PCB走线与过孔的电流承载能力分析

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采用FR4敷铜板 PCBA片,通过铜箔走线和过孔,实现了各个器件之间的电气连接。因为不同产品,不同模块电流大小不同,为了实现各种功能,设计者需要知道所设计的走线和过孔是否能承受相应的电流,才能实现产品的功能,防止过流烧毁产品。本文提出了一种FR4镀铜板带走线及过孔载流能力的设计与试验方案及试验结果,可供设计人员在设计时参考,使 PCB的设计更合理,更符合电流要求。

1、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。

2、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。

2.1 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。

2.2 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)。

走线

2.3 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。

走线

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。

2.4 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。

走线

3、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。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

4、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。

5、测试结果分析

在此,只对第一组测试数据结果进行分析。

5.1 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。

走线

根据表1测量数据可以做出一个趋势图,如图1所示:

走线

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。

5.2 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。

走线

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。

走线

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

6、总结

本文通过实验及对实验数据的分析,对敷铜PCB上走线和过空时的电流承载能力有了比较直观的认识。但一方面,由于试板并非由批量供应商生产,生产工艺的不同影响着走线宽度的不同以及镀通孔臂厚度、周长的不同;另一方面,在试验过程中,各试样的散热状态也有所不同。另外,试验板的设计和试验方案均为理想状态,与实际产品的安装位置不同,产品上的部件分布不同,布线密集度不同,以及所用基材的不同,都是试验板无法模拟的,因此分析数据不能直接指导设计。但本实验的数据可供今后进一步研究和设计参考。并可对试验数据进行修正,以便对未来产品的设计情况进行实际验证,更准确地指导设计。

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