Un relief thermique sur un PCB est une connexion entre un pad et le cuivre qui utilise de fines branches de cuivre au lieu de relier le pad au plan environnant sur tout son périmètre. Les branches maintiennent la connexion électrique tout en limitant une partie du flux de chaleur qui s'éloigne du pad pendant le soudage. Il peut ainsi être plus facile d'amener à la température de soudage une connexion rattachée à une grande surface de cuivre.

Le compromis est important : la même limitation qui facilite l'assemblage influe aussi sur le chemin électrique et thermique en fonctionnement. Une broche de connecteur à faible courant, une borne à fort courant et le pad thermique exposé sous un composant de puissance n'ont pas nécessairement besoin de la même connexion. Choisissez la géométrie en fonction du circuit et du procédé d'assemblage réels, puis faites-la vérifier par le fabricant du circuit imprimé et l'assembleur.

Pour l'opération complète de soudage, consultez les principes du soudage traversant. Pour le contrôle de la température lors de l'assemblage en montage en surface, consultez les principes du profil de refusion. La décision présentée ici concerne la connexion en cuivre au niveau du pad ou du via et son interaction avec ces procédés.

Vues schématiques de dessus comparant un pad relié au cuivre par des branches et un pad directement relié au cuivre environnant

Le dessin est une vue schématique de dessus, et non un motif de fabrication ou une recommandation dimensionnelle. 1 désigne le pad, 2 les branches de cuivre, 3 le cuivre environnant et 4 une connexion directe au cuivre. L'espace visible est un dégagement dans le cuivre ; il ne correspond pas automatiquement à une ouverture du masque de soudure. Le nombre de branches et leurs dimensions doivent être définis pour le projet.

Gros plan photographique de joints soudés traversants et de pistes de cuivre sur un circuit imprimé

Photographie d'un circuit imprimé réel montrant des joints soudés et des pistes ; l'image n'indique pas le type de connexion entre le pad sous-jacent et le plan. Photo : Tima Miroshnichenko / Pexels.

Pourquoi un grand plan de cuivre peut-il compliquer le soudage d'un joint ?

Un joint de soudure doit atteindre une température adaptée à la soudure et au flux utilisés. Lorsqu'un pad est connecté à une grande surface de cuivre, une partie de la chaleur fournie est transférée à ce cuivre pendant que le joint chauffe. La quantité dépend de la géométrie et de l'épaisseur du cuivre, des connexions sur les autres couches, du composant, du circuit imprimé et du procédé de soudage.

Pour un connecteur traversant relié à un plan de masse, l'assembleur devra peut-être chauffer non seulement la broche et le pad visible, mais aussi le fût métallisé et le cuivre qui lui est connecté. Si le joint ne reçoit pas la chaleur nécessaire avec le procédé qualifié, le mouillage ou le remplissage du trou peut être insuffisant. Une connexion par branches peut réduire l'un des chemins par lesquels la chaleur quitte le pad, ce qui facilite le chauffage du joint. Elle ne remplace ni un flux adapté, ni des surfaces propres, ni une conception appropriée du joint, ni un procédé de soudage maîtrisé.

L'effet est différent pour un composant monté en surface qui passe dans un four de refusion. Si les deux extrémités d'un petit composant sont reliées à des géométries de cuivre très différentes, elles peuvent chauffer différemment. C'est un facteur à examiner lorsqu'un composant se soulève ou se déplace pendant la refusion ; les dépôts de pâte, le placement, la géométrie du composant et le profil de température réel comptent également. Ne diagnostiquez pas un effet de tombstoning à partir de la seule forme du cuivre.

Relief thermique, pad thermique et via thermique : des rôles différents

Ces termes se ressemblent, mais désignent des caractéristiques distinctes :

Une connexion à relief thermique est la liaison en forme de branches entre un pad ou un via et un plan ou une zone de cuivre environnante.
Un pad thermique exposé est une caractéristique du boîtier, souvent située sous un circuit intégré, destinée à être reliée à une plage correspondante sur le circuit imprimé pour transférer la chaleur et parfois assurer aussi une connexion électrique.
Un via thermique est un via qui fait partie d'un chemin transportant la chaleur entre les couches ou les surfaces du circuit imprimé.
Une ouverture du masque de soudure expose une zone de cuivre pour le soudage ou un autre usage ; elle est définie séparément de la géométrie du relief dans le cuivre.

Un relief thermique peut ralentir l'évacuation de la chaleur d'un joint pendant l'assemblage. Un pad thermique exposé et ses vias thermiques peuvent être conçus pour évacuer la chaleur d'un composant en fonctionnement. Appliquer des connexions en branches à tous les pads et vias parce que le réglage par défaut du logiciel de CAO indique « thermique » risque donc de compromettre le chemin thermique prévu.

Le document Best Practices for Board Layout of Motor Drivers de Texas Instruments, SLVA959B, illustre cette distinction dans le contexte des pilotes de moteur : une connexion pleine au niveau des vias thermiques concernés offre un chemin moins contraint vers les couches de cuivre. Le document PowerPAD Layout Guidelines de TI, SLOA120, formule une recommandation similaire pour les constructions qui y sont décrites. Ces exemples sont des recommandations propres à des composants et à des applications ; ils ne prouvent pas que chaque pad de puissance ou chaque via doit utiliser la même connexion. Suivez la documentation du composant concerné et évaluez le circuit imprimé dans son ensemble.

Relief ou connexion directe : quelle question poser en premier ?

Connexion examinée	Pourquoi envisager un relief	Pourquoi envisager une connexion directe	Éléments à convenir
Broche traversante soudée et reliée à un grand plan	Réduire le flux de chaleur vers le plan pendant le chauffage du joint.	Préserver un chemin de cuivre plus robuste lorsque les exigences électriques ou thermiques l'imposent.	Conception du joint, procédé de soudage, méthode d'inspection et exigences électriques.
Petit composant monté en surface à deux bornes	Faciliter l'examen de l'équilibre thermique entre ses deux pads.	Conserver le chemin électrique nécessaire ou l'empreinte propre au composant.	Géométrie de la pâte et des pads, cuivre de chaque côté, placement et comportement en refusion.
Borne de puissance ou pad parcouru par du courant	Rendre le soudage réalisable si la géométrie est adaptée à la charge.	Augmenter la surface de connexion au cuivre lorsque l'analyse du courant et de l'échauffement l'exige.	Profil de charge, géométrie du cuivre, limites de température et validation de l'assemblage.
Pad exposé d'un composant de puissance ou via de transfert thermique	Un relief ne peut répondre à un besoin de soudage distinct que s'il ne compromet pas la conception prévue.	Préserver le chemin thermique spécifié pour le composant et le circuit imprimé.	Empreinte du composant, chemin thermique, traitement du via et températures du composant mesurées ou calculées.
Connexion de masse RF ou liée à un signal	L'assemblage doit lui aussi rester reproductible.	Préserver une géométrie de référence ou de masse choisie pour les performances électriques.	Recommandations de placement du composant et analyse RF ou d'intégrité du signal pour la structure réelle.

Un tableau ne permet pas de trancher à lui seul. Le concepteur est responsable du circuit et des exigences de performance ; le fabricant et l'assembleur peuvent vérifier si la géométrie de cuivre proposée peut être fabriquée et soudée avec le procédé convenu. Si le chemin électrique ou thermique privilégié complique le soudage, examinez ensemble le procédé et le routage au lieu de réduire la connexion sans concertation.

Quel est l'effet de la largeur, du nombre et de l'écartement des branches ?

Un relief comprend des branches de cuivre, un pad et un espace entre le pad et la zone de cuivre environnante. À géométrie comparable, des branches plus larges ou plus efficaces réduisent généralement la résistance électrique et conduisent davantage de chaleur vers le plan ; la quantité de chaleur nécessaire pour amener le joint à la température de soudage peut alors augmenter. Un espace plus grand allonge généralement les branches et restreint davantage ces chemins, mais peut aussi influer sur le cuivre autour des éléments voisins. Ces variables interagissent et indiquent des tendances, pas une capacité en courant ; évaluez-les ensemble dans la géométrie effectivement générée.

Examinez la géométrie qui sera réellement fabriquée. Une règle de CAO peut demander plusieurs branches, mais les dégagements proches, un pad adjacent, le contour du circuit ou une autre zone de cuivre peuvent modifier le résultat du remplissage. La largeur d'une branche fine peut également être limitée par la capacité du fabricant à réaliser des caractéristiques minimales et à respecter le recalage. Après le remplissage des zones et la génération des fichiers de fabrication, vérifiez le cuivre obtenu sur chaque couche concernée. Les réglages saisis et le motif final du cuivre ne sont pas nécessairement identiques.

Il n'existe pas de nombre, de largeur ou d'espacement universels des branches, ni de limite de courant qui convienne à tous les circuits imprimés. Ne multipliez pas une valeur générique de courant admissible d'une piste par le nombre de branches visibles pour déclarer le pad approuvé. La répartition du courant, l'épaisseur et la géométrie du cuivre, la température, les sources de chaleur proches, les tolérances et le reste du circuit comptent aussi. Pour une connexion exigeante, le responsable de la conception doit établir un plan d'analyse et de validation adapté à la structure réelle.

Exemple de vérification géométrique

Supposons qu'un pad rond ait un diamètre de 1,20 mm et que le routage prévoie un dégagement radial de relief de 0,22 mm de chaque côté. Dans cet exemple hypothétique et concentrique, le diamètre extérieur nominal de la zone dégagée est :

1,20 mm + 2 × 0,22 mm = 1,64 mm

Cette valeur indique le diamètre extérieur maximal de la zone de dégagement avant prise en compte des éléments voisins ; les branches de cuivre traversent toujours cet espace. Il ne s'agit ni du diamètre du trou percé, ni de l'ouverture du masque de soudure, ni d'un dégagement recommandé, ni d'une tolérance du circuit imprimé fini. Pour un pad oblong ou de forme personnalisée, examinez la géométrie effectivement générée au lieu de l'assimiler à un cercle. Avant d'approuver les dimensions, confirmez les règles du fabricant concernant le cuivre minimal et les dégagements pour l'empilage et le poids de cuivre retenus.

Cette vérification du dessin n'est ni une spécification de fabrication APTPCB ni un calcul de courant ou d'échauffement : la largeur des branches, le nombre réel de branches connectées, le cuivre des couches internes et le procédé de soudage restent des paramètres distincts.

Vérifier la sortie CAO réelle

Dans un outil de CAO utilisant des zones, vérifiez le réglage de connexion de la zone, de l'empreinte et du pad individuel concernés, puis recalculez les zones de cuivre et examinez la forme obtenue sur chaque couche affectée. Repérez toute branche manquante, tout îlot de cuivre isolé ou toute connexion pleine restée sur une couche interne. Exécutez les contrôles de connectivité et de règles de conception, puis examinez les couches de cuivre exportées avec les fichiers de perçage et de masque.

La documentation de PCB Editor 10.0 de KiCad décrit, par exemple, les substitutions de connexion au niveau des pads et des empreintes ainsi que les réglages de zone pour le dégagement du relief et la largeur des branches. Elle signale aussi une différence liée à la version : avant KiCad 9, la valeur 0 pour le dégagement ou la largeur des branches d'un pad entraînait l'héritage du réglage ; à partir de KiCad 9, 0 est une valeur explicite, tandis qu'un champ vide hérite du réglage. Vérifiez la version et le remplissage réellement généré avant de modifier un design existant. Les autres outils de CAO ont leurs propres règles et peuvent employer une terminologie différente.

Les broches traversantes et les pads CMS nécessitent des vérifications distinctes

Pour un trou métallisé, ne vous limitez pas à l'anneau de cuivre de la couche supérieure. Le fût peut être relié au cuivre de plusieurs couches, chacune avec sa propre relation entre le pad et le plan. Examinez le motif de relief proposé en tenant compte du perçage, du diamètre fini du trou, des connexions internes, de la broche du composant et de la méthode de soudage. Une surface supérieure d'aspect satisfaisant ne révèle pas à elle seule l'état complet du joint ; l'inspection et l'acceptation doivent suivre les exigences convenues pour le produit.

Pour un pad CMS, comparez l'environnement complet en cuivre de toutes les bornes concernées. Un pad peut être relié directement à une grande zone tandis que l'autre est raccordé à une piste étroite. Une autre couche ou un via proche peut également évacuer la chaleur. Si l'équipe d'assemblage constate une refusion irrégulière ou un composant soulevé, examinez ensemble les dépôts de pâte, l'orientation du composant, le placement, le profil et les connexions de cuivre avant de modifier uniquement le réglage du relief.

Le masque de soudure ne détermine pas si le pad est relié par des branches ou par du cuivre plein. Le cuivre et le masque sont des couches de fabrication distinctes. Une plage définie par le masque, une plage définie par le cuivre et une connexion à relief répondent à des questions géométriques différentes. Vérifiez les données du cuivre et du masque au regard des recommandations d'empreinte du composant et des règles du fabricant ; consultez les règles de dégagement et de barrage du masque de soudure pour les aspects propres au masque.

Un circuit hypothétique avec trois connexions différentes

Imaginez une carte de commande comportant un connecteur de signal traversant à faible courant, un connecteur d'alimentation transportant un courant important et un circuit intégré de commande de moteur avec un pad exposé destiné à transférer la chaleur vers la carte. Les trois touchent de grandes surfaces de cuivre, mais un réglage global « relief thermique partout » laisse trois questions différentes sans réponse.

Connexion	Option à envisager selon le contexte	Points à vérifier avant la libération
Connecteur de signal à faible courant	Commencer par un relief thermique s'il n'existe pas de contrainte électrique particulière et si les branches générées respectent les règles de conception et de fabrication.	Le cuivre réel sur toutes les couches connectées, l'adéquation électrique, ainsi que l'échauffement et l'inspection avec la méthode de soudage prévue.
Connecteur d'alimentation	Commencer par une connexion pleine si l'analyse montre que les branches proposées dépassent la chute de tension ou l'élévation de température admissible.	Le chemin de courant complet sous la charge spécifiée ; adapter le procédé de soudage à la charge thermique plus élevée et vérifier la qualité du joint.
Vias thermiques du pilote de moteur	Utiliser la structure pleine exigée par la documentation du composant exact lorsque celle-ci demande une connexion complète pour le transfert thermique.	La construction prévue du pad exposé et des vias, les connexions électriques correctes aux plans, les exigences d'assemblage et la température du composant en fonctionnement.

Il s'agit d'options possibles pour ce circuit hypothétique, et non de résultats de test, d'un cas client APTPCB ou de seuils généraux de courant. Consignez les pads et les couches concernés, la raison de chaque exception et les éléments nécessaires à la libération. Une règle globale peut donc comporter des exceptions locales documentées.

Que vérifier lorsque le soudage est difficile ?

Observation	À vérifier avant de modifier le routage	Suite possible
Un joint traversant met longtemps à chauffer.	Cuivre connecté sur toutes les couches, géométrie de la broche et du trou, préchauffage, flux et méthode de soudage.	Examiner une connexion à relief ou une modification du procédé d'assemblage au regard des exigences électriques.
Une extrémité d'un petit composant se soulève ou se déplace.	Quantité de pâte, placement, géométrie des pads, déséquilibre du cuivre et profil mesuré.	Corriger la cause confirmée ; comparer les connexions des deux pads après toute modification.
Un pad parcouru par du courant chauffe plus que prévu.	Charge et rapport cyclique, géométrie réelle du cuivre et des branches, état du joint, emplacement de mesure et autres sources de chaleur.	Réévaluer le chemin électrique et la température dans les conditions de fonctionnement spécifiées.
Un circuit intégré de puissance est plus chaud que prévu.	Montage du composant, soudure du pad exposé, connexions du cuivre et des vias thermiques, chemin entre la carte et le boîtier et conditions de fonctionnement.	Comparer aux recommandations thermiques du fabricant du composant et valider la carte révisée.
Un pad dans la CAO semble déconnecté après le remplissage d'une zone.	Affectation du net, priorité des zones, dégagements, géométrie minimale des branches et substitutions propres au pad.	Corriger le design approuvé, recalculer les zones, relancer les contrôles de connectivité et examiner les couches tracées.

Ce sont des points de départ pour l'investigation. N'augmentez pas la température du fer, ne modifiez pas une recette de refusion et n'élargissez pas une connexion en cuivre sans vérifier les limites du composant, le procédé d'assemblage et les conséquences pour le reste de la carte.

Comparer deux connexions candidates avant la libération

Si les exigences de soudage et de fonctionnement vont dans des directions différentes, comparez les géométries proposées sur des échantillons représentatifs au lieu de choisir à partir d'un seuil de courant générique. Par exemple, une équipe peut fabriquer le candidat A avec une connexion par branches convenue et le candidat B avec une connexion directe pour la même broche traversante. Il s'agit d'une expérience proposée, et non d'un résultat mesuré :

Consignez pour chaque candidat la révision du circuit, les couches de cuivre et la construction finale, les dimensions du pad et du trou, ainsi que la connexion réellement générée sur chaque couche concernée.
Gardez constants le composant, l'alliage de soudure, le flux, la manipulation de la carte et le procédé d'assemblage prévu ; consignez les différences de procédé et la taille de l'échantillon. Incluez la véritable méthode de soudage de production au lieu de supposer que le soudage manuel représente le soudage à la vague ou sélectif.
Définissez les critères d'acceptation du projet avant les essais. Inspectez les joints selon la méthode convenue ; si une question de remplissage interne du trou nécessite un examen destructif, convenez de l'échantillon et de l'emplacement de coupe. Une coupe est une observation locale, et non une preuve concernant tous les joints.
Évaluez séparément la connexion électrique et la température au courant de fonctionnement, au rapport cyclique et dans l'environnement spécifiés. Comparez chaque résultat aux limites de conception ; un joint d'aspect satisfaisant ne démontre pas la marge thermique en fonctionnement.
Consignez la géométrie retenue, les éléments justificatifs, les risques restants et les approbateurs. Si aucun candidat ne satisfait à la fois les exigences d'assemblage et de fonctionnement, révisez le design ou le procédé, puis répétez les vérifications concernées.

Un petit essai pilote peut révéler une différence pratique, mais ne permet pas d'établir la fiabilité sur la durée de vie ni le taux de défaut en production. Convenez de l'échantillonnage et de toute qualification supplémentaire avec les équipes produit et qualité.

Que faut-il inclure dans le dossier transmis pour la fabrication et l'assemblage ?

Fournissez les données libérées du cuivre et du masque de soudure, les fichiers de perçage, l'empilage, les informations sur les composants, les dessins de fabrication et d'assemblage ainsi que le procédé de soudage prévu. Identifiez les pads ou vias qui exigent un type de connexion particulier, notamment les caractéristiques de transfert thermique ou les nets critiques en courant. Signalez les modifications de conception qui doivent être soumises à approbation du fabricant ou de l'assembleur, au lieu de supposer qu'un ajustement CAM global est acceptable.

Un compte rendu de vérification concis rend la décision reproductible :

Information à consigner pour chaque pad ou via critique	Donnée propre au projet à convenir
Identification	Révision du circuit, repère, pad/net et couches concernées.
Cuivre prévu	Connexion à relief ou pleine ; géométrie générée des branches ou connexion directe ; exceptions aux règles par défaut.
Besoin électrique et thermique	Courant de fonctionnement et rapport cyclique, température ou chute de tension admissible, exigences de chemin thermique du composant.
Assemblage	Méthode de soudage, contraintes du composant et modalités d'accès et d'inspection du joint.
Justificatifs de libération	Dessin et critères applicables, échantillon et plan d'essai, résultats, dérogations ouvertes et responsable de la décision.

Joignez à ce compte rendu les critères d'acceptation convenus ainsi que les résultats d'assemblage, d'inspection et de température en fonctionnement. Un contrôle des règles de conception pour la fabrication évalue les règles géométriques encodées ; il ne démontre ni la qualité du joint ni les performances en fonctionnement.

Demandez un devis ou contactez l'équipe en transmettant les données du circuit imprimé et toute exigence particulière de connexion ou d'assemblage. L'équipe projet pourra alors convenir de l'examen de fabricabilité et des livrables disponibles. Le responsable de la conception du produit reste chargé des performances du circuit, des limites des composants et de la qualification finale du produit.

Questions fréquentes

Chaque pad de masse doit-il utiliser un relief thermique ?

Non. La réponse dépend de la fonction du pad, du chemin de cuivre, des exigences du composant et de la méthode de soudage. Une broche de connecteur sans enjeu électrique particulier et une connexion de masse qui doit conduire une quantité importante de chaleur ou de courant peuvent répondre à des priorités différentes.

Un relief thermique refroidit-il un composant ?

Dans ce contexte, son objectif principal est de réduire le flux de chaleur entre un pad et le cuivre environnant pendant le soudage. La limitation de ce même chemin peut réduire son efficacité pour évacuer la chaleur d'un composant en fonctionnement. Évaluez la conception thermique complète au lieu de choisir un relief parce que son nom contient le mot « thermique ».

Un pad relié en plein peut-il tout de même être soudé ?

Oui, si le joint et le procédé d'assemblage sont adaptés à la charge thermique réelle. L'équipement, le profil ou la méthode de chauffage local nécessaire dépend du circuit imprimé, du composant et du procédé de soudage. Confirmez la méthode et inspectez le joint obtenu selon les exigences applicables au projet.

Références

Texas Instruments, Best Practices for Board Layout of Motor Drivers, SLVA959B, révisé en octobre 2021 : chemins thermiques et choix de connexion des vias dans le contexte des pilotes de moteur.
Texas Instruments, PowerPAD Layout Guidelines, SLOA120, mai 2006 : recommandations sur les pads exposés et les vias thermiques pour les constructions décrites.
Altium Designer, Internal Power & Split Planes : options de connexion des plans par relief, connexion directe ou absence de connexion, et considérations de fabrication.
KiCad, PCB Editor 10.0 documentation : réglages de connexion des zones, géométrie du relief et substitutions propres aux pads ; consultez la documentation de la version utilisée.