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PCB板铜箔宽度和过电流大小关系公式?

  • 来源:鹰眼科技
  • 发布日期:2020-12-25 16:31:15
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pcb走线宽度与电流的关系与pcb铜皮厚度有直接的关系。

线条宽度问题其实就是铜布线的横截面积对应的电流大小的关系。因为pcb上的铜皮表面积非常大,比较利于散热,所以pcb布线的过电流能力远大于铜导线。

一1oz厚度的铜皮为例:(ipc标准)

1a需要的布线宽度为12mil(表层走线),内层走线约为30mil。

在实际使用过程中,因pcb制造工艺的公差(国内pcb板材偷工减料现象比较普遍),产品的可靠性等等因素。所以应留有较大余量。

简单的计算方式为:1oz厚度的铜皮,1mm线宽的过电流能力为1a。(温升10℃)

如果允许的温升比较高,又有良好的通风散热,可以减少至0.6-0.7mm。

至于过孔,也与工艺有关。过孔的电镀铜厚度是比较关键的。

在电镀铜厚度为20μm;1mm内径时,产生10℃温升的电流为3.7a。(这个是国际标准给出的数据)在实际使用时,充分考虑国内偷工减料的情况以及可靠性,减半设计应该就可以了。

过孔,在线路板中,一条线路从板的一面跳到另一面,连接两条连线的孔也叫过孔(区别于焊盘,边上没有助焊层。)

过孔也称金属化孔,在双面板和多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔,在工艺上,过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属,用以连通中间各层需要连通的铜箔,而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状,过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。

过孔不仅可以是通孔,还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通所有敷铜层的过孔;掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。图4-4为六层板的过孔剖面图,包括顶层、电源层、中间1层、中间2层、地线层和底层。

过孔也称金属化孔,在双面板和多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔,在工艺上,过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属,用以连通中间各层需要连通的铜箔,而过孔的上下两面做成圆形焊盘形状,过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。

过孔不仅可以是通孔,还可以是掩埋式。所谓通孔式过孔是指穿通所有敷铜层的过孔;掩埋式过孔则仅穿通中间几个敷铜层面,仿佛被其它敷铜层掩埋起来。图4-4为六层板的过孔剖面图,包括顶层、电源层、中间1层、中间2层、地线层和底层。

寄生电容

孔本身存在着对地的寄生电容,如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为d2,过孔焊盘的直径为d1,pcb板的厚度为t,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于:

c=1.41εtd1/(d2-d1)

过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度。举例来说,对于一块厚度为50mil的pcb板,如果使用内径为10mil,焊盘直径为20mil的过孔,焊盘与地铺铜区的距离为32mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是:

c=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pf,这部分电容引起的上升时间变化量为:t10-90=2.2c(z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps。从这些数值可以看出,尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换,设计者还是要慎重考虑的。

寄生电感

同样,过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感,在高速数字电路的设计中,过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感:

l=5.08h[ln(4h/d)+1]

其中l指过孔的电感,h是过孔的长度,d是中心钻孔的直径。从式中可以看出,过孔的直径对电感的影响较小,而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子,可以计算出过孔的电感为:

l=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nh。如果信号的上升时间是1ns,那么其等效阻抗大小为:xl=πl/t10-90=3.19ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略,特别要注意,旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔,这样过孔的寄生电感就会成倍增加。高速pcb中的过孔设计

通过上面对过孔寄生特性的分析,我们可以看到,在高速pcb设计中,看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:

1.从成本和信号质量两方面考虑,选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块pcb设计来说,选用10/20mil(钻孔/焊盘)的过孔较好,对于一些高密度的小尺寸的板子,也可以尝试使用8/18mil的过孔。目前技术条件下,很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗。

2.上面讨论的两个公式可以得出,使用较薄的pcb板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3.pcb板上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量不要使用不必要的过孔。

4.电源和地的管脚要就近打过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗。

5.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔,以便为信号提供最近的回路。甚至可以在pcb板上大量放置一些多余的接地过孔。

文章来源:鹰眼科技

文章链接:http://www.xhypcb.com/news/421.html

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