電(diàn)路设计通过電(diàn)流承载能(néng)力：过热的温度有(yǒu)多(duō)高？

2020-07-06

设计人员普遍提出的一个问题是電(diàn)路设计中导體(tǐ)的载流能(néng)力。走線(xiàn)和通过载流能(néng)力是设计载有(yǒu)大電(diàn)流的新(xīn)板时要重点关注的合法设计要点。目的是使导體(tǐ)温度保持在适当的极限以下，这有(yǒu)助于使電(diàn)路板上的元件保持寿命。

尽管建议的走線(xiàn)電(diàn)流容量已在IPC 2152标准中进行了很(hěn)好的探索和记录，但多(duō)层板上的过孔受到的关注却很(hěn)少。一些十字军一直在忙于通过载流能(néng)力和温度极限来研究这些问题，以及如何将其与载有(yǒu)相同電(diàn)流的典型走線(xiàn)的温度进行比较。让我们深入研究一下電(diàn)路设计中通孔的热需求的当前状态（无双关），以及它们与内部和外部電(diàn)路设计走線(xiàn)的比较。

您的走線(xiàn)具有(yǒu)指定的载流能(néng)力，可(kě)使用(yòng)IPC 2152 nomograph的铜重量和所需的温升确定载流能(néng)力。确定迹線(xiàn)大小(xiǎo)的目标是确保您的電(diàn)路板和组件保持在安全的工作温度范围内。尺寸迹線(xiàn)的规则通常应用(yòng)于尺寸过孔，但是设计人员可(kě)能(néng)会对安全过孔温度限制有(yǒu)所保留。我什至看到一些新(xīn)手设计师担心如果温度升高过高，操作期间的过孔会融化。尽管过孔不会变热，但重要的是将过孔的温度与它们所连接的走線(xiàn)和平面进行比较。

可(kě)能(néng)会有(yǒu)一种直觉，即通孔的两端均以大電(diàn)流连接到热迹線(xiàn)上，其温度至少应与与其相连的迹線(xiàn)一样高。这似乎是有(yǒu)道理(lǐ)的。在高電(diàn)流下（大约5-10 A的铜重量很(hěn)低），连接的走線(xiàn)和附近的平面可(kě)能(néng)会变得很(hěn)热，那么通孔中是否会积聚热量？另外，自然可(kě)以得出这样的结论，即表层上的迹線(xiàn)比内层上的迹線(xiàn)凉爽。那么这会不会导致过孔在通过板内部时达到更高的温度？这些问题围绕着与通孔可(kě)靠性有(yǒu)关的要点，特别是对于微通孔而言。

实际上，实际情况可(kě)能(néng)与我们的直觉相反。首先，表面层上的走線(xiàn)会比内部层上的走線(xiàn)热。这是因為(wèi)FR4的热导率（0.25 W / m·K）比空气大一个数量级。有(yǒu)替代的基板选项可(kě)提供更高的导热率。这意味着基板就像是散热器一样，用(yòng)于穿过基板的导體(tǐ)。这也适用(yòng)于通孔，并有(yǒu)助于解释為(wèi)什么通孔比与之相连的走線(xiàn)更冷的原因。

据我所知，这些测量值提供了根据IPC 2152标准设计的走線(xiàn)及其连接的通孔中温度的首次比较。下表列出了这些测量结果和模拟结果。

仿真和测量结果

在这里，我们可(kě)以看到细迹線(xiàn)的走線(xiàn)温度往往比连接到它们的通孔要高，温度差仅為(wèi)几摄氏度。这可(kě)以归因于暴露于空气的迹線(xiàn)和通孔的热导率差异。实际上，热量从通孔消散的速度比从细迹線(xiàn)消散的速度快。

上面给出的结果表明与上面提到的热导率参数I矛盾。当走線(xiàn)变得很(hěn)宽（200密耳）时，走線(xiàn)现在比通孔温度更低，尽管温差仅為(wèi)几摄氏度。离开迹線(xiàn)的热通量取决于裸露的表面积和周围介质的热导率。在这种情况下，宽走線(xiàn)的裸露表面积较大，走線(xiàn)的散热速度要比通孔快。这导致走線(xiàn)具有(yǒu)较低的平衡温度。这种关系可(kě)以很(hěn)好地概括如下：

当走線(xiàn)较宽时，通孔就像走線(xiàn)的小(xiǎo)散热器一样。

当走線(xiàn)较细时，走線(xiàn)的作用(yòng)就像是通孔的小(xiǎo)散热片。

在此分(fēn)析中还需要考虑其他(tā)一些要点。首先，不考虑平面层，平面层的作用(yòng)就像一个大的散热器，从而进一步降低了导體(tǐ)的温度。接下来，具有(yǒu)高导热率的替代基板（例如，陶瓷或金属芯電(diàn)路设计）将从导體(tǐ)吸收更多(duō)的热量，从而导致所有(yǒu)导體(tǐ)的平衡温度更低。

只要按照IPC 2152标准中指定的最小(xiǎo)走線(xiàn)宽度来调整電(diàn)路设计走線(xiàn)的大小(xiǎo)，并且过孔的大小(xiǎo)可(kě)以符合DFM标准和适用(yòng)的IPC标准，您就不必担心过孔的温度升高。通孔内部的多(duō)余热量会散发到基板和附近的迹線(xiàn)中。在走線(xiàn)非常宽的情况下，与过孔相比，走線(xiàn)具有(yǒu)更大的散热表面。在这种情况下，热量以比离开通孔更快的速度离开走線(xiàn)，因此走線(xiàn)将达到较低的平衡温度。