簡(jiǎn)介：

 

使用FR4敷銅板PCBA上各個(gè)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(shí)現(xiàn)的。

 

由于不同產(chǎn)品、不同模塊電流大小不同，為實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，設(shè)計(jì)人員需要知道所設(shè)計(jì)的走線和過孔能否承載相應(yīng)的電流，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，防止過流時(shí)產(chǎn)品燒毀。

 

文中介紹設(shè)計(jì)和測(cè)試FR4敷銅板上走線和過孔的電流承載能力的方案和測(cè)試結(jié)果，其測(cè)試結(jié)果可以為設(shè)計(jì)人員在今后的設(shè)計(jì)中提供一定的借鑒，使PCB設(shè)計(jì)更合理、更符合電流要求。

 

引言

 

現(xiàn)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(shí)現(xiàn)著各個(gè)元器件之間平面上的電氣連接，鍍通孔（即VIA）實(shí)現(xiàn)著相同信號(hào)銅箔之間空間上的電氣連接。

 

但是對(duì)于如何來設(shè)計(jì)銅箔的寬度，如何來定義VIA的孔徑，我們一直憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)。

 

為了使layout設(shè)計(jì)更合理和滿足需求，對(duì)不同線徑的銅箔進(jìn)行了電流承載能力的測(cè)試，用測(cè)試結(jié)果作為設(shè)計(jì)的參考。

 

 

影響電流承載能力因素分析

 

產(chǎn)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(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要考慮產(chǎn)品使用環(huán)境、PCB制造工藝、板材質(zhì)量等。

 

2.1 銅箔厚度

 

在產(chǎn)品開發(fā)初期，根據(jù)產(chǎn)品成本以及在該產(chǎn)品上的電流狀態(tài)，定義PCB的銅箔厚度。

 

一般對(duì)于沒有大電流的產(chǎn)品，可以選擇表（內(nèi)）層約17.5μm厚度的銅箔；如果產(chǎn)品有部分大電流，板大小足夠，可以選擇表（內(nèi)）層約35μm厚度的銅箔；如果產(chǎn)品大部分信號(hào)都為大電流，那么必須選（內(nèi)）層約70μm厚度的銅箔。

 

對(duì)于兩層以上的PCB，如果表層和內(nèi)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(nèi)層。

 

以PCB內(nèi)外層均使用35μm銅箔為例：內(nèi)層線路蝕刻完畢后便進(jìn)行層壓，所以內(nèi)層銅箔厚度是35μm。外層線路蝕刻完畢后需要進(jìn)行鉆孔，由于鉆孔后孔不具有電氣連接性能，需要進(jìn)行化學(xué)鍍銅，此過程是全板鍍銅，所以表層銅箔會(huì)鍍上一定厚度的銅，一般約25μm~35μm之間，因此外層實(shí)際銅箔厚度約為52.5μm~70μm。敷銅板供應(yīng)商的能力不同，銅箔均勻度會(huì)有不同，但差異不大，所以對(duì)載流的影響可以忽略。

 

2.2 走線寬度

 

產(chǎn)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(shè)計(jì)值和蝕刻后的實(shí)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(zhuǎn)角處會(huì)有藥水殘留，所以走線轉(zhuǎn)角處一般會(huì)成為最薄弱的地方。

 

這樣，在計(jì)算有轉(zhuǎn)角走線的載流值時(shí)，應(yīng)將在直線走線上測(cè)得的載流值基礎(chǔ)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(xù)電流后會(huì)使該走線發(fā)熱，從而引起持續(xù)溫升，當(dāng)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(jié)合力，走線翹曲形變導(dǎo)致斷裂。

 

 

PCB的走線上通過瞬態(tài)大電流后，會(huì)使銅箔走線最薄弱的地方短時(shí)間來不及向環(huán)境傳熱，近似絕熱系統(tǒng)，溫度急劇升高，達(dá)到銅的熔點(diǎn)溫度，將銅線燒毀。

 

2.4 鍍通孔孔徑

 

鍍通孔通過電鍍?cè)谶^孔孔壁上的銅來實(shí)現(xiàn)不同層之間的電氣連接，由于為整板鍍銅，所以對(duì)于各個(gè)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(zhǎng)。

 

 

測(cè)試PCB設(shè)計(jì)
 

現(xiàn)階段使用TG溫度分別是>135℃和>150℃的基材，由于考慮到ROHS對(duì)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(cè)試板基材選擇Shengyi S1000。

 

測(cè)試板PCB大小采用寬164mm、長(zhǎng)273.3mm。PCB由深圳牧泰萊技術(shù)有限公司制作。測(cè)試板PCB分三組。

 

3.1 第一組：

 

外層銅箔17.5μm，內(nèi)層銅箔35μm，第一組測(cè)試板PCB使用外層17.5μm基銅，內(nèi)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(gè)樣品。

 

內(nèi)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(gè)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(gè)樣品。

 

3.2 第二組：

 

外層銅箔35μm，內(nèi)層銅箔70μm第二組測(cè)試板PCB使用外層35μm基銅，內(nèi)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(gè)樣品。

 

由于對(duì)于70μm的銅箔厚度，現(xiàn)有供應(yīng)商的能力為內(nèi)層最小線徑0.2mm，所以內(nèi)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(gè)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(gè)樣品。

 

3.3 第三組：

 

外層銅箔70μm，內(nèi)層銅箔105μm第三組測(cè)試板PCB使用外層70μm基銅，內(nèi)層105μm基銅。

 

由于對(duì)于70μm的銅箔厚度，現(xiàn)有供應(yīng)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(gè)樣品。

 

由于對(duì)于105μm的銅箔厚度，現(xiàn)有供應(yīng)商的能力為內(nèi)層最小線經(jīng)0.3mm，所以內(nèi)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(gè)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(gè)樣品。

 

測(cè)試方案

根據(jù)IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL的2.5.4多層線路板耐電流部分，設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下：

 

室溫下，對(duì)于內(nèi)外層走線的測(cè)試：將溫度傳感器貼在待測(cè)銅箔走線中間位置，在待測(cè)銅箔走線兩端施加電流，待溫升ΔT穩(wěn)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(duì)于鍍通孔的測(cè)試：將溫度傳感器貼在VIA上，在待測(cè)VIA引出走線兩端施加電流，待溫升ΔT穩(wěn)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(cè)試結(jié)果分析

在此，只對(duì)第一組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

 

5.1 線徑的測(cè)試結(jié)果分析

 

以2.8mm線徑的外層銅箔為例，其測(cè)量數(shù)據(jù)如表1。

 

 

根據(jù)表1測(cè)量數(shù)據(jù)可以做出一個(gè)趨勢(shì)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(shì)圖

 

我們根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)可以承載約8A電流；在溫升為ΔT=40℃時(shí)可以承載約10.8A電流；在溫升為ΔT=60℃時(shí)可以承載約13A電流；在溫升為ΔT=100℃時(shí)可以承載約16A電流；極限耐持續(xù)電流約為20A。

 

根據(jù)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(nèi)層銅箔不同線徑的載流能力。

 

5.2 鍍通孔的測(cè)試結(jié)果分析

 

由于鍍通孔的溫度測(cè)量無法在孔壁的銅層上實(shí)現(xiàn)，我們實(shí)測(cè)的是鍍通孔焊盤面的溫度，所以以下測(cè)試數(shù)據(jù)僅作為參考。

 

圖2 0.15mm孔徑的VIA溫升與電流的趨勢(shì)圖

 

0.15mm孔徑的鍍通孔測(cè)量值0.25mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm孔徑的鍍通孔測(cè)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(nèi)層銅箔的PCB上不同孔徑載流能力數(shù)據(jù)表

 

總結(jié)

 

通過本次實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)敷銅PCB上走線和過空的電流承載能力有了一個(gè)較為感性的認(rèn)識(shí)。

 

但是一方面由于測(cè)試板不是批產(chǎn)供應(yīng)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(zhǎng)的不同；另一方面實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)樣品的散熱狀態(tài)有一定的差異；此外測(cè)試板的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)為理想狀態(tài)，而實(shí)際產(chǎn)品的安裝位置不同，產(chǎn)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(cè)試板無法模擬的，所以分析數(shù)據(jù)不能直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

 

但是在以后的開發(fā)和設(shè)計(jì)中，我們可以借鑒本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以在今后產(chǎn)品中設(shè)計(jì)情況和實(shí)踐驗(yàn)證來修正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便于更準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。