La résistance des vias n'est pas nulle : dimensionnement des vias pour les rails d'alimentation

La section transversale est un anneau

Percez un trou de 0,3 mm et recouvrez sa paroi de 25 µm de cuivre. Le cuivre ne remplit pas le trou, il le tapisse. La section transversale conductrice est un anneau à paroi mince :

Pour ce via : 0,0216 mm². Si vous aviez supposé un bouchon en cuivre solide de 0,3 mm, vous auriez calculé 0,0707 mm², soit plus de trois fois trop, et une estimation de capacité actuelle erronée dans le sens dangereux.

À travers une plaque de 1,6 mm à 25 °C, cet anneau donne 1,30 mΩ.

Là où c'est important

À 1 A, 1,30 mΩ produit 1,30 mV de chute et 1,30 mW de dissipation. Personne ne s'en soucie.

À 20 A via un seul via : 26 mV et 521 mW. Maintenant, tu t'intéresses aux deux. Un demi-watt dans une structure d'un tiers de millimètre de diamètre, dont seuls le laminé et le cuivre de raccordement évacuent la chaleur, constitue un point chaud que vous trouverez avec une caméra thermique.

L'augmentation de température modélisée pour le boîtier 1 A est d'un quart de degré, contre une résistance thermique directe d'environ 192 °C/W. Cette résistance thermique est le chiffre qui évolue mal. Elle est fixée par la géométrie, de sorte que la dissipation augmente au fur et à mesure que $I^2$ augmente rapidement.

Les vias parallèles se divisent, et c'est toute la technique

La résistance est divisée par $N$. Huit vias de 0,3 mm placés en parallèle sur une carte de 1,6 mm produisent 0,163 mΩ, soit l'équivalent d'un tracé de quelques millimètres de large, et négligeable par rapport à presque tous les budgets ferroviaires.

La règle pratique utilisée par la plupart des concepteurs d'alimentation est d'environ un via standard par ampère de courant continu, ce qui permet de maintenir la hausse de température en dessous de quelques degrés et laisse une marge de manœuvre au fait que le courant n'est pas réparti uniformément. Ce n'est pas le cas : le via le plus proche du courant entrant voit plus que sa part, et un groupe de huit ne se comporte pas comme huit résistances identiques en parallèle. L'ajout de 20 à 30 % de vias en plus par rapport aux exigences arithmétiques est une assurance bon marché.

La température ne fait qu'empirer les choses et elle aggrave

La résistivité du cuivre augmente de 0,393 % par °C. À 85 °C, un via a une résistance supérieure de 26 % à celle de 20 °C.

Il s'agit d'un chemin de rétroaction positif : le courant chauffe le via, plus le via est chaud, plus il y a de résistance, plus la résistance dissipe plus de puissance. Il est limité par conduction dans le cuivre environnant, mais cela signifie que le calcul du pire des cas doit être effectué à la température ambiante la plus défavorable plus l'auto-échauffement, et non à 25 °C.

Pour un circuit d'alimentation dans un boîtier qui fonctionne à 70 °C en interne, le calcul par résistance à température ambiante le sous-estime d'environ 20 %.

Qu'est-ce qui aide réellement

Plus de vias vaut des vias plus gros, mais des vias plus gros valent un placage plus épaisse. La surface est calculée comme $t(D - t)$. Ainsi, pour un placage de 25 µm, le terme de diamètre domine : passer de 0,3 mm à 0,4 mm permet de gagner 36 % de cuivre en plus, tandis que le placage de 25 µm à 35 µm gagne 35 %, ce qui est comparable, mais l'épaisseur du placage est un paramètre de processus que vous ne contrôlez pas par filet, alors que la taille du perçage vous appartient. Conception avec placage minimal, non nominal. La classe 2 de la norme IPC-6012 spécifie une moyenne de 20 µm et un minimum de 18 µm. Dans le pire des cas, la résistance utilise le minimum. Placez les trous d'interconnexion à l'intérieur du tampon ou juste à côté. Le tracé entre le tampon et un point d'interconnexion distant présente généralement une résistance supérieure à celle des trous eux-mêmes : un tracé de 10 mm de 0,25 mm dans 1 oz de cuivre correspond à environ 20 mΩ, soit quinze fois le via. Vias remplis de cuivre pour les cas extrêmes. Le remplissage transforme l'espace annulaire en une section transversale solide, ce qui représente un gain important, mais entraîne des coûts supplémentaires importants. Il gagne sa place au-dessus d'environ 10 A par via, et rarement en dessous.

La mise en garde concernant la fréquence

Tout ce qui précède est DC. Pour l'intégrité de l'alimentation en MHz, le via inductance est plus important que le via la résistance. Un via est d'environ 0,5 à 1 nH ; à 100 MHz, 1 nH correspond à 628 mΩ de réactance contre 1,3 mΩ de résistance en courant continu.

Les vias parallèles aident les deux, ce qui est pratique. Mais si le problème provient d'une cible d'impédance PDN sur une large bande plutôt que d'une baisse de courant continu, calculez le nombre de via par rapport à l'inductance et la résistance CC se débrouillera d'elle-même.

Le calculateur de chute de tension via calcule la section transversale annulaire, la résistance compensée en température, la chute, la dissipation et l'augmentation estimée pour les vias simples et les réseaux parallèles.