PCB板电流承载能力的影响因素有哪些?真相竟然是这样的
现阶段印制电路板(PCB板)的主要材料是FR4的敷铜板,铜纯度不低99.8%的铜箔实现着各个元器件之间平面上的电气连接,镀通孔(即VIA)实现着相同信号铜箔之间空间上的电气连接。
但是对于如何来设计铜箔的宽度,如何来定义VIA的孔径,我们一直凭经验来设计。
为了使layout设计更合理和满足需求,对不同线径的铜箔进行了电流承载能力的测试,用测试结果作为设计的参考。
影响电流承载能力因素分析
产品PCBA不同的模块功能,其电流大小也不同,那么我们需要考虑起到桥梁作用的走线能否承载通过的电流。决定电流承载能力的因素主要有:
铜箔厚度、走线宽度、温升、镀通孔孔径。在实际设计中,还需要考虑产品使用环境、PCB板制造工艺、板材质量等。
铜箔厚度
在产品开发初期,根据产品成本以及在该产品上的电流状态,定义PCB的铜箔厚度。
一般对于没有大电流的产品,可以选择表(内)层约17.5μm厚度的铜箔:
如果产品有部分大电流,板大小足够,可以选择表(内)层约35μm厚度的铜箔;
如果产品大部分信号都为大电流,那么必须选(内)层约70μm厚度的铜箔。
对于两层以上的PCB板,如果表层和内层铜箔使用相同厚度,相同线径走线的承载电流能力,表层大于内层。
以PCB板内外层均使用35μm铜箔为例:内层线路蚀刻完毕后便进行层压,所以内层铜箔厚度是35μm。外层线路蚀刻完毕后需要进行钻孔,由于钻孔后孔不具有电气连接性能,需要进行化学镀铜,此过程是全板镀铜,所以表层铜箔会镀上一定厚度的铜,一般约25μm~35μm之间,因此外层实际铜箔厚度约为52.5μm~70μm。
敷铜板供应商的能力不同,铜箔均匀度会有不同,但差异不大,所以对载流的影响可以忽略。
走线宽度
产品在铜箔厚度选定后,走线宽度便成为载流能力的决定性因素。
走线宽度的设计值和蚀刻后的实际值有一定的偏差,一般允许偏差为+10μm/-60μm。由于走线是蚀刻成型,在走线转角处会有药水残留,所以走线转角处一般会成为最薄弱的地方。这样,在计算有转角走线的载流值时,应将在直线走线上测得的载流值基础上,乘以(W-0.06)/W(W为走线线宽,单位为mm)。
温升
PCB的走线上通过持续电流后会使该走线发热,从而引起持续温升,当温度升高到基材TG温度或高于TG温度,那么可能引起基材起翘、鼓泡等变形,从而影响走线铜箔与基材的结合力,走线翘曲形变导致断裂。PCB板的走线上通过瞬态大电流后,会使铜箔走线最薄弱的地方短时间来不及向环境传热,近似绝热系统,温度急剧升高,达到铜的熔点温度,将铜线烧毁。
2.4 镀通孔孔径
镀通孔通过电镀在过孔孔壁上的铜来实现不同层之间的电气连接,由于为整板镀铜,所以对于各个孔径的镀通孔,孔壁铜厚均相同。不同孔径镀通孔的载流能力取决于铜壁周长。
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