[SI-LIST] Re: Recommendations on Current Carrying Capacity of Vias on PCB's - clarification

  • From: Doug Brooks <dbrooks9@xxxxxxxxxxxxxxx>
  • To: Gert.Havermann@xxxxxxxxxxx, "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 18 Mar 2016 07:41:53 -0700

I think we mostly agree in general, but not in degree of effect..

For example, assume you have a single via for a trace. It will have a 
temperature (which will be similar to the trace, depending on 
specifics.) Now if you have multiple vias (same trace) carrying same 
total current (which the trace presumably can handle) the vias will 
share the current and be (individually) cooler. If you have multiple 
vias, each independent and carrying heavy current, then by definition 
you have multiple traces, too. True, there may be a concentration of 
heat around the vias, but there will also be a concentration of heat 
around the traces. (This is covered in another chapter in my book.) So, 
back to the statement, if the traces are designed properly to carry the 
heat and load, then the empirical results suggest a single via is all 
that is necessary. It is the thermal conductivity between the via and 
the trace that dominates all else regarding the via temperature.

But that leads to another conclusion in the book. You are correct that 
there is an influence from other traces and other components. In fact, 
the entire problem is so complicated that it cannot be solved by a set 
of charts or a set of equations. We are headed to the point where we 
will need computer simulations (using programs like Johannes Adam's TRM 
simulation program) to solve them. And there is a precedent for this. 20 
years ago, we could solve the controlled-impedance problem using the 
equations contained in IPC publications. But today we know we need field 
effect solutions. We are headed the same direction in trace thermal issues.

Doug





Havermann, Gert wrote:

Hi Doug,
thanks for the clarification, I thought it was a 3D view with transparent 
Board Material.

Some further comments:
"First, it is not the air that cools the trace, it is the board material."
That’s true, and essential to co-heating. Heat travels away from the 
generator towards cooler places taking the way of least thermal resistance. 
Air has a higher resistance than FR4 or Copper, thus most of the heat will 
travel on copper, then FR4. But in the end it has to be radiated to air as 
the PCB isn't isothermal (if it was it would heat up until it reaches a 
constant temperature all over the PCB).
In all cases where the via is the heat generator (the current bottleneck) 
problems can begin. If you place "heat generating Vias" close together, the 
heat generated by them will not travel from Via to Via (because their 
temperature is equal), thus it can only travel in the opposite direction. 
This results in a rise of thermal resistance (due to reduced 
heat-travel-path) resulting in a higher temperature difference between Vias 
and surrounding material (copper trace). This needs to be taken into account 
for higher currents and denser Designs. And remember that many components 
generate heat too, and they also use the traces as heatsink.

"the via will be the same temperature (or slightly hotter than) the parent 
trace, whatever that temperature is." That’s true, the main problem is that 
when the via itself starts to generate more heat than the trace, then it can 
become critical under certain circumstances. For High Power applications the 
Designer should be aware of that and Design vias (and via patterns) that will 
not gerenate more heat than the trace it is connected to.

BR
Gert


----------------------------------------
Absender ist HARTING KGaA; Marienwerderstraße 3, D-32339 Espelkamp; 
Registergericht: Bad Oeynhausen; Register-Nr.: HRB 8809; Vorsitzender des 
Aufsichtsrats: Dipl.-Kfm. Jörg Selchow; persönlich haftende Gesellschafter: 
Dipl.-Kfm. Dr.-Ing. E.h. Dietmar Harting, Philip F.W. Harting, Maresa 
Harting-Hertz; HARTING WiMa AG (Luxemburg) & Co. KG, HARTING Beteiligungs 
GmbH & Co. KG; Generalbevollmächtigte Gesellschafterin: Dipl.-Hdl. Margrit 
Harting

-----Original Message-----
From: Doug Brooks [mailto:dbrooks9@xxxxxxxxxxxxxxx]
Sent: Thursday, March 17, 2016 5:34 PM
To: Havermann, Gert; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: Re: [SI-LIST] Re: Recommendations on Current Carrying Capacity of 
Vias on PCB's - clarification

Let me clarify response 1.
I don't report in the article that the bottom trace is cooler than the top 
trace. This is true (for the reason stated) but the difference is not too 
great. What you may be referring to is what appears on the right hand side of 
Figures 2 and 3. Perhaps it is not clear that the figures represent the 
thermal profile of the top layer(only), not the complete trace. The trace 
continues on through the via to the bottom layer, which looks very much like 
the top layer thermal layer, but flipped horizontally.





Thanks for the comments. Here are a couple of responses.

1. Actually, the bottom trace is thicker than the top trace (see note 2 in 
the article.) This was caused by the normal plating tolerances in the board 
fabrication process. That is why it is cooler.

2. Co-heating is complicated. My first article in the magazine (repeated on 
the UltraCAD website as "Trace Currents and Temperatures, Revisited") goes 
into this in some detail. But here are two considerations of note:
First, it is not the air that cools the trace, it is the board material.
That is why the internal traces run cooler than the external ones do (the 
most revolutionary results of IPC 2152). Second, co-heating tends to transfer 
heat from the generator (the trace carrying the current) to the adjacent 
trace/plane. Hence the generator runs cooler. But regardless, the via will be 
the same temperature (or slightly hotter
than) the parent trace, whatever that temperature is.

My new book (end of April) will go into all of this (and LOTS more).
Watch for the announcement on www.ultracad.com

Doug



Havermann, Gert wrote:
Hello Doug,
nice report, but I have some questions and some remarks.

First the questions:
-Why is the bottom trace cooler than the Top trace? (must be some
boundary setting as the traces are the same size, right?) -Which Thermal 
boundary has been used?

Remarks:
I think the conclusions aren't precisely pronounced and can be
misunderstood. Your test showed that the 10 mil via is not the thermal
bottleneck when the trace is wide enough for the current. This is
purely based on a test vehicle without Co-heating and with traces
running on outer Layers. In these (rare) cases, the trace will act as
a heatsink, cooling away the heat created by the via. But still the
via creates heat, and in more dense designs and higher currents the
heat is not transferred to the air, and you will see higher
temperature rises at vias as each via will heat up the surrounding
vias and traces (called Co-heating). The conclusion that no via can be
small enough to burn up (that’s what it sounds when you state: the
current will not heat up a via)

The same behavior is seen in connectors, where the tiny contact point is 
cooled by the Mass of the contact and the Copper cable and traces attached 
to the contact. But as soon as you add mode contacts into a tiny housing, 
the cooling effect drops dramatically. Many designers don't take co-heating 
into account, and then the connectors burn away due to overheating even 
though each single contact was derated to carry a the amount of current that 
was applied to it, but the derating was done for individual contacts.

BR
Gert


----------------------------------------
Absender ist HARTING KGaA; Marienwerderstraße 3, D-32339 Espelkamp;
Registergericht: Bad Oeynhausen; Register-Nr.: HRB 8809; Vorsitzender
des Aufsichtsrats: Dipl.-Kfm. Jörg Selchow; persönlich haftende
Gesellschafter: Dipl.-Kfm. Dr.-Ing. E.h. Dietmar Harting, Philip F.W.
Harting, Maresa Harting-Hertz; HARTING WiMa AG (Luxemburg) & Co. KG,
HARTING Beteiligungs GmbH & Co. KG; Generalbevollmächtigte
Gesellschafterin: Dipl.-Hdl. Margrit Harting

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of Doug Brooks
Sent: Thursday, March 17, 2016 3:14 PM
To: lekannat@xxxxxxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] Re: Recommendations on Current Carrying Capacity of
Vias on PCB's

Very timely question.

Check out the article that appeared in the Feb issue of PCD&F "Empirical 
Confirmation of Via Temperatures."  Here is a link:

http://www.pcdandf.com/pcdesign/index.php/magazine/10604-thermal-model
ing-1602

The answer is that via temperature is NOT determined by via current. The 
reason is that the thermal coupling s so good between the trace and the via 
that as long as the trace is sized correctly, the via cannot overheat. 
Therefore, only a single small via is required.

I will be speaking to the local Designer's Council (Seattle) tentatively 
scheduled for May 4th.  Also watch for a new book on this topic to be 
published and available on Amazon by the end of April.






Leojik Kannathara wrote:
Hi Experts,
I am working on PowerDC simulation of PCB's and would like to understand if 
there is a general guidance on the current carrying capacity of vias. I 
have been going through IPC 2152 to understand if I can correlate via sizes 
to current carrying capacity, but I am not able to make a clear correlation.
Are there rules of thumbs or a via size to current (in Amps) correlation / 
specific literature in this area that people in the industry could point me 
too ?
Are there differentiation on current carrying capacity based on different 
types of visa - buried, through, micro vias ?

Regards,
Leojik Kannathara
Signal Integrity Engineer
Microsoft

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
                  http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu




------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
                 http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                  //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                  http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
                 http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
               //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
               http://www.qsl.net/wb6tpu




------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
                http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
              //www.freelists.org/archives/si-list
  
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
              http://www.qsl.net/wb6tpu
   




------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: