簡(jiǎn)介：

 

使用FR4敷銅板PCBA上各個(gè)器件之間的電氣連接是通過(guò)其各層敷著(zhù)的銅箔走線(xiàn)和過(guò)孔來(lái)實(shí)現的。

 

由于不同產(chǎn)品、不同模塊電流大小不同，為實(shí)現各個(gè)功能，設計人員需要知道所設計的走線(xiàn)和過(guò)孔能否承載相應的電流，以實(shí)現產(chǎn)品的功能，防止過(guò)流時(shí)產(chǎn)品燒毀。

 

文中介紹設計和測試FR4敷銅板上走線(xiàn)和過(guò)孔的電流承載能力的方案和測試結果，其測試結果可以為設計人員在今后的設計中提供一定的借鑒，使PCB設計更合理、更符合電流要求。

 

引言

 

現階段印制電路板（PCB）的主要材料是FR4的敷銅板，銅純度不低99.8%的銅箔實(shí)現著(zhù)各個(gè)元器件之間平面上的電氣連接，鍍通孔（即VIA）實(shí)現著(zhù)相同信號銅箔之間空間上的電氣連接。

 

但是對于如何來(lái)設計銅箔的寬度，如何來(lái)定義VIA的孔徑，我們一直憑經(jīng)驗來(lái)設計。

 

為了使layout設計更合理和滿(mǎn)足需求，對不同線(xiàn)徑的銅箔進(jìn)行了電流承載能力的測試，用測試結果作為設計的參考。

 

 

影響電流承載能力因素分析

 

產(chǎn)品PCBA不同的模塊功能，其電流大小也不同，那么我們需要考慮起到橋梁作用的走線(xiàn)能否承載通過(guò)的電流。

 

決定電流承載能力的因素主要有：銅箔厚度、走線(xiàn)寬度、溫升、鍍通孔孔徑。在實(shí)際設計中，還需要考慮產(chǎn)品使用環(huán)境、PCB制造工藝、板材質(zhì)量等。

 

2.1 銅箔厚度

 

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，根據產(chǎn)品成本以及在該產(chǎn)品上的電流狀態(tài)，定義PCB的銅箔厚度。

 

一般對于沒(méi)有大電流的產(chǎn)品，可以選擇表（內）層約17.5μm厚度的銅箔；如果產(chǎn)品有部分大電流，板大小足夠，可以選擇表（內）層約35μm厚度的銅箔；如果產(chǎn)品大部分信號都為大電流，那么必須選（內）層約70μm厚度的銅箔。

 

對于兩層以上的PCB，如果表層和內層銅箔使用相同厚度，相同線(xiàn)徑走線(xiàn)的承載電流能力，表層大于內層。

 

以PCB內外層均使用35μm銅箔為例：內層線(xiàn)路蝕刻完畢后便進(jìn)行層壓，所以?xún)葘鱼~箔厚度是35μm。外層線(xiàn)路蝕刻完畢后需要進(jìn)行鉆孔，由于鉆孔后孔不具有電氣連接性能，需要進(jìn)行化學(xué)鍍銅，此過(guò)程是全板鍍銅，所以表層銅箔會(huì )鍍上一定厚度的銅，一般約25μm~35μm之間，因此外層實(shí)際銅箔厚度約為52.5μm~70μm。敷銅板供應商的能力不同，銅箔均勻度會(huì )有不同，但差異不大，所以對載流的影響可以忽略。

 

2.2 走線(xiàn)寬度

 

產(chǎn)品在銅箔厚度選定后，走線(xiàn)寬度便成為載流能力的決定性因素。

 

走線(xiàn)寬度的設計值和蝕刻后的實(shí)際值有一定的偏差，一般允許偏差為+10μm/-60μm。由于走線(xiàn)是蝕刻成型，在走線(xiàn)轉角處會(huì )有藥水殘留，所以走線(xiàn)轉角處一般會(huì )成為最薄弱的地方。

 

這樣，在計算有轉角走線(xiàn)的載流值時(shí)，應將在直線(xiàn)走線(xiàn)上測得的載流值基礎上，乘以（W-0.06）/W（W為走線(xiàn)線(xiàn)寬，單位為mm）。

 

 

2.3 溫升

 

PCB的走線(xiàn)上通過(guò)持續電流后會(huì )使該走線(xiàn)發(fā)熱，從而引起持續溫升，當溫度升高到基材TG溫度或高于TG溫度，那么可能引起基材起翹、鼓泡等變形，從而影響走線(xiàn)銅箔與基材的結合力，走線(xiàn)翹曲形變導致斷裂。

 

 

PCB的走線(xiàn)上通過(guò)瞬態(tài)大電流后，會(huì )使銅箔走線(xiàn)最薄弱的地方短時(shí)間來(lái)不及向環(huán)境傳熱，近似絕熱系統，溫度急劇升高，達到銅的熔點(diǎn)溫度，將銅線(xiàn)燒毀。

 

2.4 鍍通孔孔徑

 

鍍通孔通過(guò)電鍍在過(guò)孔孔壁上的銅來(lái)實(shí)現不同層之間的電氣連接，由于為整板鍍銅，所以對于各個(gè)孔徑的鍍通孔，孔壁銅厚均相同。

 

孔的載流能力取決于銅壁周長(cháng)。

 

 

測試PCB設計
 

現階段使用TG溫度分別是>135℃和>150℃的基材，由于考慮到ROHS對無(wú)鉛的要求，PCB將逐步切換為無(wú)鉛，那么必須選擇TG溫度>150℃的基材。

 

所以此次測試板基材選擇Shengyi S1000。

 

測試板PCB大小采用寬164mm、長(cháng)273.3mm。PCB由深圳牧泰萊技術(shù)有限公司制作。測試板PCB分三組。

 

3.1 第一組：

 

外層銅箔17.5μm，內層銅箔35μm，第一組測試板PCB使用外層17.5μm基銅，內層35μm基銅。

 

外層線(xiàn)徑分別是：0.125mm0.16mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。每種線(xiàn)徑兩個(gè)樣品。

 

內層線(xiàn)徑分別是：0.125mm，0.16mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。每種線(xiàn)徑兩個(gè)樣品。

 

鍍通孔孔徑分別是：0.15mm，0.25mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm。每種孔徑兩個(gè)樣品。

 

3.2 第二組：

 

外層銅箔35μm，內層銅箔70μm第二組測試板PCB使用外層35μm基銅，內層70μm基銅。

 

外層線(xiàn)徑分別是：0.125mm，0.16mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。每種線(xiàn)徑兩個(gè)樣品。

 

由于對于70μm的銅箔厚度，現有供應商的能力為內層最小線(xiàn)徑0.2mm，所以?xún)葘泳€(xiàn)徑分別是：0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。每種線(xiàn)徑兩個(gè)樣品。

 

鍍通孔孔徑分別是：0.15mm，0.25mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm。每種孔徑兩個(gè)樣品。

 

3.3 第三組：

 

外層銅箔70μm，內層銅箔105μm第三組測試板PCB使用外層70μm基銅，內層105μm基銅。

 

由于對于70μm的銅箔厚度，現有供應商的能力為外層最小線(xiàn)徑0.3mm，所以外層線(xiàn)徑分別是：0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。每種線(xiàn)徑兩個(gè)樣品。

 

由于對于105μm的銅箔厚度，現有供應商的能力為內層最小線(xiàn)經(jīng)0.3mm，所以?xún)葘泳€(xiàn)徑分別是：0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。每種線(xiàn)徑兩個(gè)樣品。

 

鍍通孔孔徑分別是：0.15mm，0.25mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm。每種孔徑兩個(gè)樣品。

 

測試方案

根據IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL的2.5.4多層線(xiàn)路板耐電流部分，設計測試方案如下：

 

室溫下，對于內外層走線(xiàn)的測試：將溫度傳感器貼在待測銅箔走線(xiàn)中間位置，在待測銅箔走線(xiàn)兩端施加電流，待溫升ΔT穩定后，保持3min，記下ΔT。

 

逐步增加電流，直至銅箔走線(xiàn)毀壞。

 

室溫下，對于鍍通孔的測試：將溫度傳感器貼在VIA上，在待測VIA引出走線(xiàn)兩端施加電流，待溫升ΔT穩定后，保持3min，記下ΔT。

 

逐步增加電流，直至VIA毀壞。電流值范圍為0~100A。

 

采樣值：0.1A，0.2A，0.3A，0.4A，0.5A，0.6A，0.7A，0.8A，0.9A，1A，1.2A，1.5A，1.8A，2A，2.3A，2.5A，2.7A，3A，4A，5A，6A，7A，8A，9A，10A，15A，20A，25A，30A，35A，40A，45A，50A，55A，60A，65A，70A，75A，80A，85A，90A，95A，100A。

 

測試結果分析

在此，只對第一組測試數據結果進(jìn)行分析。

 

5.1 線(xiàn)徑的測試結果分析

 

以2.8mm線(xiàn)徑的外層銅箔為例，其測量數據如表1。

 

 

根據表1測量數據可以做出一個(gè)趨勢圖，如圖1所示

 

圖1 2.8mm外層銅箔線(xiàn)徑的溫升與電流的趨勢圖

 

我們根據實(shí)測值取平均值后，可以得到2.8mm外層銅箔走線(xiàn)在溫升為ΔT=20℃時(shí)可以承載約8A電流；在溫升為ΔT=40℃時(shí)可以承載約10.8A電流；在溫升為ΔT=60℃時(shí)可以承載約13A電流；在溫升為ΔT=100℃時(shí)可以承載約16A電流；極限耐持續電流約為20A。

 

根據以上的方法，我們可以得到17.5μm外層銅箔不同線(xiàn)徑的載流能力，35μm內層銅箔不同線(xiàn)徑的載流能力。

 

5.2 鍍通孔的測試結果分析

 

由于鍍通孔的溫度測量無(wú)法在孔壁的銅層上實(shí)現，我們實(shí)測的是鍍通孔焊盤(pán)面的溫度，所以以下測試數據僅作為參考。

 

圖2 0.15mm孔徑的VIA溫升與電流的趨勢圖

 

0.15mm孔徑的鍍通孔測量值0.25mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm孔徑的鍍通孔測量值的圖形在此就省略了，匯總后，可以得到表2

 

表2 17.5μm外層/35μm內層銅箔的PCB上不同孔徑載流能力數據表

 

總結

 

通過(guò)本次實(shí)驗和對實(shí)驗數據的分析，對敷銅PCB上走線(xiàn)和過(guò)空的電流承載能力有了一個(gè)較為感性的認識。

 

但是一方面由于測試板不是批產(chǎn)供應商制作的，制作工藝的不同影響到走線(xiàn)寬度的不同和鍍通孔孔臂厚度和周長(cháng)的不同；另一方面實(shí)驗過(guò)程中每個(gè)樣品的散熱狀態(tài)有一定的差異；此外測試板的設計和實(shí)驗方案的設計為理想狀態(tài)，而實(shí)際產(chǎn)品的安裝位置不同，產(chǎn)品上的元器件分布的不同，布線(xiàn)的密集度以及使用基材的不同，都是測試板無(wú)法模擬的，所以分析數據不能直接指導設計。

 

但是在以后的開(kāi)發(fā)和設計中，我們可以借鑒本次實(shí)驗的數據。同時(shí)也可以在今后產(chǎn)品中設計情況和實(shí)踐驗證來(lái)修正實(shí)驗數據，以便于更準確地指導設計。