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技術專題
電路設計通過電流承載能力：過熱的溫度有多高？
設計人員普遍提出的一個問題是電路設計中導體的載流能力。走線和通過載流能力是設計載有大電流的新板時要重點關注的合法設計要點。目的是使導體溫度保持在適當?shù)臉O限以下，這有助于使電路板上的元件保持壽命。
盡管建議的走線電流容量已在IPC 2152標準中進行了很好的探索和記錄，但多層板上的過孔受到的關注卻很少。一些十字軍一直在忙于通過載流能力和溫度極限來研究這些問題，以及如何將其與載有相同電流的典型走線的溫度進行比較。讓我們深入研究一下電路設計中通孔的熱需求的當前狀態(tài)（無雙關），以及它們與內(nèi)部和外部電路設計走線的比較。
您的走線具有指定的載流能力，可使用IPC 2152 nomograph的銅重量和所需的溫升確定載流能力。確定跡線大小的目標是確保您的電路板和組件保持在安全的工作溫度范圍內(nèi)。尺寸跡線的規(guī)則通常應用于尺寸過孔，但是設計人員可能會對安全過孔溫度限制有所保留。我什至看到一些新手設計師擔心如果溫度升高過高，操作期間的過孔會融化。盡管過孔不會變熱，但重要的是將過孔的溫度與它們所連接的走線和平面進行比較。
可能會有一種直覺，即通孔的兩端均以大電流連接到熱跡線上，其溫度至少應與與其相連的跡線一樣高。這似乎是有道理的。在高電流下（大約5-10 A的銅重量很低），連接的走線和附近的平面可能會變得很熱，那么通孔中是否會積聚熱量？另外，自然可以得出這樣的結(jié)論，即表層上的跡線比內(nèi)層上的跡線涼爽。那么這會不會導致過孔在通過板內(nèi)部時達到更高的溫度？這些問題圍繞著與通孔可靠性有關的要點，特別是對于微通孔而言。
實際上，實際情況可能與我們的直覺相反。首先，表面層上的走線會比內(nèi)部層上的走線熱。這是因為FR4的熱導率（0.25 W / m·K）比空氣大一個數(shù)量級。有替代的基板選項可提供更高的導熱率。這意味著基板就像是散熱器一樣，用于穿過基板的導體。這也適用于通孔，并有助于解釋為什么通孔比與之相連的走線更冷的原因。
據(jù)我所知，這些測量值提供了根據(jù)IPC 2152標準設計的走線及其連接的通孔中溫度的首次比較。下表列出了這些測量結(jié)果和模擬結(jié)果。
仿真和測量結(jié)果
在這里，我們可以看到細跡線的走線溫度往往比連接到它們的通孔要高，溫度差僅為幾攝氏度。這可以歸因于暴露于空氣的跡線和通孔的熱導率差異。實際上，熱量從通孔消散的速度比從細跡線消散的速度快。
上面給出的結(jié)果表明與上面提到的熱導率參數(shù)I矛盾。當走線變得很寬（200密耳）時，走線現(xiàn)在比通孔溫度更低，盡管溫差僅為幾攝氏度。離開跡線的熱通量取決于裸露的表面積和周圍介質(zhì)的熱導率。在這種情況下，寬走線的裸露表面積較大，走線的散熱速度要比通孔快。這導致走線具有較低的平衡溫度。這種關系可以很好地概括如下：
當走線較寬時，通孔就像走線的小散熱器一樣。
當走線較細時，走線的作用就像是通孔的小散熱片。
在此分析中還需要考慮其他一些要點。首先，不考慮平面層，平面層的作用就像一個大的散熱器，從而進一步降低了導體的溫度。接下來，具有高導熱率的替代基板（例如，陶瓷或金屬芯電路設計）將從導體吸收更多的熱量，從而導致所有導體的平衡溫度更低。
只要按照IPC 2152標準中指定的最小走線寬度來調(diào)整電路設計走線的大小，并且過孔的大小可以符合DFM標準和適用的IPC標準，您就不必擔心過孔的溫度升高。通孔內(nèi)部的多余熱量會散發(fā)到基板和附近的跡線中。在走線非常寬的情況下，與過孔相比，走線具有更大的散熱表面。在這種情況下，熱量以比離開通孔更快的速度離開走線，因此走線將達到較低的平衡溫度。