如何保证PCB设计符合电流要求?PCB走线与过孔的电流承载能力总结
单片机与嵌入式 2024-05-10

简介

使用FR4敷铜板PCBA上各个器件之间的电气连接是通过其各层敷着的铜箔走线和过孔来实现的。

由于不同产品、不同模块电流大小不同,为实现各个功能,设计人员需要知道所设计的走线和过孔能否承载相应的电流,以实现产品的功能,防止过流时产品烧毁。

文中介绍设计和测试FR4敷铜板上走线和过孔的电流承载能力的方案和测试结果,其测试结果可以为设计人员在今后的设计中提供一定的借鉴,使PCB设计更合理、更符合电流要求。

引言 

现阶段印制电路板(PCB)的主要材料是FR4的敷铜板,铜纯度不低99.8%的铜箔实现着各个元器件之间平面上的电气连接,镀通孔(即VIA)实现着相同信号铜箔之间空间上的电气连接。 但是对于如何来设计铜箔的宽度,如何来定义VIA的孔径,我们一直凭经验来设计。

为了使layout设计更合理和满足需求,对不同线径的铜箔进行了电流承载能力的测试,用测试结果作为设计的参考。

影响电流承载能力因素分析

产品PCBA不同的模块功能,其电流大小也不同,那么我们需要考虑起到桥梁作用的走线能否承载通过的电流。决定电流承载能力的因素主要有:
铜箔厚度、走线宽度、温升、镀通孔孔径。在实际设计中,还需要考虑产品使用环境、PCB制造工艺、板材质量等。

1 铜箔厚度 

在产品开发初期,根据产品成本以及在该产品上的电流状态,定义PCB的铜箔厚度。 一般对于没有大电流的产品,可以选择表(内)层约17.5μm厚度的铜箔:

  • 如果产品有部分大电流,板大小足够,可以选择表(内)层约35μm厚度的铜箔;
  • 如果产品大部分信号都为大电流,那么必须选(内)层约70μm厚度的铜箔。

对于两层以上的PCB,如果表层和内层铜箔使用相同厚度,相同线径走线的承载电流能力,表层大于内层。 以PCB内外层均使用35μm铜箔为例:内层线路蚀刻完毕后便进行层压,所以内层铜箔厚度是35μm。外层线路蚀刻完毕后需要进行钻孔,由于钻孔后孔不具有电气连接性能,需要进行化学镀铜,此过程是全板镀铜,所以表层铜箔会镀上一定厚度的铜,一般约25μm~35μm之间,因此外层实际铜箔厚度约为52.5μm~70μm。 敷铜板供应商的能力不同,铜箔均匀度会有不同,但差异不大,所以对载流的影响可以忽略。


2 走线宽度 

产品在铜箔厚度选定后,走线宽度便成为载流能力的决定性因素。走线宽度的设计值和蚀刻后的实际值有一定的偏差,一般允许偏差为+10μm/-60μm。由于走线是蚀刻成型,在走线转角处会有药水残留,所以走线转角处一般会成为最薄弱的地方。 这样,在计算有转角走线的载流值时,应将在直线走线上测得的载流值基础上,乘以(W-0.06)/W(W为走线线宽,单位为mm)。

3 温升 

PCB的走线上通过持续电流后会使该走线发热,从而引起持续温升,当温度升高到基材TG温度或高于TG温度,那么可能引起基材起翘、鼓泡等变形,从而影响走线铜箔与基材的结合力,走线翘曲形变导致断裂。

 

PCB的走线上通过瞬态大电流后,会使铜箔走线最薄弱的地方短时间来不及向环境传热,近似绝热系统,温度急剧升高,达到铜的熔点温度,将铜线烧毁。

4 镀通孔孔径 

镀通孔通过电镀在过孔孔壁上的铜来实现不同层之间的电气连接,由于为整板镀铜,所以对于各个孔径的镀通孔,孔壁铜厚均相同。不同孔径镀通孔的载流能力取决于铜壁周长。

测试PCB设计 

现阶段使用TG温度分别是>135℃和>150℃的基材,由于考虑到ROHS对无铅的要求,PCB将逐步切换为无铅,那么必须选择TG温度>150℃的基材。所以此次测试板基材选择Shengyi S1000。

测试板PCB大小采用宽164mm、长273.3mm。PCB由深圳牧泰莱技术有限公司制作。测试板PCB分三组。

1 第一组: 

外层铜箔17.5μm,内层铜箔35μm第一组测试板PCB使用外层17.5μm基铜,内层35μm基铜。 外层线径分别是: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。 每种线径两个样品。 内层线径分别是: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。 每种线径两个样品。

镀通孔孔径分别是:0.15mm,0.25mm,0.3mm,0.5mm,0.7mm。
每种孔径两个样品。

2 第二组: 

外层铜箔35μm,内层铜箔70μm第二组测试板PCB使用外层35μm基铜,内层70μm基铜。 外层线径分别是: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。 每种线径两个样品。

由于对于70μm的铜箔厚度,现有供应商的能力为内层最小线径0.2mm,所以内层线径分别是: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。
每种线径两个样品。
镀通孔孔径分别是:0.15mm,0.25mm,0.3mm,0.5mm,0.7mm。
每种孔径两个样品。

3 第三组: 

外层铜箔70μm,内层铜箔105μm第三组测试板PCB使用外层70μm基铜,内层105μm基铜。 由于对于70μm的铜箔厚度,现有供应商的能力为外层最小线径0.3mm,所以外层线径分别是: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。 每种线径两个样品。

由于对于105μm的铜箔厚度,现有供应商的能力为内层最小线经0.3mm,所以内层线径分别是: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。
每种线径两个样品。 镀通孔孔径分别是:0.15mm,0.25mm,0.3mm,0.5mm,0.7mm。 每种孔径两个样品。
测试方案
根据IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL的2.5.4多层线路板耐电流部分,设计测试方案如下。 室温下,对于内外层走线的测试:将温度传感器贴在待测铜箔走线中间位置,在待测铜箔走线两端施加电流,待温升ΔT稳定后,保持3min,记下ΔT。逐步增加电流,直至铜箔走线毁坏。
室温下,对于镀通孔的测试:将温度传感器贴在VIA上,在待测VIA引出走线两端施加电流,待温升ΔT稳定后,保持3min,记下ΔT。逐步增加电流,直至VIA毁坏。
电流值范围为0~100A。 采样值: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。
测试结果分析

在此,只对第一组测试数据结果进行分析。1 线径的测试结果分析 以2.8mm线径的外层铜箔为例,其测量数据如表1。 

根据表1测量数据可以做出一个趋势图,如图1所示:

图1 2.8mm外层铜箔线径的温升与电流的趋势图 

我们根据实测值取平均值后,可以得到2.8mm,外层铜箔走线在温升为ΔT=20℃时可以承载约8A电流;在温升为ΔT=40℃时可以承载约10.8A电流;在温升为ΔT=60℃时可以承载约13A电流;在温升为ΔT=100℃时可以承载约16A电流;极限耐持续电流约为20A。 根据以上的方法,我们可以得到17.5μm外层铜箔不同线径的载流能力,35μm内层铜箔不同线径的载流能力。

2 镀通孔的测试结果分析 

由于镀通孔的温度测量无法在孔壁的铜层上实现,我们实测的是镀通孔焊盘面的温度,所以以下测试数据仅作为参考。

图2 0.15mm孔径的VIA温升与电流的趋势图0.15mm孔径的镀通孔测量值 

0.25mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm孔径的镀通孔测量值的图形在此就省略了,汇总后,可以得到表2。

表2 17.5μm外层/35μm内层铜箔的PCB上不同孔径载流能力数据表

总结

通过本次实验和对实验数据的分析,对敷铜PCB上走线和过空的电流承载能力有了一个较为感性的认识。
但是一方面由于测试板不是批产供应商制作的,制作工艺的不同影响到走线宽度的不同和镀通孔孔臂厚度和周长的不同;另一方面实验过程中每个样品的散热状态有一定的差异。
此外测试板的设计和实验方案的设计为理想状态,而实际产品的安装位置不同,产品上的元器件分布的不同,布线的密集度以及使用基材的不同,都是测试板无法模拟的,所以分析数据不能直接指导设计。
但是在以后的开发和设计中,我们可以借鉴本次实验的数据。同时也可以在今后产品中设计情况和实践验证来修正实验数据,以便于更准确地指导设计。


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