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如何評估PCB導體的載流能力?

2024.09.09

PCB的銅厚單位盎司(oz) 


在PCB(印刷電路板)制造中,銅厚是指銅層的厚度,通常以盎司(oz)為單位來衡量。盎司(oz)本身是一個重量單位。盎司和克(g)的換算公式為:1oz≈28.35g。


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PCB疊層的銅厚


在PCB行業中,1oz意思是重量1oz的銅均勻平鋪在1平方英尺(ft2)的面積上所達到的厚度。用公式來表示即,1oz=28.35g/ft2。


根據質量的計算公式m=ρ(密度)×V(體積)=ρ(密度)×S(面積)×t(厚度)。即銅箔的重量除以銅的密度和面積即為銅箔厚度。根據計算得出,1oz銅的厚度約為34.8.um或者1.37mil。


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銅厚單位對照


銅厚影響線路的電流承載能力和PCB的散熱性能。通常可以通過增大線寬來提高PCB線路的載流能力,但是當布線空間有限時,只能通過使用厚銅來滿足線路載流的要求。


哪些因素影響PCB導體的載流能力?


2009年8月,IPC組織發布了最新標準《IPC-2152,Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Circuit Board Design》,取代以前的老標準。


導體溫升(高出環境溫度的溫度增量)是影響PCB導體載流能力的決定性因素,IPC-2152新標準以一套(近100個)圖表的形式公布了,PCB溫升與導線電流、走線寬度、走線厚度、PCB板材、相鄰走線、層間距離、有無涂層、環境條件等諸多因素的關系。


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影響導體溫升的因素


PCB導體電流

相同條件下,電流越大,溫升越高,載流能力下降。


PCB導體寬度

相同橫截面積下,導線越寬,散熱越好,載流能力越好。


PCB導體厚度

相同橫截面積下,導體銅厚越薄,散熱越好,1oz溫升比0.5oz高5~10%,2oz溫升比1oz高10~15%,3oz溫升比2oz高15~20%。


PCB板厚

板厚會影響熱量的傳輸路徑,板越厚,散熱越好。相同的FR-4板材,0.965mm板厚比1.79mm板厚,導體溫升高出30?40%。


PCB板材

板材的導熱率直接影響導體的溫升,導熱率越大,導體溫升越低。銅的導熱率約為FR?4板材的1000倍,FR?4板材的導熱率又是靜止空氣導熱率的10倍。所以在空氣靜止條件下,PCB內部導體的溫升會小于外部導體。


同層相鄰導線

在導線的同一層附近,如果有其他導體,散熱效果將會降低,同層相鄰導體根數越多,散熱越差,溫升越高,載流能力下降。


相鄰層銅平面

相鄰層銅平面對導體溫升影響最大。無論是電源平面、地平面,還是其他銅平面,都有助于散熱從而減小溫升。導體到相鄰層銅平面的距離越近,導體的溫升越低;相鄰層銅平面面積越大,導體溫升越低;相鄰層銅平面越厚,導體溫升越低;相鄰層銅平面數量越多,導體溫升越低。


表面涂層

PCB表面的阻焊漆涂層,也會影響導體散熱效果,涂層越厚,散熱效果越差,溫升越高。


預估PCB走線寬度和銅厚


如下是IPC-2152給出的Conservative Chart(保守圖表),保守圖表的重要之處是它能應對所有情況,包括內部和外部導體、PCB材料、PCB厚度以及空氣(除真空外)等環境條件,從該圖表中獲得的值非常安全,在任何情況(除真空外的環境)下都有效,不考慮其他變量。


工程師們參照保守圖表做設計時,雖然在成本、面積等方面不是最優的,但一定能滿足電流和溫升要求。


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IPC 2152 PCB 電源線寬與電流和溫升的關系圖

圖源Daniel Grillo


可以通過查IPC-2152 Conservative Chart(保守圖表)來計算PCB走線寬度和選擇相應的銅厚。


如紅色箭頭,PCB走線寬度140 mil,使用1oz的銅厚,垂直找到對應的溫升要求10°C,然后回到y軸找到可通過的最大電流2.75A。


如橙色箭頭,如果PCB導體需要通過1A電流,目標溫升30°C,垂直向下找到不同銅厚下,所需要的走線寬度。如使用0.5oz的銅厚時,走線寬度需要達到40mil。


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