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PCB走線與過(guò)孔的電流承載能力怎么樣?

發(fā)布時(shí)間:2019-12-19 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】產(chǎn)品PCBA不同的模塊功能,其電流大小也不同,那么我們需要考慮起到橋梁作用的走線能否承載通過(guò)的電流。為了使layout設(shè)計(jì)更合理和滿足需求,對(duì)不同線徑的銅箔進(jìn)行了電流承載能力的測(cè)試,用測(cè)試結(jié)果作為設(shè)計(jì)的參考。
 
簡(jiǎn)介:
 
使用FR4敷銅板PCBA上各個(gè)器件之間的電氣連接是通過(guò)其各層敷著的銅箔走線和過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
 
由于不同產(chǎn)品、不同模塊電流大小不同,為實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能,設(shè)計(jì)人員需要知道所設(shè)計(jì)的走線和過(guò)孔能否承載相應(yīng)的電流,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能,防止過(guò)流時(shí)產(chǎn)品燒毀。
 
文中介紹設(shè)計(jì)和測(cè)試FR4敷銅板上走線和過(guò)孔的電流承載能力的方案和測(cè)試結(jié)果,其測(cè)試結(jié)果可以為設(shè)計(jì)人員在今后的設(shè)計(jì)中提供一定的借鑒,使PCB設(shè)計(jì)更合理、更符合電流要求。
 
引言
 
現(xiàn)階段印制電路板(PCB)的主要材料是FR4的敷銅板,銅純度不低99.8%的銅箔實(shí)現(xiàn)著各個(gè)元器件之間平面上的電氣連接,鍍通孔(即VIA)實(shí)現(xiàn)著相同信號(hào)銅箔之間空間上的電氣連接。
 
但是對(duì)于如何來(lái)設(shè)計(jì)銅箔的寬度,如何來(lái)定義VIA的孔徑,我們一直憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)。
 
為了使layout設(shè)計(jì)更合理和滿足需求,對(duì)不同線徑的銅箔進(jìn)行了電流承載能力的測(cè)試,用測(cè)試結(jié)果作為設(shè)計(jì)的參考。
 
 
影響電流承載能力因素分析
 
產(chǎn)品PCBA不同的模塊功能,其電流大小也不同,那么我們需要考慮起到橋梁作用的走線能否承載通過(guò)的電流。
 
決定電流承載能力的因素主要有:銅箔厚度、走線寬度、溫升、鍍通孔孔徑。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,還需要考慮產(chǎn)品使用環(huán)境、PCB制造工藝、板材質(zhì)量等。
 
2.1 銅箔厚度
 
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期,根據(jù)產(chǎn)品成本以及在該產(chǎn)品上的電流狀態(tài),定義PCB的銅箔厚度。
 
一般對(duì)于沒(méi)有大電流的產(chǎn)品,可以選擇表(內(nèi))層約17.5μm厚度的銅箔;如果產(chǎn)品有部分大電流,板大小足夠,可以選擇表(內(nèi))層約35μm厚度的銅箔;如果產(chǎn)品大部分信號(hào)都為大電流,那么必須選(內(nèi))層約70μm厚度的銅箔。
 
對(duì)于兩層以上的PCB,如果表層和內(nèi)層銅箔使用相同厚度,相同線徑走線的承載電流能力,表層大于內(nèi)層。
 
以PCB內(nèi)外層均使用35μm銅箔為例:內(nèi)層線路蝕刻完畢后便進(jìn)行層壓,所以內(nèi)層銅箔厚度是35μm。外層線路蝕刻完畢后需要進(jìn)行鉆孔,由于鉆孔后孔不具有電氣連接性能,需要進(jìn)行化學(xué)鍍銅,此過(guò)程是全板鍍銅,所以表層銅箔會(huì)鍍上一定厚度的銅,一般約25μm~35μm之間,因此外層實(shí)際銅箔厚度約為52.5μm~70μm。敷銅板供應(yīng)商的能力不同,銅箔均勻度會(huì)有不同,但差異不大,所以對(duì)載流的影響可以忽略。
 
2.2 走線寬度
 
產(chǎn)品在銅箔厚度選定后,走線寬度便成為載流能力的決定性因素。
 
走線寬度的設(shè)計(jì)值和蝕刻后的實(shí)際值有一定的偏差,一般允許偏差為+10μm/-60μm。由于走線是蝕刻成型,在走線轉(zhuǎn)角處會(huì)有藥水殘留,所以走線轉(zhuǎn)角處一般會(huì)成為最薄弱的地方。
 
這樣,在計(jì)算有轉(zhuǎn)角走線的載流值時(shí),應(yīng)將在直線走線上測(cè)得的載流值基礎(chǔ)上,乘以(W-0.06)/W(W為走線線寬,單位為mm)。
 
 
2.3 溫升
 
PCB的走線上通過(guò)持續(xù)電流后會(huì)使該走線發(fā)熱,從而引起持續(xù)溫升,當(dāng)溫度升高到基材TG溫度或高于TG溫度,那么可能引起基材起翹、鼓泡等變形,從而影響走線銅箔與基材的結(jié)合力,走線翹曲形變導(dǎo)致斷裂。
 
 
PCB的走線上通過(guò)瞬態(tài)大電流后,會(huì)使銅箔走線最薄弱的地方短時(shí)間來(lái)不及向環(huán)境傳熱,近似絕熱系統(tǒng),溫度急劇升高,達(dá)到銅的熔點(diǎn)溫度,將銅線燒毀。
 
2.4 鍍通孔孔徑
 
鍍通孔通過(guò)電鍍?cè)谶^(guò)孔孔壁上的銅來(lái)實(shí)現(xiàn)不同層之間的電氣連接,由于為整板鍍銅,所以對(duì)于各個(gè)孔徑的鍍通孔,孔壁銅厚均相同。
 
孔的載流能力取決于銅壁周長(zhǎng)。
 
 
測(cè)試PCB設(shè)計(jì)
 
現(xiàn)階段使用TG溫度分別是>135℃和>150℃的基材,由于考慮到ROHS對(duì)無(wú)鉛的要求,PCB將逐步切換為無(wú)鉛,那么必須選擇TG溫度>150℃的基材。
 
所以此次測(cè)試板基材選擇Shengyi S1000。
 
測(cè)試板PCB大小采用寬164mm、長(zhǎng)273.3mm。PCB由深圳牧泰萊技術(shù)有限公司制作。測(cè)試板PCB分三組。
 
3.1 第一組:
 
外層銅箔17.5μm,內(nèi)層銅箔35μm,第一組測(cè)試板PCB使用外層17.5μm基銅,內(nèi)層35μm基銅。
 
外層線徑分別是:0.125mm0.16mm,0.2mm,0.25mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm,0.8 mm,0.9mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,2.0mm,2.4mm,2.8mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm,4.5mm,5.0mm,5.5mm,6.0mm,6.5mm,7.0mm,7.5mm,8.0mm。每種線徑兩個(gè)樣品。
 
內(nèi)層線徑分別是:0.125mm,0.16mm,0.2mm,0.25mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm,0.8 mm,0.9mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,2.0mm,2.4mm,2.8mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm,4.5mm,5.0mm,5.5mm,6.0mm,6.5mm,7.0mm,7.5mm,8.0mm。每種線徑兩個(gè)樣品。
 
鍍通孔孔徑分別是:0.15mm,0.25mm,0.3mm,0.5mm,0.7mm。每種孔徑兩個(gè)樣品。
 
3.2 第二組:
 
外層銅箔35μm,內(nèi)層銅箔70μm第二組測(cè)試板PCB使用外層35μm基銅,內(nèi)層70μm基銅。
 
外層線徑分別是:0.125mm,0.16mm,0.2mm,0.25mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm,0.8 mm,0.9mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,2.0mm,2.4mm,2.8mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm,4.5mm,5.0mm,5.5mm,6.0mm,6.5mm,7.0mm,7.5mm,8.0mm。每種線徑兩個(gè)樣品。
 
由于對(duì)于70μm的銅箔厚度,現(xiàn)有供應(yīng)商的能力為內(nèi)層最小線徑0.2mm,所以內(nèi)層線徑分別是:0.2mm,0.25mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm,0.8 mm,0.9mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,2.0mm,2.4mm,2.8mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm,4.5mm,5.0mm,5.5mm,6.0mm,6.5mm,7.0mm,7.5mm,8.0mm。每種線徑兩個(gè)樣品。
 
鍍通孔孔徑分別是:0.15mm,0.25mm,0.3mm,0.5mm,0.7mm。每種孔徑兩個(gè)樣品。
 
3.3 第三組:
 
外層銅箔70μm,內(nèi)層銅箔105μm第三組測(cè)試板PCB使用外層70μm基銅,內(nèi)層105μm基銅。
 
由于對(duì)于70μm的銅箔厚度,現(xiàn)有供應(yīng)商的能力為外層最小線徑0.3mm,所以外層線徑分別是:0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm,0.8 mm,0.9mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,2.0mm,2.4mm,2.8mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm,4.5mm,5.0mm,5.5mm,6.0mm,6.5mm,7.0mm,7.5mm,8.0mm。每種線徑兩個(gè)樣品。
 
由于對(duì)于105μm的銅箔厚度,現(xiàn)有供應(yīng)商的能力為內(nèi)層最小線經(jīng)0.3mm,所以內(nèi)層線徑分別是:0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm,0.8 mm,0.9mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,2.0mm,2.4mm,2.8mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm,4.5mm,5.0mm,5.5mm,6.0mm,6.5mm,7.0mm,7.5mm,8.0mm。每種線徑兩個(gè)樣品。
 
鍍通孔孔徑分別是:0.15mm,0.25mm,0.3mm,0.5mm,0.7mm。每種孔徑兩個(gè)樣品。
 
測(cè)試方案
根據(jù)IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL的2.5.4多層線路板耐電流部分,設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下:
 
室溫下,對(duì)于內(nèi)外層走線的測(cè)試:將溫度傳感器貼在待測(cè)銅箔走線中間位置,在待測(cè)銅箔走線兩端施加電流,待溫升ΔT穩(wěn)定后,保持3min,記下ΔT。
 
逐步增加電流,直至銅箔走線毀壞。
 
室溫下,對(duì)于鍍通孔的測(cè)試:將溫度傳感器貼在VIA上,在待測(cè)VIA引出走線兩端施加電流,待溫升ΔT穩(wěn)定后,保持3min,記下ΔT。
 
逐步增加電流,直至VIA毀壞。電流值范圍為0~100A。
 
采樣值:0.1A,0.2A,0.3A,0.4A,0.5A,0.6A,0.7A,0.8A,0.9A,1A,1.2A,1.5A,1.8A,2A,2.3A,2.5A,2.7A,3A,4A,5A,6A,7A,8A,9A,10A,15A,20A,25A,30A,35A,40A,45A,50A,55A,60A,65A,70A,75A,80A,85A,90A,95A,100A。
 
測(cè)試結(jié)果分析
在此,只對(duì)第一組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。
 
5.1 線徑的測(cè)試結(jié)果分析
 
以2.8mm線徑的外層銅箔為例,其測(cè)量數(shù)據(jù)如表1。
 
 
根據(jù)表1測(cè)量數(shù)據(jù)可以做出一個(gè)趨勢(shì)圖,如圖1所示
 
圖1 2.8mm外層銅箔線徑的溫升與電流的趨勢(shì)圖
 
我們根據(jù)實(shí)測(cè)值取平均值后,可以得到2.8mm外層銅箔走線在溫升為ΔT=20℃時(shí)可以承載約8A電流;在溫升為ΔT=40℃時(shí)可以承載約10.8A電流;在溫升為ΔT=60℃時(shí)可以承載約13A電流;在溫升為ΔT=100℃時(shí)可以承載約16A電流;極限耐持續(xù)電流約為20A。
 
根據(jù)以上的方法,我們可以得到17.5μm外層銅箔不同線徑的載流能力,35μm內(nèi)層銅箔不同線徑的載流能力。
 
5.2 鍍通孔的測(cè)試結(jié)果分析
 
由于鍍通孔的溫度測(cè)量無(wú)法在孔壁的銅層上實(shí)現(xiàn),我們實(shí)測(cè)的是鍍通孔焊盤面的溫度,所以以下測(cè)試數(shù)據(jù)僅作為參考。
 
圖2 0.15mm孔徑的VIA溫升與電流的趨勢(shì)圖
 
0.15mm孔徑的鍍通孔測(cè)量值0.25mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm孔徑的鍍通孔測(cè)量值的圖形在此就省略了,匯總后,可以得到表2
 
表2 17.5μm外層/35μm內(nèi)層銅箔的PCB上不同孔徑載流能力數(shù)據(jù)表
 
總結(jié)
 
通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,對(duì)敷銅PCB上走線和過(guò)空的電流承載能力有了一個(gè)較為感性的認(rèn)識(shí)。
 
但是一方面由于測(cè)試板不是批產(chǎn)供應(yīng)商制作的,制作工藝的不同影響到走線寬度的不同和鍍通孔孔臂厚度和周長(zhǎng)的不同;另一方面實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)樣品的散熱狀態(tài)有一定的差異;此外測(cè)試板的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)為理想狀態(tài),而實(shí)際產(chǎn)品的安裝位置不同,產(chǎn)品上的元器件分布的不同,布線的密集度以及使用基材的不同,都是測(cè)試板無(wú)法模擬的,所以分析數(shù)據(jù)不能直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
 
但是在以后的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中,我們可以借鑒本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以在今后產(chǎn)品中設(shè)計(jì)情況和實(shí)踐驗(yàn)證來(lái)修正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以便于更準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
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