浅谈电路设计中导体的载流能力

设计人员普遍提出的一个问题是电路设计中导体的载流能力。走线和通过载流能力是设计载有大电流的新板时要重点关注的合法设计要点。目的是使导体温度保持在适当的极限以下，这有助于使电路板上的元件保持寿命。

尽管建议的走线电流容量已在IPC 2152标准中进行了很好的探索和记录，但多层板上的过孔受到的关注却很少。一些十字军一直在忙于通过载流能力和温度极限来研究这些问题，以及如何将其与载有相同电流的典型走线的温度进行比较。让我们深入研究一下电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电路设计走线的比较。

您的走线具有指定的载流能力，可使用IPC 2152 nomograph的铜重量和所需的温升确定载流能力。确定迹线大小的目标是确保您的电路板和组件保持在安全的工作温度范围内。尺寸迹线的规则通常应用于尺寸过孔，但是设计人员可能会对安全过孔温度限制有所保留。我什至看到一些新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线和平面进行比较。

可能会有一种直觉，即通孔的两端均以大电流连接到热迹线上，其温度至少应与与其相连的迹线一样高。这似乎是有道理的。在高电流下（大约5-10 A的铜重量很低），连接的走线和附近的平面可能会变得很热，那么通孔中是否会积聚热量？另外，自然可以得出这样的结论，即表层上的迹线比内层上的迹线凉爽。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靠性有关的要点，特别是对于微通孔而言。

实际上，实际情况可能与我们的直觉相反。首先，表面层上的走线会比内部层上的走线热。这是因为FR4的热导率（0.25 W / m·K）比空气大一个数量级。有替代的基板选项可提供更高的导热率。这意味着基板就像是散热器一样，用于穿过基板的导体。这也适用于通孔，并有助于解释为什么通孔比与之相连的走线更冷的原因。

据我所知，这些测量值提供了根据IPC 2152标准设计的走线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，我们可以看到细迹线的走线温度往往比连接到它们的通孔要高，温度差仅为几摄氏度。这可以归因于暴露于空气的迹线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线消散的速度快。

上面给出的结果表明与上面提到的热导率参数I矛盾。当走线变得很宽（200密耳）时，走线现在比通孔温度更低，尽管温差仅为几摄氏度。离开迹线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，宽走线的裸露表面积较大，走线的散热速度要比通孔快。这导致走线具有较低的平衡温度。这种关系可以很好地概括如下：

当走线较宽时，通孔就像走线的小散热器一样。

当走线较细时，走线的作用就像是通孔的小散热片。

在此分析中还需要考虑其他一些要点。首先，不考虑平面层，平面层的作用就像一个大的散热器，从而进一步降低了导体的温度。接下来，具有高导热率的替代基板（例如，陶瓷或金属芯电路设计）将从导体吸收更多的热量，从而导致所有导体的平衡温度更低。

只要按照IPC 2152标准中指定的最小走线宽度来调整电路设计走线的大小，并且过孔的大小可以符合DFM标准和适用的IPC标准，您就不必担心过孔的温度升高。通孔内部的多余热量会散发到基板和附近的迹线中。在走线非常宽的情况下，与过孔相比，走线具有更大的散热表面。在这种情况下，热量以比离开通孔更快的速度离开走线，因此走线将达到较低的平衡温度。
编辑：hfy