如何設計具有電流承載能力的過(guò)孔

2022-03-25

如何設計具有電流承載能力的過(guò)孔

“via”這個(gè)詞最初是一個(gè)拉丁詞，意思是道路或方式。在設計PCB時(shí)，通孔在互連中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，因為它們用于在層之間路由電信號。

過(guò)孔主要包括： 

通過(guò)在面板上鉆孔形成的 導電桶通過(guò)電鍍導電。

連接通孔起始端和終止端的焊盤(pán)。

反焊盤(pán)在桶和未連接通孔的導電銅層之間提供間隙，從而防止短路。 

在這里，我們將討論一些重要的設計規則，以提高通過(guò)過(guò)孔的載流能力。了解PCB通孔如何互連電路板層以了解基礎知識。

過(guò)孔的載流能力是多少？

通孔的主要目的是在多層PCB中將電信號從一層傳輸到另一層。如果電流沒(méi)有流過(guò)特定的過(guò)孔，層之間的互連就會(huì )丟失，整個(gè)電路板設計就會(huì )出現大故障。

一般載流能力方程為：

I = (K) (??T ??1 ) (A ??2 )

在哪里， 

I表示電流，以安培為單位，

?? T是相對于環(huán)境溫度的溫度變化，以°C 為單位， 

A是以密耳為單位的橫截面積，

K是校正因子，在內部導體中等于 0.024，在外部導體中等于 0.048，

??1和??2分別為 0.44 和 0.75。

從數學(xué)的角度來(lái)看，通孔的電流容量取決于走線(xiàn)的橫截面積和溫升。橫截面積再次與跡線(xiàn)寬度和厚度成正比。在一定程度上，承載電流的能力取決于過(guò)孔是埋入式還是通孔式。組件和焊盤(pán)的存在也很重要。

通過(guò)當前容量影響的因素

相對于環(huán)境溫度的溫度變化

載流能力，也稱(chēng)為載流量，是通孔在不超過(guò)額定溫度的情況下可以承載的最大一致電流。焦耳或歐姆加熱（VI 或 I 2 R ）表示任何傳導電流的東西都會(huì )導致散熱并逐漸導致導體和周?chē)h(huán)境的溫度升高。這可能最終導致通孔失敗。 

導電材料的電阻率隨溫度變化。通常，標準電阻率是在20℃時(shí)測量的。因此，每變化1℃，電阻率就會(huì )發(fā)生一定的變化。FR-4材料雖然具有阻燃性，但其結構特性不能承受極高的溫度。在這種情況下，使用熱層壓是完美的策略。下表給出了不同金屬在20℃下計算的電阻率及其應用的信息。 

材料	20℃電阻率	用法
銅 (Cu)	1.68?10^-8	銅線(xiàn)、跡線(xiàn)和合金
金（金）	2.44?10^-8	保護銅腐蝕的電鍍材料
鋁 (Al)	2.65?10^-8	鋁線(xiàn)、跡線(xiàn)和合金
銀(Ag)	1.59?10^-8	電鍍材料，防止腐蝕，提高電阻率。

跡線(xiàn)截面積

截面積與載流能力成正比。這意味著(zhù)更大的表面積、更多的散熱以及更多的載流能力。

現在，橫截面積基于跡線(xiàn)厚度和跡線(xiàn)寬度。由于制造限制，改變走線(xiàn)厚度并不總是可行的。因此，為了達到適當的額定電流，我們可以增加走線(xiàn)寬度。跡線(xiàn)表面積將充當散熱器。當溫度變化10℃時(shí)，較粗的走線(xiàn)比細的走線(xiàn)能更有效地處理電流的突然變化（如前面等式中所述，溫度的變化會(huì )導致電流的變化）。但在某些情況下，空間不足會(huì )阻礙走線(xiàn)寬度的增加。在這種情況下，我們可以通過(guò)在跡線(xiàn)頂部焊接來(lái)增加跡線(xiàn)厚度。

跡線(xiàn)橫截面

為什么要計算過(guò)孔中的電流？

通孔的尺寸是實(shí)現所需額定電流的關(guān)鍵因素之一，因為它們具有電阻值。我們知道電阻率與電導率成反比，因此較大的通孔具有較低的電阻，反之亦然。過(guò)孔中的電阻會(huì )導致散熱。 

如果在設計過(guò)孔時(shí)沒(méi)有考慮所需的額定電流，則走線(xiàn)可能會(huì )被燒毀，并且可能會(huì )出現高壓降的風(fēng)險。

2009 年，IPC 制定了 IPC-2152“印制板設計中的載流能力標準”。它有助于根據所需的額定電流和允許的環(huán)境溫升來(lái)確定適當尺寸的內部和外部導體。

IPC 2152 標準

IPC-2152 取代了已有 50 年歷史的 IPC-2221B 標準。IPC-2221B 在一系列圖表中確定了沒(méi)有多層板時(shí)PCB的溫升、走線(xiàn)中的電流和走線(xiàn)截面積之間的聯(lián)系。

IPC-2152 概述了熱導率、通孔、電路板材料和厚度與電流、跡線(xiàn)橫截面、銅重量和溫度的關(guān)系。它還可以確定外部和內部跡線(xiàn)的準確值。IPC -2152 不僅是一個(gè)實(shí)時(shí)保護程序，而且它還可以幫助PCB設計人員對安全和適當的設計進(jìn)行建模。Sierra Circuits 走線(xiàn)寬度和電流容量計算器基于此標準。您可以計算出一定溫升的跡線(xiàn)面積和電流容量。您可以在以下部分中找到有關(guān)它的更多信息。 

調節載流能力的措施

在PCB設計的一開(kāi)始就采取適當的測量來(lái)控制通孔的載流能力，以確保適當的功能和性能。以下是一些規范當前評級的黃金法則。

通過(guò)制造

在制作過(guò)孔時(shí)，要考慮的三個(gè)重要因素是過(guò)孔內徑、孔壁厚度和焊盤(pán)環(huán)圈。如前所述，通孔和微通孔是通過(guò)電鍍孔來(lái)導電的。通孔的熱導率通過(guò)隆起、塞住或填充來(lái)增加。

帳篷通過(guò)

過(guò)孔的帳篷化實(shí)際上是用阻焊層覆蓋環(huán)形圈和過(guò)孔。它可以保護銅跡線(xiàn)免受腐蝕、氧化，并降低電路短路的風(fēng)險。

帳篷通孔

棕色：銅層  

藍色：鉆孔層  

綠色：阻焊層

過(guò)孔堵塞

過(guò)孔堵塞是一種用環(huán)氧樹(shù)脂完全填充過(guò)孔并用阻焊層封閉的工藝。它可以通過(guò)使用導電或非導電材料來(lái)實(shí)現。在通孔中使用導電填充物可以增加將電流從一層傳輸到另一層的能力。

通過(guò)堵塞

通孔未覆蓋（最有可能的孔尺寸 <= 0.5mm）

通孔部分覆蓋（最有可能的孔尺寸 > 0.3 毫米和 < 0.5 毫米）

通孔完全覆蓋（環(huán)氧樹(shù)脂可能會(huì )或可能不會(huì )填充在通孔內，最有可能的孔尺寸 = 0.3mm）

多級優(yōu)化互連

在這個(gè)過(guò)程中，我們習慣于在層之間建立強大的垂直連接。路由大電流總是涉及使用盡可能多的金屬來(lái)減少熱效應以及降低電感。這是一種在不同導電材料層上使用多個(gè)通孔然后連接的技術(shù)。微孔、埋孔和盲孔最有效地用于減輕不必要的寄生電感和電容。在這方面，可以提到一個(gè)主旨，即較短的互連長(cháng)度會(huì )降低不需要的短截線(xiàn)阻抗。因此，電流承載能力提高。

過(guò)孔的垂直連接

走線(xiàn)寬度計算器

這些表格顯示了溫度和走線(xiàn)寬度對載流能力的影響。

使用模擬方法通過(guò)溫度
走線(xiàn)寬度（密耳）	電流 (A)	微量溫度（℃）	通過(guò)溫度（℃）	通過(guò) T/跟蹤 T
27	4.75	72.8	70.1	96.3
27	6.65	114.2	108.2	94.7
200	4.75	30.8	31.8	103.2
200	8.55	44.8	48.1	107.4

過(guò)孔測試的測量結果
走線(xiàn)寬度（密耳）	電流(A)	微量溫度（℃）	通過(guò)溫度（℃）	通過(guò) T/Trace T
27	4.75	66	64.5	97.7
27	6.65	114	109	95.6
200	4.75	30.5	31.5	103.3
200	8.55	40.5	44.5	109.9

對于大電流PCB，走線(xiàn)寬度計算至關(guān)重要。從上表中，我們可以評估特定走線(xiàn)寬度的載流能力。過(guò)孔被認為是銅圓柱體，其周長(cháng)為 2 ??r 或??d，其中 d 是過(guò)孔的大小。圓周將類(lèi)似于跡線(xiàn)。

Sierra Circuits 走線(xiàn)寬度計算器

Sierra 三合一跟蹤電流計算器

Sierra Circuits 提供了一個(gè)三合一的走線(xiàn)寬度計算器，可以計算走線(xiàn)寬度、走線(xiàn)電流量和溫升。改變任意兩個(gè)參數，我們可以獲得給定跡線(xiàn)厚度的第三個(gè)參數的值。此外，它還可以給出直流電阻值和給定長(cháng)度跡線(xiàn)上的電壓降。走線(xiàn)長(cháng)度和環(huán)境溫度的默認值分別為 1 英寸和 25℃?？梢愿鶕枰倪@些值。該工具具有使用不同單位的靈活性。Sierra 電路走線(xiàn)寬度計算器基于最新的 IPC-2152 標準。 
Sierra 電路通過(guò)電流容量計算器

根據 IPC-2152，過(guò)孔和走線(xiàn)的橫截面積應相同。導致跟蹤電流的因素在確定通孔電流方面也起著(zhù)重要作用。但是我們知道過(guò)孔的電鍍與走線(xiàn)的電鍍不同。因此，精確度和熟練度對于通過(guò)電流計算來(lái)避免PCB性能下降至關(guān)重要。

通過(guò)電流計算器

Sierra Circuits 推出了過(guò) 孔電流容量和溫升計算器 ，以幫助設計人員創(chuàng )建完美的PCB過(guò)孔。該工具可確定通孔直徑、載流能力和環(huán)境溫升。輸入參數的標準值，如過(guò)孔的高度和電鍍厚度，可在幫助部分找到。您可以在方便時(shí)為每個(gè)參數使用不同的單位。設計人員還可以在此處找到特定電流額定值的電阻、電壓降和功率損耗等重要參數。

通過(guò)當前容量影響的其他因素

從上述事實(shí)可以看出，主要是截面積和溫度是決定載流量的因素。但是還有其他因素也會(huì )影響容量。 

過(guò)孔連接到跡線(xiàn)，如果跡線(xiàn)不夠寬，電流尖峰可能會(huì )燒毀跡線(xiàn)或過(guò)孔。這是由于焊接不均勻導致橫截面積增加而走線(xiàn)寬度保持不變。

為避免過(guò)流問(wèn)題，設計人員應考慮使用干凈的電路板（無(wú)污染物）。污染物和灰塵顆粒也會(huì )影響電流承載能力。

在大電流中，具有銳角的彎曲走線(xiàn)會(huì )對載流產(chǎn)生不利影響。盡管在低電流傳輸中這不是什么大問(wèn)題。

PCB基材在這方面也很重要。相同厚度和寬度但基材不同的走線(xiàn)會(huì )極大地影響過(guò)孔的載流能力。這是由于不同材料的導熱特性不同所致。

通孔以較短的路徑將電信號從一層傳輸到另一層，并且可能會(huì )遇到信號完整性問(wèn)題。因此，有效和適當地計算額定電流對于設計它們以消除電路損壞和退化的風(fēng)險是必要的。