前言某些PCBLayout工程师在进行PCB设计时一般按老工程师给出的经验值或通过上网简单搜索得来的方法对PCB走线宽度及过孔尺寸进行设计往往没有时间或者也不愿意深入研究。那么德力威尔王术平就带大家一起深入讨论“如何确定PCB走线宽度和过孔尺寸”这个问题。笔者认为PCB走线宽度和过孔尺寸受如下三个因素的制约1、导体载流能力2、信号完整性3、电路板生产工艺。本文仅研究讨论PCB导体载流能力对PCB走线宽度和过孔尺寸的影响以及在满足导体载流能力的前提下如何设计走线宽度和过孔尺寸。一、【PCB导体载流能力】与横截面积、电流及温升的关系我们知道任何导体都具有电阻导体的电阻与导体本身的电阻率、横截面积、长度以及温度有关。导体电阻计算公式为公式1 导体电阻计算公式式中R为电阻单位Ωρ 为电阻率单位Ω.mL为长度单位ms为横截面积单位平方米。在常温下电阻率随温度线性变化其公式为公式2 电阻率变化公式式中ρ0是0℃时的电阻率a是电阻率温度系数t是摄氏温度。一般情况下导体的电阻随温度的升高变大随温度的降低变小。例如一个220V/40W的白炽灯灯丝电阻未通电时常温下只有100Ω左右而正常发光时温度升高后变为1000Ω左右。极少数导体温度越高电阻越小比如碳。显然导体电阻影响着导体的发热所以导体电阻与导体的通流能力有着直接关系这也意味着所有影响导体电阻的物理量也同样影响导体通流能力。PCB印制电路板中一般使用铜作为导体来传输电信号如果电流信号通过铜导线时铜导线上将产生功率其公式为公式3 功率计算公式铜导线上的功率会以热的形式表现出来。铜导线上的温度随功率增大而上升已知电阻与横截面积成反比因此可以推出温度与电流及横截面积的比例关系公式4 温升与电流及横截面积比例关系式其中ΔT是导线温升I是导线电流A是导线横截面积宽度x厚度。在电流使导线发热的同时导线和其周围环境之间的温度差会使导线冷却。冷却机制是传导、对流和辐射的结合。冷却效果与导线表面积成正比当加热速度等于冷却速度时达到温度平衡。如果加热速度比冷却速度快那导线发热就越快严重时将直接熔断导线。那么PCBLayout工程师在进行PCB走线时对走线宽度的控制就尤为重要了。如果PCB走线过窄额定电流流经导线时导线会发热这将产生两种后果1、发热会使导线电阻增大由IU/R可知允许流过导线的电流将减小当允许流过的电流小于额定电流时将无法满足后级负载电路的正常工作。2、严重发热时将使导线起火或熔断。总之温升是影响PCB导体载流能力的决定性因素。二、【PCB导体载流能力】之旧标准历史演变最早对“PCB导体载流能力”的重要研究是由美国国家标准局NBS资助发起的其研究结果在1955年发表于NBS Report 4283最主要的贡献是刊登了大量“PCB导体载流容量图表”。1984年美国军方发布了《MIL-STD-275E-Y1984PRINTED WIRING FOR ELECTRONIC EQUIPMENT》美国军用标准275E电子设备印制布线。在该标准中采用了NBS的“PCB导体载流容量图表”来规范PCB导线横截面积、电流及温升的关系。1991年9月IPC组织发布《IPC-D-275Design Standard for Rigid Printed Boards and Rigid Printed Board Assemblies》IPC标准275刚性印制板及刚性印制板组装件设计标准。同样在该标准中也采用了NBS的“PCB导体载流容量图表”来规范PCB导线横截面积、电流及温升的关系从而给众多PCBLayout工程师提供了走线参考依据。备注IPC最初为“The Institute of Printed Circuit”的缩写即美国“印制电路板协会”后改名为“The Institute of the Interconnecting and Packing Electronic Circuit”(电子电路互连与封装协会)1999年再次更名为“Associatation Of Connecting Electronics Industries”即“国际电子工业联接协会”。由于IPC知名度很高所以更名后IPC的标记和缩写仍然没有改变。1998年2月IPC-D-275 改编为IPC-2221《印制板设计通用标准》及IPC-2222《刚性有机印制板设计标准》。2003年5月IPC-2221改编为IPC-2221A《印制板设计通用标准》。上述四个标准无一例外都是以早期NBS公布的“PCB导体载流容量图表”为参考依据而研究制定的主要的旧图表如下所示图A IPC-2221采用的早期图表内层导线温升与电流及截面积关系图B IPC-2221采用的早期图表外层走线温升与电流及截面积关系图C IPC-2221采用的早期图表导线截面和线宽及铜厚的关系上述早期的“PCB导体载流容量图表”研究成果并不是很科学和完善最主要的不足是早期的图表包含两套数据一套图A用于PCB内层走线一套图B用于PCB外层走线图C给出了横截面积、铜厚及线宽之间的转换计算关系。事实证明该内部走线的数据没有经过实证研究而是简单地将外部数据降额50%而得到的其理论依据是内部走线没有外部走线冷却快所以内部走线粗略推算降额一半。这种推算结果后来被证实是错误的但它没有造成什么严重后果因为它的数据是相当保守的它只会造成PCB线宽及成本的浪费而不会引起其它问题。IPC-2152新标准发布之前PCBLayout工程师都是以上述三张图为标准来确定PCB走线宽度及过孔尺寸。如果是内层走线就用图A如果是外层走线就用图B通过查图表计算出额定电流、额定温升下对应的导线横截面积然后再通过图C求出导线线宽。目前IPC-2152新标准早已发布以前的标准及图表已经过时新的设计不再采用以前的标准和图表所以我不再对以前的旧标准及图表的使用方法进行阐述下面我将以IPC-2152新标准为依据详细阐述新标准及图表的使用方法。三、【PCB导体载流能力】之新标准IPC-2152对“PCB导体载流能力”研究贡献最大的是Mike Jouppi。1999年一名美国工程师Mike Jouppi迈克.乔皮机械工程师Thermal Man Inc. 公司总裁‎开始追溯“PCB导体载流容量图表”的来源及理论依据并在此基础上进行了新的研究后应邀加入IPC1-10b工作组于2003年3月在IPC printed Circuits Expo上发表了一篇关于这方面的重要论文。该项研究持续了十年之久直到2009年才结束研究。他的这些研究是基于实验的所以有着较高的可信度。2009年研8月IPC组织采用了Mike Jouppi的重要研究成果并发布了最新标准《IPC-2152Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Circuit Board Design》确定印制板设计中通流能力的标准全部取代以前的老标准。新标准对内层导体也进行的深入研究新标准发现内层走线和外层走线冷却一样快内层导体和外层导体散热没什么差距甚至内层更好因为板上的材料比空气导热性能更好。这也证明了之前将内层导体通流能力减半的假设是完全错误的。IPC-2152新标准以一套近100个图表的形式公布把PCB温升与导线电流、走线宽度、走线厚度、PCB板材、相邻走线、层间距离、有无涂层、环境条件等诸多因素的影响关系以图表的方式一一展现。我们知道了温升高出环境温度的温度增量是影响PCB导体载流能力的决定性因素那么影响温升的因素又有哪些呢下面我简单阐述一下温升与几个主要因素之间的关系1、PCB导线电流其他条件相同的话电流越大温升越高载流能力下降。2、PCB导线宽度在相同横截面积的条件下导线越宽散热越好温升越低载流能力越好。3、PCB导线厚度在相同横截面积的条件下导线越薄散热越好温升越低1OZ温升相比0.5OZ相差5~10%2OZ温升相比1OZ升高了10~15%31OZ温升相比21OZ升高了15~20%。4、PCB板厚PCB板厚会影响导体热量的传输路径板越厚散热越好导体温升越低。FR‑4 PCB0.965mm厚与1.79mm厚相比导体温升高出30‑40%。5、PCB板材PCB板材的导热率直接影响导体的温升导热率越大导体温升越低。铜的导热率约为FR‑4板材介质的1000倍而FR‑4板材导热率又是静止空气导热率的10倍所以在静止空气条件下内部导体的温升会小于外部导体。6、同层相邻导线在导线的同一层附近如果有其他导体将会降低散热效果同层相邻导体根数越多散热越差温升越高载流能力下降。7、相邻层铜平面对导体温升影响最大的因素是相邻层铜平面的影响。无论是电源平面、地平面还是其他铜平面都有助于散热从而减小温升。铜平面对导体温升有如下影响1导体到相邻层铜平面的距离越近导体的温升越低2铜平面面积越大导体温升越低3铜平面厚度越大导体温升越低4铜平面的数量越多导体温升越低。8、表面涂层PCB表面的阻焊漆涂层也会影响导体散热效果涂层越厚散热效果越差温升越高。IPC-2152新标准对上述影响因素都一一给出了对应的关系图表由于篇幅有限不一一贴图在此仅给出其中最重要的三幅图表1、PCB导体载流能力保守图表IPC-2152图D PCB载流能力保守图表IPC-2152图D是IPC-2152给出的保守图表该图表的重要之处是它能应对所有情况包括内部和外部导体、PCB材料、PCB厚度以及空气除真空外等环境条件从该图表中获得的值非常安全在任何情况除真空外的环境下都有效不考虑其他变量。工程师们参照此图做设计时虽然在成本、面积等方面不是最优的但一定能满足电流和温升要求。IPC-2152保守图表的作用是帮助大多数工程师对“PCB导体载流能力”进行非常安全地估算。备注盎司本来是一个重量单位但在PCB行业中1OZ意思是重量1OZ的铜均匀平铺在1平方英尺FT2的面积上所达到的厚度。它是用单位面积的重量来表示铜箔的平均厚度。用公式来表示即1OZ28.35g/ FT2FT2为平方英尺1平方英尺0.09290304平方米计算结果就是1OZ0.035mm。2、PCB导体载流能力通用图表IPC-2152图E PCB载流能力通用图表IPC-2152图E是IPC-2152给出的Universal Chart通用图表该图表是以铜厚3OZ、板厚为0.070英寸、材质为聚酰亚胺构建的PCB载流能力图表模型。IPC-2152通用图表的作用是帮助工程师根据特定的设计约束对“PCB导体载流能力”进行更加精确的估算。在使用通用图表时还要结合配套的铜厚调整图表、铜平面调整图表、板材调整图表、板厚调整图表、海拔高度调整图表、降级调整图表、空气环境调整图表等进行参数修正和调节篇幅有限不一一贴图。对于通用图表及其配套图表普通工程师使用起来极其困难仅适合专业的PCB导体载流能力计算软件采用而对于大多数普通工程师来说使用通用图表计算PCB导体载流能力来计算PCB线宽和过孔是最好的选择。3、PCB导体横截面积与线宽及铜厚的换算图表图F 导体横截面积与线宽及铜厚的换算图表IPC-2152图F是IPC-2152给出的PCB导体横截面积与线宽及铜厚的换算图表工程师们用图D或图E估算出满足PCB导体载流能力的横截面积后再通过查此表即可求出对应的线宽和铜厚。不使用此图表在知道横截面积后再选择合适的线宽或铜厚再根据横截面积线宽x铜厚之公式也可计算出对应的铜厚或线宽。四、依据IPC-2152保守图表计算PCB走线宽度和过孔尺寸4.1、查IPC-2152 Conservative Chart保守图表来计算PCB走线宽度工程师们使用图D和图F这两幅图表就可以计算PCB走线宽度了。下面我们用实例来说明IPC-2152保守图表的使用方法。例1某PCB设计项目要求在PCB内层走线额定电流为1A铜厚为1OZ工作温升不超过45℃求PCB走线宽度。解1内层、外层走线都用保守图表图D查保守图表图D可知1A电流与45℃相交点对应横截面积约等于16.6mil2。2第一步求出的横截面积为16.6mil2又知铜厚为1OZ查图E可得线宽约为0.014in0.36mm。答无论内层还是外层走线载流能力为1A温升为45℃PCB走线宽度为0.36mm即可满足要求且余量较大使用起来十分安全。4.2、查IPC-2152 Conservative Chart保守图表来计算PCB过孔尺寸1过孔横截面积计算图表图G 过孔横截面积计算图表IPC-2152上图是IPC-2152给出的过孔横截面积计算图表将上图中过孔孔壁横截面积公式变换一下可得到下图容易理解的公式公式5 过孔孔壁横截面积计算公式2实例说明过孔尺寸计算方法例2某PCB设计项目要求温升不超过20℃过孔孔壁铜厚1OZ1.38mil过孔载流能力为1A求过孔内径尺寸。解1查 IPC-2152 Conservative Chart保守图表图D可知当温升为20℃载流能力为1A时相互交叉点对应的横截面积约为28mil2根据公式5可得到等式①πD.D - d.d)/428mil2。2)又知过孔孔壁铜厚为1OZ1.38mil可得出等式②D-d1.38mil。3根据等式①和等式②求得d7.28mil0.185mm。答温升20℃载流1A铜厚为1OZ时过孔内径设为0.185mm即可满足要求且余量较大使用起来十分安全。备注外层铜皮厚度和过孔孔壁电镀层厚度的关系假设要求表面成品铜厚为1OZ那么在生产PCB时先在表层粘贴约1/3OZ的铜皮然后再钻孔接着在孔壁上用化学方法沉镍约1/3OZ最后电镀时候将表层和孔壁再电镀2/3OZ的铜这样就使得表层铜皮和过孔镍铜总厚度相等但在实际生产时过孔镍铜也称电镀层总厚度等于或略小于表层铜箔总厚度。五、依据IPC-2152保守图表衍生表格来计算PCB走线宽度和过孔尺寸工程师们按照上面第04节查IPC-2152保守图的方法来计算PCB走线线宽和过孔尺寸还是显得太繁琐为了帮助工程师更加方便快捷的计算PCB载流能力德力威尔王术平用描点法将IPC-2152保守图表图D数据计算出来并制作出PCB载流能力速查表如下表所示图H PCB载流能力速查表德力威尔王术平5.1、使用PCB载流能力速查表来计算PCB走线宽度下面通过实例来说明使用PCB载流能力速查表来计算PCB走线宽度的方法例3某PCB设计项目要求温升不超过30℃额定电流为1A铜厚为1OZ求PCB走线宽度。解在图H的PCB载流能力速查表中1查温升黄色表格找到温升“30℃”单元格2查电流黄色表格找到温升“30℃”单元格对应竖排表格中的“1.000”单元格3查铜厚绿色表格找到走线宽度标题下的铜厚“1OZ”单元格4查线宽绿色表格找到“1.000”单元格和“1OZ”单元格相互交叉的“0.369”单元格即可查得PCB线宽为0.369mm该值余量较大使用起来十分安全。5.2、使用PCB载流能力速查表来计算PCB过孔尺寸下面通过实例来说明使用PCB载流能力速查表来计算PCB过孔尺寸的方法例4某PCB设计项目要求温升不超过30℃额定电流为1A铜厚为1OZ求PCB过孔内径。解在图H的PCB载流能力速查表中1查温升黄色表格找到温升“30℃”单元格2查电流找到温升“30℃”单元格对应竖排表格中的“1.000”单元格3查铜厚蓝色表格找到铜厚“1OZ”单元格4查过孔蓝色表格找到“1.000”单元格和“1OZ”单元格相互交叉的“0.117”单元格即可查得PCB过孔内径为0.117mm该值余量较大使用起来十分安全。六、使用普适性规则来计算PCB走线宽度和过孔尺寸人们在实际研发设计中PCB电路板多种多样、情况各异每次计算线宽时都要去查图表这就给设计带来诸多不便。那么就有研究者对“PCB导体载流容量图表”老旧图表均适用进行了详细计算和分析发现按照1A/1MM/1OZ电流线宽铜厚这个比例推算出来的线宽都不会超过“PCB导体载流容量图表”中所规定的导体载流能力为了便于记忆和使用于是乎就产生了一个网上流传已久的、被奉为圣经的普适性公式1A/1MM/1OZ公式6 普适性电流与线宽及铜厚关系式式中W是PCB走线宽度单位mmI是允许通过走线的电流单位AT是走线的厚度单位OZ。在使用上述普适性公式时要注意以下两点一、如果PCB布线空间允许的情况下可以使用普适性公式否则就按IPC-2152图表针对性计算二、在铜厚小于3OZ、温升小于45℃、电流小于15A的范围内使用普适性公式是非常安全的超过此范围应按IPC-2152图表针对性计算。6.1、使用普适性公式来计算PCB走线宽度下面通过实例来说明使用普适性公式来计算PCB走线宽度的方法例5某PCB设计项目要求温升不超过30℃额定电流为2A铜厚为0.5OZ求PCB走线宽度。解已知I2AT0.5OZ根据公式6可求得WI/T2A/0.5OZ4mm。答温升30℃满足小于45℃的条件载流能力为2A铜厚为1OZ时PCB走线宽度控制在4mm即可满足要求且余量较大使用起来十分安全。6.2、使用普适性公式来计算PCB过孔尺寸1过孔模型图I 过孔模型上图中d为过孔内径(D-d)/2为孔壁铜厚为了方便计算和安全起见我们可以直接求出内径d的周长将该圆周展开就等效为PCB走线线宽了孔壁铜厚就等效为PCB走线厚度了于是我们可以得到一个关于过孔的等效线宽公式非常安全公式7 过孔等效线宽公式式中W为等效线宽单位mmC为周长单位mmπ为圆周率d为过孔内径单位mm。2实例说明使用普适性公式来计算PCB过孔尺寸的方法例6某PCB设计项目要求温升不超过45℃过孔孔壁电镀层厚度约为0.5OZ1.38mil过孔载流量为3A求过孔内径。解1按1A/1mm/1OZ的普适性公式WA/T求得线宽为W3A/0.5OZ6mm。2根据公式7可得WCπd6mm则d1.91mm。答温升45℃满足温升不大于45℃载流为3A孔壁铜厚为0.5OZ时将过孔内径控制在1.91mm即可满足要求且余量足使用起来十分安全。七、使用专业软件来计算PCB走线宽度和过孔尺寸7.1、HowTo2152软件免费美国电路板设计师杰克·奥尔森Jack Olson和博科·博齐科维奇Borko Bozickovic设计了一个免费的“确定电路板载流能力”的计算器。这个计算器是以一个Excel文档形式给出的这个Excel工具允许设计者根据不同的叠层结构、温升及电流等设计条件填入不同的数值来精细计算PCB导线宽度。软件操作界面如下图所示图J HowTo2152操作界面该计数器绿色免安装界面整洁、操作简单小伙伴们只需选择表格中的IPC-2152表格计算器按照德力王术平在图中的标注就可以使用该计算器求PCB线宽了不支持过孔计算。7.2、Saturn PCB Toolkit免费美国Saturn PCB Design谷歌翻译美国土星PCB设计公司推出了一款免费的Saturn PCB Toolkit工具它是一款专业的PCB参数计算工具通过该软件用户可以计算PCB导线和过孔的通流能力、阻抗、波长、带宽、PCB导线最小间距、PCB供电网络阻抗、PCB热阻、保险丝、等各项PCB线路板的参数Saturn官网最新版是V8.06但只支持V7.03下载下面以Saturn PCB Design V7.03为例介绍其使用方法。1使用Saturn PCB Toolkit计算PCB走线宽度图K Saturn PCB Toolkit 计算PCB走线宽度操作界面该软件使用较为简单大家按照德力威尔王术平在图中的标注就可以进行计算PCB走线线宽了。在使用该软件时有几点注意1该软件支持IPC-2152保守模式、IPC-2152调节模式及IPC2221旧模式保守模式适用广泛、余量较大但需要较大的布线空间调节模式针对性强、比较精细更节约走线空间旧模式已淘汰建议不用软件默认状态为IPC-2152调节模式。2IPC2221有内外层之分IPC-2152标准不分内外层。3外层成品铜厚是在础铜皮上再电镀一层铜来生产的比如1OZ外层成品铜厚一般先用1/3OZ基础铜粘压在玻璃纤维板上再在基础铜皮上电镀一层2/3OZ的铜皮和过孔一起电镀使用软件计算时可以简化操作直接将基础铜厚设置为成品铜厚将电镀铜厚设置为0。4如果选择了同层相邻导体选项则相邻导体根数越多散热越弱载流减小如果选择了最近的相邻层平面选项则相邻层介质越厚散热越弱载流越小相邻层平面铜厚越厚散热越好载流越大。5TG玻璃转化温度板材变软转折温度一般板材TG大于130℃左右中TG大于150℃、高TG大于170℃以上基板的Tg提高了印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高。6蚀刻因子采用默认1:1即可。备注蚀刻因子蚀刻液在蚀刻过程中不仅向下而且对左右各方向都产生蚀刻作用侧蚀是不可避免的。蚀刻深度与蚀刻宽度之比称为蚀刻因子。我们的PCB成品铜导线实际上是一个倒立的梯形蚀刻因子越大越接近方形蚀刻效果越好阻抗控制得也越好。蚀刻因子 线厚度/[(下线宽 - 上线宽)/2]业界标准蚀刻因子应大于2。蚀刻因子图示如下图L 蚀刻因子示意图2使用 Saturn PCB Toolkit 计算PCB过孔尺寸图M 使用 Saturn PCB Toolkit 计算PCB过孔尺寸该软件使用方法也较为简单按照笔者在图中的标注就可计算PCB过孔尺寸了。小结本文主要阐述了在满足PCB载流能力的条件下如何计算PCB走线宽度和过孔尺寸以便为广大工程师朋友们提供参考和帮助。本文介绍了五种计算PCB走线宽度和过孔尺寸的方法这些方法都是基于IPC-2152最新标准产生的具有一定的权威和可信度。在选择计算方法时德力威尔王术平给出几个建议1、如果PCB布线空间宽裕且满足铜厚小于3OZ、温升小于45℃、载流小于15A的条件可使用经典的1A/1MM/1OZ普适性公式WI/T来估算PCB走线宽度和过孔尺寸。该方法能应对所有情况包括内部和外部导体、PCB材料、PCB厚度以及空气除真空外等环境条件通过该方法估算出来的参数值非常安全在任何情况除真空外的环境下都有效不考虑其他变量虽然在成本、面积等方面优势不大但一定能满足电流和温升要求。2、如果要节约走线空间要对走线宽度和过孔尺寸的控制具有针对性可以采用IPC-2152 Conservative Chart保守图表来估算PCB走线宽度和过孔尺寸。通过该方法估算出来的参数值非常安全在任何情况除真空外的环境下都有效不考虑其他变量虽然在成本、面积等方面不是最优的但也一定能满足电流和温升要求。3、如果布线空间紧凑为满足更加精细化的设计使设计更具针对性可以采用专业的PCB辅助设计软件来计算PCB走线宽度和过孔尺寸。专业PCB辅助设计软件采用了IPC-2152 Universal Chart通用图表及其众多关联的参数调节修正图表。本文由德力威尔王术平原创转发引用请注明出处。本文主要参考资料1、《IPC-2152Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Circuit Board Design》。2、《IPC-2221A Generic Standard on Printed Board Design》。3、http://frontdoor.biz/PCBportal/HowTo2152.pdf。4、《PCB电流与信号完整性设计》道格拉斯.布鲁克斯著丁扣宝、韩雁译。5、http://www.eeweb.com/interview-with-mike-jouppi/Interview with Mike Jouppi。