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Calculateur de chute de tension et de puissance Via

Calculez la résistance en courant continu, la chute de tension et la dissipation de puissance des trous traversants plaqués avec compensation de température et réseaux de circuits parallèles.

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Formule

R=ρ0[1+α(T−20)] Lπ t (D−t)R = \frac{\rho_0 [1 + \alpha(T-20)]\, L}{\pi\, t\,(D - t)}
R— Via resistance (Ω)
ρ₀— Copper resistivity at 20°C (1.724×10⁻⁸) (Ω·m)
α— Temperature coefficient (0.00393) (/°C)
L— Via barrel length (m)
t— Plating thickness (m)
D— Drill diameter (m)

Comment ça marche

Un trou traversant plaqué possède une résistance continue finie déterminée par la géométrie du barillet en cuivre. La section transversale est celle d'un cylindre annulaire à paroi mince : surface = π × t × (D − t), où D est le diamètre du perçage et t est l'épaisseur du placage (généralement de 18 à 25 µm selon la norme IPC-6012 Classe 2). Cette petite section signifie qu'un seul via possède une résistance de niveau milliohms, ce qui est important dans la distribution d'énergie à courant élevé.

La résistivité du cuivre augmente avec la température à 0,393 %/°C (α = 0,00393/°C). À une température de fonctionnement de 85 °C, la résistance est 26 % plus élevée qu'à 20 °C. Cette dépendance à la température est essentielle pour l'analyse de l'intégrité de l'alimentation, car le via s'échauffe sous charge, ce qui augmente sa résistance, ce qui augmente encore le chauffage : une boucle de rétroaction positive limitée par la conduction thermique au cuivre environnant.

Les réseaux de vias parallèles divisent la résistance totale par N (nombre de vias). Huit vias de 0,3 mm placés en parallèle sur une carte de 1,6 mm ont une résistance totale d'environ 0,33 mΩ, soit l'équivalent de quelques millimètres de trace. Les conceptions de convertisseurs de puissance utilisent régulièrement 4 à 20 vias parallèles par transition de rail d'alimentation entre les couches.

Exemple Résolu

Étant donné : Diamètre de perçage = 0,3 mm, épaisseur du placage = 25 µm, longueur de via = 1,6 mm (épaisseur de la planche), courant = 1 A, température = 25 °C, via simple Étape 1 : Résistivité du cuivre à température

$ \ rho = \ rho_ {20} \ times [1 + \ alpha (T-20)] = 1,724 \ fois 10^ {-8} \ fois [1 + 0,00393 \ fois 5] = 1,758 \ fois 10^ {-8} $ Ω·m

Étape 2 : via une section transversale

$D = 0,3 \ fois 10^ {-3} $ m, $t = 25 \ fois 10^ {-6} $ m

$A = \ pi \ times t \ times (D - t) = \ pi \ times 25 \ times 10^ {-6} \ times (300 - 25) \ times 10^ {-6} $

$= \ pi \ fois 25 \ fois 275 \ fois 10^ {-12} = 21,6 \ fois 10^ {-9} $ m² = 0,0216 mm²

Étape 3 : résistance via unique R=  frac rho  timesLA=  frac1,758  times10−8  times1,6  times10−321,6  times10−9=1,30R = \ frac {\ rho \ times L} {A} = \ frac {1,758 \ times 10^ {-8} \ times 1,6 \ times 10^ {-3}} {21,6 \ times 10^ {-9}} = 1,30 mΩ Étape 4 : Chute de tension et alimentation Vdrop=I  timesR=1,0  times1,30  times10−3=1,30V_ {drop} = I \ times R = 1,0 \ times 1,30 \ times 10^ {-3} = 1,30 mV P=I2  foisR=1,02  fois1,30  fois10−3=1,30P = I^2 \ fois R = 1,0^2 \ fois 1,30 \ fois 10^ {-3} = 1,30 mW Étape 5 : estimation de la hausse de température

$ \ theta_ {via} = \ frac {L} {k_ {Cu} \ times A} = \ frac {1,6 \ times 10^ {-3}} {385 \ times 21,6 \ times 10^ {-9}} = 192$ °C/W

$ \ Delta T = P \ times \ theta = 1,30 \ times 10^ {-3} \ times 192 = 0,25$ °C (négligeable)

Résultat : Résistance de 1,30 mΩ, chute de 1,30 mV à 1A, négligeable pour la plupart des applications.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez 8 à 12 vias parallèles pour chaque ampère de courant continu afin de maintenir la hausse de température en dessous de 5 °C
  • ✓Placez les vias d'alimentation directement sous les pastilles des composants (via-in-pad) pour minimiser la longueur de trace entre les vias et la charge
  • ✓Pour les outils d'analyse PDN, modélisez chaque via comme une résistance en série + une inductance (généralement 0,5 à 1 nH par via)
  • ✓Un diamètre de perçage plus grand est plus utile qu'un placage plus épais : la surface est échelonnée en D×T, donc doubler D double la surface tandis que doubler t ne fait que l'ajouter
  • ✓Dans les réseaux thermiques (pour la dissipation de la chaleur), la résistance thermique est plus importante que la résistance électrique : remplissez-la de cuivre ou de pâte thermique pour une meilleure conductivité

Erreurs Fréquentes

  • ✗En supposant que la résistance de via est nulle : à 20 A via un seul via, la chute est de 26 mV et la dissipation est de 520 mW, ce qui entraîne de réels problèmes thermiques
  • ✗Utilisation de toute la surface de perçage (π D²/4) au lieu de l'anneau à paroi mince : les remplissages en cuivre massif sont rares ; les vias standard sont des cylindres creux avec placage de 25 µm
  • ✗Ignorer le coefficient de température : une alimentation électrique à 85 °C présente une résistance 26 % plus élevée qu'à 20 °C ; calculez toujours à la température de fonctionnement la plus défavorable
  • ✗En comptant sur l'épaisseur nominale du placage : la norme IPC-6012 minimale est de 18 µm ; conception avec un placage minimal pour une résistance optimale

Foire Aux Questions

Règle générale : 1 A par via standard (perçage de 0,3 mm, placage de 25 µm) permet de maintenir la hausse de température en dessous de 5 °C. Pour 5 A : utilisez au moins 5 vias, de préférence 8 pour la marge. Les vias plus grands (0,4 à 0,5 mm) transportent proportionnellement plus de courant.
Oui, la résistance est proportionnelle à la longueur. Une carte de 3,2 mm a une résistance d'interconnexion 2 fois supérieure à celle d'une carte de 1,6 mm. Pour les planches épaisses à courant élevé, utilisez des forets plus grands ou davantage de vias parallèles pour compenser.
Les vias remplis de cuivre ont une résistance beaucoup plus faible (section transversale pleine par rapport à un anneau à paroi mince) mais sont coûteux. Pour les applications à courant élevé (> 10 A par via), elles sont justifiées. Pour les transitions standard de 1 à 5 A, les vias standard parallèles sont plus rentables.
Une seule carte de 0,3 mm à travers 1,6 mm ≈ 1,3 mΩ. Une trace de 10 mm de long et 0,25 mm de large sur 1 oz de cuivre ≈ 19,7 mΩ. La résistance du via est généralement 10 à 15 fois inférieure à celle du circuit de connexion : la résistance trace domine généralement.
L'inductance via (0,5 à 1 nH) est souvent plus importante que la résistance via pour l'intégrité de l'alimentation aux fréquences MHz. À 100 MHz, 1 nH a une impédance de 628 mΩ contre une résistance de 1,3 mΩ en courant continu. Les vias parallèles réduisent à la fois R et L.

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