Capacité de courant des pistes de circuit imprimé : largeur, épaisseur de cuivre et IPC-2221

Chaque piste de cuivre est une fine résistance qui s'échauffe lorsqu'un courant la traverse. Un dimensionnement correct garantit un fonctionnement optimal de la carte pendant des années ; un dimensionnement insuffisant entraîne une surchauffe, un vieillissement prématuré du substrat et un risque de court-circuit. Ce guide répond aux questions que se posent réellement les ingénieurs : quelle intensité peut supporter une piste ? À combien de millimètres correspond 1 oz de cuivre ? Quand faut-il opter pour du cuivre épais ? Il explique également comment Highleap Electronics transforme ces données en une carte fiable à fabriquer et à assembler.

1. Combien d'ampères une piste en cuivre peut-elle transporter ?

Il n'existe pas de courant maximal unique pour une piste conductrice ; la limite est la variation de température admissible. À titre indicatif, une piste de 1 mm (environ 40 mils) de large en cuivre de 1 oz sur une couche externe transporte environ 2 A pour une élévation de température de 10 °C (valeur prudente), et environ 4 A pour une élévation de 30 °C. L'intensité du courant provoque un échauffement de la piste proportionnel au carré de l'intensité multiplié par la résistance, et la piste se stabilise là où elle peut dissiper cette chaleur dans le cuivre environnant, le stratifié et l'air.

Trois propriétés des pistes déterminent leur résistance et, par conséquent, leur échauffement. La section transversale (largeur multipliée par l'épaisseur du cuivre) est prépondérante ; doubler l'une ou l'autre divise approximativement la résistance par deux. La longueur induit une résistance et une chute de tension proportionnelles, mais n'affecte que très peu la température maximale. La résistance du cuivre augmentant d'environ 0.4 % par °C, une piste chaude présente une résistance légèrement supérieure, ce qui génère davantage de chaleur. Trois facteurs environnementaux influencent la facilité de dissipation de la chaleur : la nature de la couche (interne ou externe), la température ambiante à l'intérieur du boîtier et la présence d'un flux d'air ou d'un dissipateur thermique. Si vous débutez dans la conception et la spécification des pistes, les principes fondamentaux de la conception des pistes de circuits imprimés constituent une introduction utile avant le dimensionnement pour la puissance.

2. Quelle est l'épaisseur de 1 oz de cuivre en mm ? (tableau des poids du cuivre)

Une once de cuivre a une épaisseur d'environ 35 microns, soit 0.035 mm ou approximativement 1.37 mil. L'épaisseur du cuivre est exprimée en poids par pied carré – une convention ancienne qui induit souvent en erreur les débutants – voici donc les conversions à retenir :

Comme la capacité est directement liée à la section des pistes, on peut transporter un courant plus élevé en élargissant la piste ou en utilisant du cuivre plus épais. Sur une carte à haute densité, opter pour une épaisseur de cuivre de 3 oz est souvent plus propre que de créer une piste très large, et pour les applications haute puissance, un circuit imprimé entièrement en cuivre épais est spécialement conçu à cet effet.

3. Graphique de la largeur de la trace en fonction du courant (cuivre 1 oz et 2 oz)

Pour une couche externe de cuivre de 1 oz avec une élévation de température de 10 °C (valeur prudente), une piste de 1 A nécessite environ 0.5 mm (20 mils) et une piste de 3 A environ 1.8 mm (70 mils). Le tableau complet ci-dessous est un point de départ basé sur la norme IPC-2221 et ne remplace pas un calcul adapté à votre propre objectif de température ; les pistes internes nécessitent généralement une largeur environ deux fois supérieure.

La largeur augmente rapidement avec l'intensité du courant. Au-delà de quelques ampères, une piste unique devient impraticable ; la meilleure solution consiste alors à utiliser un bain ou un plan de cuivre, des pistes parallèles sur plusieurs couches reliées par des vias, ou encore du cuivre plus épais – c'est là que l'ingénierie dédiée à la capacité de courant grâce au cuivre épais permet de maintenir les rails à courant élevé à une température basse.

4. Largeur des pistes internes vs externes : pourquoi les pistes internes doivent être plus larges

Pour transporter le même courant, une piste interne nécessite environ le double de la largeur d'une piste externe, car elle est prise en sandwich entre deux couches de laminé et ne peut dissiper la chaleur dans l'air. C'est précisément pour cette raison que la norme IPC-2221 utilise des constantes différentes pour les deux cas : une piste externe se refroidit par convection naturelle, tandis qu'une piste interne, isolée thermiquement, emmagasine davantage de chaleur à largeur égale.

Conséquence pratique : une largeur validée pour une couche externe peut entraîner une surchauffe silencieuse si le même réseau est routé sur une couche interne d’une carte multicouche. Lors du transfert d’alimentation entre couches, dimensionnez le réseau en fonction de la couche interne et utilisez plusieurs vias en parallèle à chaque transition afin d’éviter que le changement de couche ne devienne un goulot d’étranglement thermique.