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线宽与热过孔

在过去，走线宽度、电流和温升的关系通常会引用 IPC-2221 标准，但其所用公式基本上是从老旧的 MIL-STD-275 标准抄来的。其没有考虑如底部铺铜、内/外层走线、导线厚度等影响，现已被基于实验测定的 IPC-2152 标准替代，因此本文主要基于 IPC-2152 与部分论文及报告编写，不考虑 IPC-2221 中的内容。

需要注意的是，标准测试使用的环境较为理想化，实际中必须进行测试以检查效果。

Credit: Würth Elektronik

环境假设

IPC-2152 中进行了一些假设：

  • 走线相对电路板面积较小，且走线外的电路板面积达 76.2 x 76.2 mm
  • 电路板厚度在 1.52 ~ 1.79 mm 范围内，材质为 FR4
  • 没有对制造过程中造成的线宽误差进行补偿
  • 临近走线在 25.4 mm 外，否则需要使用线宽和与电流和

走线宽度

标准中提供了大量不同环境与情况下的测试结果图表，但没有提供任何公式，使用时需通过查表找出对应的值。但在实际设计过程中，可以使用各个 EDA 自带的计算工具，也可以使用比较知名的 Saturn PCB Toolkit 的 Conductor Properties 模式，无需手动计算。

KiCAD 提供的计算器仍在使用 IPC-2221 标准，相关 issue 在 2018 年就已提出，但尚未实现，因此建议使用其它工具。

通常而言我们会以 10℃ 温升作为理想目标，20℃ 作为绝对目标。但据主导该标准工作的 Mike Jouppi 所说，根据该标准设计的走线值通常会比实际需要更宽，因此可以在一定范围内缩减线宽，以节约板上空间。

如果无法在单层走线下满足线宽目标，有以下几种办法：

  • 通过多层板并联走线，并使用多个过孔平衡各层电流
    • 使用过孔会从各层削掉一部分铜，因此大量使用过孔有可能会导致走线的等效宽度降低，因此使用时需控制数量，或是使用过孔塞铜等工艺（但会显著增加成本）
  • 使用焊锡或是铜片/铜排增加导线厚度
    • 需注意使用环境，防止短路或触电
    • 有大量关于焊锡加厚导线的效果和性价比的争论，建议预先进行测试和计算
    • 可能导致成本飙升
  • 使用铝基板或主动冷却来加快散热，以提升载流能力

热过孔（Thermal Via）

热过孔其实就是普通的过孔，但其作用为通过孔壁铜层快速将热量传导到电路板的背面，协助降低整块 PCB 的热量。在放置热过孔时，需尽量将其放置在地平面，借助内外层的铺铜区快速将热量扩散开，并尽可能靠近热源。

以下内容参考了一项研究，其提供了关于热过孔设计的以下几点：

  • 在过孔排布上，使用交叉排列可以比矩阵排列增加约 \(15.5\%\) 的过孔数量，热阻降为矩阵排列的约 \(86.6\%\)

    Array style Crossover style

  • 过孔间距越小，传热越快

    • 需参考厂商可制造性
    • 避免孔距过小造成断裂
    • 避免过度掏空，造成路径电阻增加

  • 对于跨板传热，过孔对热量传导的影响最大，板厚、铜厚和层数基本不影响热传导。在长宽方向过孔数一致时，简化的归一化过孔热阻为：

    • \(t_{PTH}\)：孔壁铜厚
    • \(s\)：过孔边到边间距
    • \(k\)：材质的导热系数，单位为 \(W/mK\)（瓦/米·度）
      • 空气：0.026 W/m·K @ 25°C
      • 铜：393 W/m·K @ 25°C
      • FR4（跨平面）：0.29 W/m·K @ 25°C
      • 塞铜工艺使用的铜浆不是纯铜，需参考厂商提供的值
    \[ \Theta \approx \frac{2 \sqrt{3} (s + \phi)^{2} k_{FR4}}{4 \pi k_{Cu} t_{PTH} (\phi - t_{PTH}) + \pi k_{filler}(\phi - 2 t_{PTH})^{2}} \]

参考