oz de cuivre. Ce sont des chiffres approximatifs : vérifiez toujours avec des calculs réels pour 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.