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PCB走線與過孔的電流承載能力怎么樣?

發布時間:2019-12-19 責任編輯:xueqi

【導讀】產品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的電流。為了使layout設計更合理和滿足需求,對不同線徑的銅箔進行了電流承載能力的測試,用測試結果作為設計的參考。
 
簡介:
 
使用FR4敷銅板PCBA上各個器件之間的電氣連接是通過其各層敷著的銅箔走線和過孔來實現的。
 
由于不同產品、不同模塊電流大小不同,為實現各個功能,設計人員需要知道所設計的走線和過孔能否承載相應的電流,以實現產品的功能,防止過流時產品燒毀。
 
文中介紹設計和測試FR4敷銅板上走線和過孔的電流承載能力的方案和測試結果,其測試結果可以為設計人員在今后的設計中提供一定的借鑒,使PCB設計更合理、更符合電流要求。
 
引言
 
現階段印制電路板(PCB)的主要材料是FR4的敷銅板,銅純度不低99.8%的銅箔實現著各個元器件之間平面上的電氣連接,鍍通孔(即VIA)實現著相同信號銅箔之間空間上的電氣連接。
 
但是對于如何來設計銅箔的寬度,如何來定義VIA的孔徑,我們一直憑經驗來設計。
 
為了使layout設計更合理和滿足需求,對不同線徑的銅箔進行了電流承載能力的測試,用測試結果作為設計的參考。
 
 
影響電流承載能力因素分析
 
產品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。在實際設計中,還需要考慮產品使用環境、PCB制造工藝、板材質量等。
 
2.1 銅箔厚度
 
在產品開發初期,根據產品成本以及在該產品上的電流狀態,定義PCB的銅箔厚度。
 
一般對于沒有大電流的產品,可以選擇表(內)層約17.5μm厚度的銅箔;如果產品有部分大電流,板大小足夠,可以選擇表(內)層約35μm厚度的銅箔;如果產品大部分信號都為大電流,那么必須選(內)層約70μm厚度的銅箔。
 
對于兩層以上的PCB,如果表層和內層銅箔使用相同厚度,相同線徑走線的承載電流能力,表層大于內層。
 
以PCB內外層均使用35μm銅箔為例:內層線路蝕刻完畢后便進行層壓,所以內層銅箔厚度是35μm。外層線路蝕刻完畢后需要進行鉆孔,由于鉆孔后孔不具有電氣連接性能,需要進行化學鍍銅,此過程是全板鍍銅,所以表層銅箔會鍍上一定厚度的銅,一般約25μm~35μm之間,因此外層實際銅箔厚度約為52.5μm~70μm。敷銅板供應商的能力不同,銅箔均勻度會有不同,但差異不大,所以對載流的影響可以忽略。
 
2.2 走線寬度
 
產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。
 
走線寬度的設計值和蝕刻后的實際值有一定的偏差,一般允許偏差為+10μm/-60μm。由于走線是蝕刻成型,在走線轉角處會有藥水殘留,所以走線轉角處一般會成為最薄弱的地方。
 
這樣,在計算有轉角走線的載流值時,應將在直線走線上測得的載流值基礎上,乘以(W-0.06)/W(W為走線線寬,單位為mm)。
 
 
2.3 溫升
 
PCB的走線上通過持續電流后會使該走線發熱,從而引起持續溫升,當溫度升高到基材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合力,走線翹曲形變導致斷裂。
 
 
PCB的走線上通過瞬態大電流后,會使銅箔走線最薄弱的地方短時間來不及向環境傳熱,近似絕熱系統,溫度急劇升高,達到銅的熔點溫度,將銅線燒毀。
 
2.4 鍍通孔孔徑
 
鍍通孔通過電鍍在過孔孔壁上的銅來實現不同層之間的電氣連接,由于為整板鍍銅,所以對于各個孔徑的鍍通孔,孔壁銅厚均相同。
 
孔的載流能力取決于銅壁周長。
 
 
測試PCB設計
 
現階段使用TG溫度分別是>135℃和>150℃的基材,由于考慮到ROHS對無鉛的要求,PCB將逐步切換為無鉛,那么必須選擇TG溫度>150℃的基材。
 
所以此次測試板基材選擇Shengyi S1000。
 
測試板PCB大小采用寬164mm、長273.3mm。PCB由深圳牧泰萊技術有限公司制作。測試板PCB分三組。
 
3.1 第一組:
 
外層銅箔17.5μm,內層銅箔35μm,第一組測試板PCB使用外層17.5μm基銅,內層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。每種線徑兩個樣品。
 
內層線徑分別是: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。每種孔徑兩個樣品。
 
3.2 第二組:
 
外層銅箔35μm,內層銅箔70μm第二組測試板PCB使用外層35μm基銅,內層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。每種線徑兩個樣品。
 
由于對于70μm的銅箔厚度,現有供應商的能力為內層最小線徑0.2mm,所以內層線徑分別是: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。每種孔徑兩個樣品。
 
3.3 第三組:
 
外層銅箔70μm,內層銅箔105μm第三組測試板PCB使用外層70μm基銅,內層105μm基銅。
 
由于對于70μm的銅箔厚度,現有供應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。每種線徑兩個樣品。
 
由于對于105μm的銅箔厚度,現有供應商的能力為內層最小線經0.3mm,所以內層線徑分別是: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。每種孔徑兩個樣品。
 
測試方案
根據IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL的2.5.4多層線路板耐電流部分,設計測試方案如下:
 
室溫下,對于內外層走線的測試:將溫度傳感器貼在待測銅箔走線中間位置,在待測銅箔走線兩端施加電流,待溫升ΔT穩定后,保持3min,記下ΔT。
 
逐步增加電流,直至銅箔走線毀壞。
 
室溫下,對于鍍通孔的測試:將溫度傳感器貼在VIA上,在待測VIA引出走線兩端施加電流,待溫升ΔT穩定后,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。
 
測試結果分析
在此,只對第一組測試數據結果進行分析。
 
5.1 線徑的測試結果分析
 
以2.8mm線徑的外層銅箔為例,其測量數據如表1。
 
 
根據表1測量數據可以做出一個趨勢圖,如圖1所示
 
圖1 2.8mm外層銅箔線徑的溫升與電流的趨勢圖
 
我們根據實測值取平均值后,可以得到2.8mm外層銅箔走線在溫升為ΔT=20℃時可以承載約8A電流;在溫升為ΔT=40℃時可以承載約10.8A電流;在溫升為ΔT=60℃時可以承載約13A電流;在溫升為ΔT=100℃時可以承載約16A電流;極限耐持續電流約為20A。
 
根據以上的方法,我們可以得到17.5μm外層銅箔不同線徑的載流能力,35μm內層銅箔不同線徑的載流能力。
 
5.2 鍍通孔的測試結果分析
 
由于鍍通孔的溫度測量無法在孔壁的銅層上實現,我們實測的是鍍通孔焊盤面的溫度,所以以下測試數據僅作為參考。
 
圖2 0.15mm孔徑的VIA溫升與電流的趨勢圖
 
0.15mm孔徑的鍍通孔測量值0.25mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm孔徑的鍍通孔測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內層銅箔的PCB上不同孔徑載流能力數據表
 
總結
 
通過本次實驗和對實驗數據的分析,對敷銅PCB上走線和過空的電流承載能力有了一個較為感性的認識。
 
但是一方面由于測試板不是批產供應商制作的,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的不同;另一方面實驗過程中每個樣品的散熱狀態有一定的差異;此外測試板的設計和實驗方案的設計為理想狀態,而實際產品的安裝位置不同,產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,都是測試板無法模擬的,所以分析數據不能直接指導設計。
 
但是在以后的開發和設計中,我們可以借鑒本次實驗的數據。同時也可以在今后產品中設計情況和實踐驗證來修正實驗數據,以便于更準確地指導設計。
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