電路設計通過(guò)電流承載能力：過(guò)熱的溫度有多高？

2020-07-06

設計人員普遍提出的一個(gè)問(wèn)題是電路設計中導體的載流能力。走線(xiàn)和通過(guò)載流能力是設計載有大電流的新板時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注的合法設計要點(diǎn)。目的是使導體溫度保持在適當的極限以下，這有助于使電路板上的元件保持壽命。

盡管建議的走線(xiàn)電流容量已在IPC 2152標準中進(jìn)行了很好的探索和記錄，但多層板上的過(guò)孔受到的關(guān)注卻很少。一些十字軍一直在忙于通過(guò)載流能力和溫度極限來(lái)研究這些問(wèn)題，以及如何將其與載有相同電流的典型走線(xiàn)的溫度進(jìn)行比較。讓我們深入研究一下電路設計中通孔的熱需求的當前狀態(tài)（無(wú)雙關(guān)），以及它們與內部和外部電路設計走線(xiàn)的比較。

您的走線(xiàn)具有指定的載流能力，可使用IPC 2152 nomograph的銅重量和所需的溫升確定載流能力。確定跡線(xiàn)大小的目標是確保您的電路板和組件保持在安全的工作溫度范圍內。尺寸跡線(xiàn)的規則通常應用于尺寸過(guò)孔，但是設計人員可能會(huì )對安全過(guò)孔溫度限制有所保留。我什至看到一些新手設計師擔心如果溫度升高過(guò)高，操作期間的過(guò)孔會(huì )融化。盡管過(guò)孔不會(huì )變熱，但重要的是將過(guò)孔的溫度與它們所連接的走線(xiàn)和平面進(jìn)行比較。

可能會(huì )有一種直覺(jué)，即通孔的兩端均以大電流連接到熱跡線(xiàn)上，其溫度至少應與與其相連的跡線(xiàn)一樣高。這似乎是有道理的。在高電流下（大約5-10 A的銅重量很低），連接的走線(xiàn)和附近的平面可能會(huì )變得很熱，那么通孔中是否會(huì )積聚熱量？另外，自然可以得出這樣的結論，即表層上的跡線(xiàn)比內層上的跡線(xiàn)涼爽。那么這會(huì )不會(huì )導致過(guò)孔在通過(guò)板內部時(shí)達到更高的溫度？這些問(wèn)題圍繞著(zhù)與通孔可靠性有關(guān)的要點(diǎn)，特別是對于微通孔而言。

實(shí)際上，實(shí)際情況可能與我們的直覺(jué)相反。首先，表面層上的走線(xiàn)會(huì )比內部層上的走線(xiàn)熱。這是因為FR4的熱導率（0.25 W / m·K）比空氣大一個(gè)數量級。有替代的基板選項可提供更高的導熱率。這意味著(zhù)基板就像是散熱器一樣，用于穿過(guò)基板的導體。這也適用于通孔，并有助于解釋為什么通孔比與之相連的走線(xiàn)更冷的原因。

據我所知，這些測量值提供了根據IPC 2152標準設計的走線(xiàn)及其連接的通孔中溫度的首次比較。下表列出了這些測量結果和模擬結果。

仿真和測量結果

在這里，我們可以看到細跡線(xiàn)的走線(xiàn)溫度往往比連接到它們的通孔要高，溫度差僅為幾攝氏度。這可以歸因于暴露于空氣的跡線(xiàn)和通孔的熱導率差異。實(shí)際上，熱量從通孔消散的速度比從細跡線(xiàn)消散的速度快。

上面給出的結果表明與上面提到的熱導率參數I矛盾。當走線(xiàn)變得很寬（200密耳）時(shí)，走線(xiàn)現在比通孔溫度更低，盡管溫差僅為幾攝氏度。離開(kāi)跡線(xiàn)的熱通量取決于裸露的表面積和周?chē)橘|(zhì)的熱導率。在這種情況下，寬走線(xiàn)的裸露表面積較大，走線(xiàn)的散熱速度要比通孔快。這導致走線(xiàn)具有較低的平衡溫度。這種關(guān)系可以很好地概括如下：

當走線(xiàn)較寬時(shí)，通孔就像走線(xiàn)的小散熱器一樣。

當走線(xiàn)較細時(shí)，走線(xiàn)的作用就像是通孔的小散熱片。

在此分析中還需要考慮其他一些要點(diǎn)。首先，不考慮平面層，平面層的作用就像一個(gè)大的散熱器，從而進(jìn)一步降低了導體的溫度。接下來(lái)，具有高導熱率的替代基板（例如，陶瓷或金屬芯電路設計）將從導體吸收更多的熱量，從而導致所有導體的平衡溫度更低。

只要按照IPC 2152標準中指定的最小走線(xiàn)寬度來(lái)調整電路設計走線(xiàn)的大小，并且過(guò)孔的大小可以符合DFM標準和適用的IPC標準，您就不必擔心過(guò)孔的溫度升高。通孔內部的多余熱量會(huì )散發(fā)到基板和附近的跡線(xiàn)中。在走線(xiàn)非常寬的情況下，與過(guò)孔相比，走線(xiàn)具有更大的散熱表面。在這種情況下，熱量以比離開(kāi)通孔更快的速度離開(kāi)走線(xiàn)，因此走線(xiàn)將達到較低的平衡溫度。