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如何评估PCB导体的载流能力?

2024.09.09

PCB的铜厚单位盎司(oz) 


在PCB(印刷电路板)制造中,铜厚是指铜层的厚度,通常以盎司(oz)为单位来衡量。盎司(oz)本身是一个重量单位。盎司和克(g)的换算公式为:1oz≈28.35g。


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PCB叠层的铜厚


在PCB行业中,1oz意思是重量1oz的铜均匀平铺在1平方英尺(ft²)的面积上所达到的厚度。用公式来表示即,1oz=28.35g/ft²。


根据质量的计算公式m=ρ(密度)×V(体积)=ρ(密度)×S(面积)×t(厚度)。即铜箔的重量除以铜的密度和面积即为铜箔厚度。根据计算得出,1oz铜的厚度约为34.8.um或者1.37mil。


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铜厚单位对照


铜厚影响线路的电流承载能力和PCB的散热性能。通常可以通过增大线宽来提高PCB线路的载流能力,但是当布线空间有限时,只能通过使用厚铜来满足线路载流的要求。


哪些因素影响PCB导体的载流能力?


2009年8月,IPC组织发布了最新标准《IPC-2152,Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Circuit Board Design》,取代以前的老标准。


导体温升(高出环境温度的温度增量)是影响PCB导体载流能力的决定性因素,IPC-2152新标准以一套(近100个)图表的形式公布了,PCB温升与导线电流、走线宽度、走线厚度、PCB板材、相邻走线、层间距离、有无涂层、环境条件等诸多因素的关系。


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影响导体温升的因素


PCB导体电流

相同条件下,电流越大,温升越高,载流能力下降。


PCB导体宽度

相同横截面积下,导线越宽,散热越好,载流能力越好。


PCB导体厚度

相同横截面积下,导体铜厚越薄,散热越好,1oz温升比0.5oz高5~10%,2oz温升比1oz高10~15%,3oz温升比2oz高15~20%。


PCB板厚

板厚会影响热量的传输路径,板越厚,散热越好。相同的FR-4板材,0.965mm板厚比1.79mm板厚,导体温升高出30‑40%。


PCB板材

板材的导热率直接影响导体的温升,导热率越大,导体温升越低。铜的导热率约为FR‑4板材的1000倍,FR‑4板材的导热率又是静止空气导热率的10倍。所以在空气静止条件下,PCB内部导体的温升会小于外部导体。


同层相邻导线

在导线的同一层附近,如果有其他导体,散热效果将会降低,同层相邻导体根数越多,散热越差,温升越高,载流能力下降。


相邻层铜平面

相邻层铜平面对导体温升影响最大。无论是电源平面、地平面,还是其他铜平面,都有助于散热从而减小温升。导体到相邻层铜平面的距离越近,导体的温升越低;相邻层铜平面面积越大,导体温升越低;相邻层铜平面越厚,导体温升越低;相邻层铜平面数量越多,导体温升越低。


表面涂层

PCB表面的阻焊漆涂层,也会影响导体散热效果,涂层越厚,散热效果越差,温升越高。


预估PCB走线宽度和铜厚


如下是IPC-2152给出的Conservative Chart(保守图表),保守图表的重要之处是它能应对所有情况,包括内部和外部导体、PCB材料、PCB厚度以及空气(除真空外)等环境条件,从该图表中获得的值非常安全,在任何情况(除真空外的环境)下都有效,不考虑其他变量。


工程师们参照保守图表做设计时,虽然在成本、面积等方面不是最优的,但一定能满足电流和温升要求。


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IPC 2152 PCB 电源线宽与电流和温升的关系图

图源Daniel Grillo


可以通过查IPC-2152 Conservative Chart(保守图表)来计算PCB走线宽度和选择相应的铜厚。


如红色箭头,PCB走线宽度140 mil,使用1oz的铜厚,垂直找到对应的温升要求10°C,然后回到y轴找到可通过的最大电流2.75A。


如橙色箭头,如果PCB导体需要通过1A电流,目标温升30°C,垂直向下找到不同铜厚下,所需要的走线宽度。如使用0.5oz的铜厚时,走线宽度需要达到40mil。


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