如何設計具有電流承載能力的過孔

2022-03-25

如何設計具有電流承載能力的過孔

“via”這個詞最初是一個拉丁詞，意思是道路或方式。在設計PCB時，通孔在互連中起著至關重要的作用，因為它們用于在層之間路由電信號。

過孔主要包括： 

通過在面板上鉆孔形成的 導電桶通過電鍍導電。

連接通孔起始端和終止端的焊盤。

反焊盤在桶和未連接通孔的導電銅層之間提供間隙，從而防止短路。 

在這里，我們將討論一些重要的設計規則，以提高通過過孔的載流能力。了解PCB通孔如何互連電路板層以了解基礎知識。

過孔的載流能力是多少？

通孔的主要目的是在多層PCB中將電信號從一層傳輸到另一層。如果電流沒有流過特定的過孔，層之間的互連就會丟失，整個電路板設計就會出現大故障。

一般載流能力方程為：

I = (K) (??T ??1 ) (A ??2 )

在哪里， 

I表示電流，以安培為單位，

?? T是相對于環境溫度的溫度變化，以°C 為單位， 

A是以密耳為單位的橫截面積，

K是校正因子，在內部導體中等于 0.024，在外部導體中等于 0.048，

??1和??2分別為 0.44 和 0.75。

從數學的角度來看，通孔的電流容量取決于走線的橫截面積和溫升。橫截面積再次與跡線寬度和厚度成正比。在一定程度上，承載電流的能力取決于過孔是埋入式還是通孔式。組件和焊盤的存在也很重要。

通過當前容量影響的因素

相對于環境溫度的溫度變化

載流能力，也稱為載流量，是通孔在不超過額定溫度的情況下可以承載的最大一致電流。焦耳或歐姆加熱（VI 或 I 2 R ）表示任何傳導電流的東西都會導致散熱并逐漸導致導體和周圍環境的溫度升高。這可能最終導致通孔失敗。 

導電材料的電阻率隨溫度變化。通常，標準電阻率是在20℃時測量的。因此，每變化1℃，電阻率就會發生一定的變化。FR-4材料雖然具有阻燃性，但其結構特性不能承受極高的溫度。在這種情況下，使用熱層壓是完美的策略。下表給出了不同金屬在20℃下計算的電阻率及其應用的信息。 

材料	20℃電阻率	用法
銅 (Cu)	1.68?10^-8	銅線、跡線和合金
金（金）	2.44?10^-8	保護銅腐蝕的電鍍材料
鋁 (Al)	2.65?10^-8	鋁線、跡線和合金
銀(Ag)	1.59?10^-8	電鍍材料，防止腐蝕，提高電阻率。

跡線截面積

截面積與載流能力成正比。這意味著更大的表面積、更多的散熱以及更多的載流能力。

現在，橫截面積基于跡線厚度和跡線寬度。由于制造限制，改變走線厚度并不總是可行的。因此，為了達到適當的額定電流，我們可以增加走線寬度。跡線表面積將充當散熱器。當溫度變化10℃時，較粗的走線比細的走線能更有效地處理電流的突然變化（如前面等式中所述，溫度的變化會導致電流的變化）。但在某些情況下，空間不足會阻礙走線寬度的增加。在這種情況下，我們可以通過在跡線頂部焊接來增加跡線厚度。

跡線橫截面

為什么要計算過孔中的電流？

通孔的尺寸是實現所需額定電流的關鍵因素之一，因為它們具有電阻值。我們知道電阻率與電導率成反比，因此較大的通孔具有較低的電阻，反之亦然。過孔中的電阻會導致散熱。 

如果在設計過孔時沒有考慮所需的額定電流，則走線可能會被燒毀，并且可能會出現高壓降的風險。

2009 年，IPC 制定了 IPC-2152“印制板設計中的載流能力標準”。它有助于根據所需的額定電流和允許的環境溫升來確定適當尺寸的內部和外部導體。

IPC 2152 標準

IPC-2152 取代了已有 50 年歷史的 IPC-2221B 標準。IPC-2221B 在一系列圖表中確定了沒有多層板時PCB的溫升、走線中的電流和走線截面積之間的聯系。

IPC-2152 概述了熱導率、通孔、電路板材料和厚度與電流、跡線橫截面、銅重量和溫度的關系。它還可以確定外部和內部跡線的準確值。IPC -2152 不僅是一個實時保護程序，而且它還可以幫助PCB設計人員對安全和適當的設計進行建模。Sierra Circuits 走線寬度和電流容量計算器基于此標準。您可以計算出一定溫升的跡線面積和電流容量。您可以在以下部分中找到有關它的更多信息。 

調節載流能力的措施

在PCB設計的一開始就采取適當的測量來控制通孔的載流能力，以確保適當的功能和性能。以下是一些規范當前評級的黃金法則。

通過制造

在制作過孔時，要考慮的三個重要因素是過孔內徑、孔壁厚度和焊盤環圈。如前所述，通孔和微通孔是通過電鍍孔來導電的。通孔的熱導率通過隆起、塞住或填充來增加。

帳篷通過

過孔的帳篷化實際上是用阻焊層覆蓋環形圈和過孔。它可以保護銅跡線免受腐蝕、氧化，并降低電路短路的風險。

帳篷通孔

棕色：銅層  

藍色：鉆孔層  

綠色：阻焊層

過孔堵塞

過孔堵塞是一種用環氧樹脂完全填充過孔并用阻焊層封閉的工藝。它可以通過使用導電或非導電材料來實現。在通孔中使用導電填充物可以增加將電流從一層傳輸到另一層的能力。

通過堵塞

通孔未覆蓋（最有可能的孔尺寸 <= 0.5mm）

通孔部分覆蓋（最有可能的孔尺寸 > 0.3 毫米和 < 0.5 毫米）

通孔完全覆蓋（環氧樹脂可能會或可能不會填充在通孔內，最有可能的孔尺寸 = 0.3mm）

多級優化互連

在這個過程中，我們習慣于在層之間建立強大的垂直連接。路由大電流總是涉及使用盡可能多的金屬來減少熱效應以及降低電感。這是一種在不同導電材料層上使用多個通孔然后連接的技術。微孔、埋孔和盲孔最有效地用于減輕不必要的寄生電感和電容。在這方面，可以提到一個主旨，即較短的互連長度會降低不需要的短截線阻抗。因此，電流承載能力提高。

過孔的垂直連接

走線寬度計算器

這些表格顯示了溫度和走線寬度對載流能力的影響。

使用模擬方法通過溫度
走線寬度（密耳）	電流 (A)	微量溫度（℃）	通過溫度（℃）	通過 T/跟蹤 T
27	4.75	72.8	70.1	96.3
27	6.65	114.2	108.2	94.7
200	4.75	30.8	31.8	103.2
200	8.55	44.8	48.1	107.4

過孔測試的測量結果
走線寬度（密耳）	電流(A)	微量溫度（℃）	通過溫度（℃）	通過 T/Trace T
27	4.75	66	64.5	97.7
27	6.65	114	109	95.6
200	4.75	30.5	31.5	103.3
200	8.55	40.5	44.5	109.9

對于大電流PCB，走線寬度計算至關重要。從上表中，我們可以評估特定走線寬度的載流能力。過孔被認為是銅圓柱體，其周長為 2 ??r 或??d，其中 d 是過孔的大小。圓周將類似于跡線。

Sierra Circuits 走線寬度計算器

Sierra 三合一跟蹤電流計算器

Sierra Circuits 提供了一個三合一的走線寬度計算器，可以計算走線寬度、走線電流量和溫升。改變任意兩個參數，我們可以獲得給定跡線厚度的第三個參數的值。此外，它還可以給出直流電阻值和給定長度跡線上的電壓降。走線長度和環境溫度的默認值分別為 1 英寸和 25℃?？梢愿鶕枰倪@些值。該工具具有使用不同單位的靈活性。Sierra 電路走線寬度計算器基于最新的 IPC-2152 標準。 
Sierra 電路通過電流容量計算器

根據 IPC-2152，過孔和走線的橫截面積應相同。導致跟蹤電流的因素在確定通孔電流方面也起著重要作用。但是我們知道過孔的電鍍與走線的電鍍不同。因此，精確度和熟練度對于通過電流計算來避免PCB性能下降至關重要。

通過電流計算器

Sierra Circuits 推出了過 孔電流容量和溫升計算器 ，以幫助設計人員創建完美的PCB過孔。該工具可確定通孔直徑、載流能力和環境溫升。輸入參數的標準值，如過孔的高度和電鍍厚度，可在幫助部分找到。您可以在方便時為每個參數使用不同的單位。設計人員還可以在此處找到特定電流額定值的電阻、電壓降和功率損耗等重要參數。

通過當前容量影響的其他因素

從上述事實可以看出，主要是截面積和溫度是決定載流量的因素。但是還有其他因素也會影響容量。 

過孔連接到跡線，如果跡線不夠寬，電流尖峰可能會燒毀跡線或過孔。這是由于焊接不均勻導致橫截面積增加而走線寬度保持不變。

為避免過流問題，設計人員應考慮使用干凈的電路板（無污染物）。污染物和灰塵顆粒也會影響電流承載能力。

在大電流中，具有銳角的彎曲走線會對載流產生不利影響。盡管在低電流傳輸中這不是什么大問題。

PCB基材在這方面也很重要。相同厚度和寬度但基材不同的走線會極大地影響過孔的載流能力。這是由于不同材料的導熱特性不同所致。

通孔以較短的路徑將電信號從一層傳輸到另一層，并且可能會遇到信號完整性問題。因此，有效和適當地計算額定電流對于設計它們以消除電路損壞和退化的風險是必要的。