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技術(shù)專題
電路設(shè)計通過電流承載能力：過熱的溫度有多高？
設(shè)計人員普遍提出的一個問題是電路設(shè)計中導(dǎo)體的載流能力。走線和通過載流能力是設(shè)計載有大電流的新板時要重點關(guān)注的合法設(shè)計要點。目的是使導(dǎo)體溫度保持在適當(dāng)?shù)臉O限以下，這有助于使電路板上的元件保持壽命。
盡管建議的走線電流容量已在IPC 2152標(biāo)準(zhǔn)中進行了很好的探索和記錄，但多層板上的過孔受到的關(guān)注卻很少。一些十字軍一直在忙于通過載流能力和溫度極限來研究這些問題，以及如何將其與載有相同電流的典型走線的溫度進行比較。讓我們深入研究一下電路設(shè)計中通孔的熱需求的當(dāng)前狀態(tài)（無雙關(guān)），以及它們與內(nèi)部和外部電路設(shè)計走線的比較。
您的走線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。確定跡線大小的目標(biāo)是確保您的電路板和組件保持在安全的工作溫度范圍內(nèi)。尺寸跡線的規(guī)則通常應(yīng)用于尺寸過孔，但是設(shè)計人員可能會對安全過孔溫度限制有所保留。我什至看到一些新手設(shè)計師擔(dān)心如果溫度升高過高，操作期間的過孔會融化。盡管過孔不會變熱，但重要的是將過孔的溫度與它們所連接的走線和平面進行比較。
可能會有一種直覺，即通孔的兩端均以大電流連接到熱跡線上，其溫度至少應(yīng)與與其相連的跡線一樣高。這似乎是有道理的。在高電流下（大約5-10 A的銅重量很低），連接的走線和附近的平面可能會變得很熱，那么通孔中是否會積聚熱量？另外，自然可以得出這樣的結(jié)論，即表層上的跡線比內(nèi)層上的跡線涼爽。那么這會不會導(dǎo)致過孔在通過板內(nèi)部時達到更高的溫度？這些問題圍繞著與通孔可靠性有關(guān)的要點，特別是對于微通孔而言。
實際上，實際情況可能與我們的直覺相反。首先，表面層上的走線會比內(nèi)部層上的走線熱。這是因為FR4的熱導(dǎo)率（0.25 W / m·K）比空氣大一個數(shù)量級。有替代的基板選項可提供更高的導(dǎo)熱率。這意味著基板就像是散熱器一樣，用于穿過基板的導(dǎo)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更冷的原因。
據(jù)我所知，這些測量值提供了根據(jù)IPC 2152標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的走線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(jié)果和模擬結(jié)果。
仿真和測量結(jié)果
在這里，我們可以看到細跡線的走線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和通孔的熱導(dǎo)率差異。實際上，熱量從通孔消散的速度比從細跡線消散的速度快。
上面給出的結(jié)果表明與上面提到的熱導(dǎo)率參數(shù)I矛盾。當(dāng)走線變得很寬（200密耳）時，走線現(xiàn)在比通孔溫度更低，盡管溫差僅為幾攝氏度。離開跡線的熱通量取決于裸露的表面積和周圍介質(zhì)的熱導(dǎo)率。在這種情況下，寬走線的裸露表面積較大，走線的散熱速度要比通孔快。這導(dǎo)致走線具有較低的平衡溫度。這種關(guān)系可以很好地概括如下：
當(dāng)走線較寬時，通孔就像走線的小散熱器一樣。
當(dāng)走線較細時，走線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。首先，不考慮平面層，平面層的作用就像一個大的散熱器，從而進一步降低了導(dǎo)體的溫度。接下來，具有高導(dǎo)熱率的替代基板（例如，陶瓷或金屬芯電路設(shè)計）將從導(dǎo)體吸收更多的熱量，從而導(dǎo)致所有導(dǎo)體的平衡溫度更低。
只要按照IPC 2152標(biāo)準(zhǔn)中指定的最小走線寬度來調(diào)整電路設(shè)計走線的大小，并且過孔的大小可以符合DFM標(biāo)準(zhǔn)和適用的IPC標(biāo)準(zhǔn)，您就不必?fù)?dān)心過孔的溫度升高。通孔內(nèi)部的多余熱量會散發(fā)到基板和附近的跡線中。在走線非常寬的情況下，與過孔相比，走線具有更大的散熱表面。在這種情況下，熱量以比離開通孔更快的速度離開走線，因此走線將達到較低的平衡溫度。