【知识分享】PCB走线与过孔的电流承载能力

    由于不同产品、不同模块电流大小不同，为实现各个功能，设计人员需要知道所设计的走线和过孔能否承载相应的电流，以实现产品的功能，防止过流时产品烧毁。

    文中介绍设计和测试FR4敷铜板上走线和过孔的电流承载能力的方案和测试结果，其测试结果可以为设计人员在今后的设计中提供一定的借鉴，使PCB设计更合理、更符合电流要求。

引言

    现阶段印制电路板（PCB）的主要材料是FR4的敷铜板，铜纯度不低99.8%的铜箔实现着各个元器件之间平面上的电气连接，镀通孔（即VIA）实现着相同信号铜箔之间空间上的电气连接。

    但是对于如何来设计铜箔的宽度，如何来定义VIA的孔径，我们一直凭经验来设计。

    为了使layout设计更合理和满足需求，对不同线径的铜箔进行了电流承载能力的测试，用测试结果作为设计的参考。

影响电流承载能力因素分析

    产品PCBA不同的模块功能，其电流大小也不同，那么我们需要考虑起到桥梁作用的走线能否承载通过的电流。决定电流承载能力的因素主要有：

    铜箔厚度、走线宽度、温升、镀通孔孔径。在实际设计中，还需要考虑产品使用环境、PCB制造工艺、板材质量等。

    在产品开发初期，根据产品成本以及在该产品上的电流状态，定义PCB的铜箔厚度。

    一般对于没有大电流的产品，可以选择表（内）层约17.5μm厚度的铜箔：

如果产品有部分大电流，板大小足够，可以选择表（内）层约35μm厚度的铜箔；

如果产品大部分信号都为大电流，那么必须选（内）层约70μm厚度的铜箔。

    对于两层以上的PCB，如果表层和内层铜箔使用相同厚度，相同线径走线的承载电流能力，表层大于内层。

    以PCB内外层均使用35μm铜箔为例：内层线路蚀刻完毕后便进行层压，所以内层铜箔厚度是35μm。

    外层线路蚀刻完毕后需要进行钻孔，由于钻孔后孔不具有电气连接性能，需要进行化学镀铜，此过程是全板镀铜，所以表层铜箔会镀上一定厚度的铜，一般约25μm~35μm之间，因此外层实际铜箔厚度约为52.5μm~70μm。

    敷铜板供应商的能力不同，铜箔均匀度会有不同，但差异不大，所以对载流的影响可以忽略。

    产品在铜箔厚度选定后，走线宽度便成为载流能力的决定性因素。走线宽度的设计值和蚀刻后的实际值有一定的偏差，一般允许偏差为+10μm/-60μm。由于走线是蚀刻成型，在走线转角处会有药水残留，所以走线转角处一般会成为最薄弱的地方。

    这样，在计算有转角走线的载流值时，应将在直线走线上测得的载流值基础上，乘以（W-0.06）/W（W为走线线宽，单位为mm）。

    PCB的走线上通过持续电流后会使该走线发热，从而引起持续温升，当温度升高到基材TG温度或高于TG温度，那么可能引起基材起翘、鼓泡等变形，从而影响走线铜箔与基材的结合力，走线翘曲形变导致断裂。

    PCB的走线上通过瞬态大电流后，会使铜箔走线最薄弱的地方短时间来不及向环境传热，近似绝热系统，温度急剧升高，达到铜的熔点温度，将铜线烧毁。

    镀通孔通过电镀在过孔孔壁上的铜来实现不同层之间的电气连接，由于为整板镀铜，所以对于各个孔径的镀通孔，孔壁铜厚均相同。不同孔径镀通孔的载流能力取决于铜壁周长。

测试PCB设计

    现阶段使用TG温度分别是>135℃和>150℃的基材，由于考虑到ROHS对无铅的要求，PCB将逐步切换为无铅，那么必须选择TG温度>150℃的基材。所以此次测试板基材选择Shengyi S1000。

    测试板PCB大小采用宽164mm、长273.3mm。PCB由深圳牧泰莱技术有限公司制作。测试板PCB分三组。

1 第一组：

    外层铜箔17.5μm，内层铜箔35μm第一组测试板PCB使用外层17.5μm基铜，内层35μm基铜。

    外层线径分别是：

0.125mm0.16mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。

    每种线径两个样品。

2 第二组：

    外层铜箔35μm，内层铜箔70μm第二组测试板PCB使用外层35μm基铜，内层70μm基铜。

    外层线径分别是：

0.125mm，0.16mm，0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。

    每种线径两个样品。

    由于对于70μm的铜箔厚度，现有供应商的能力为内层最小线径0.2mm，所以内层线径分别是：

0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。

    每种线径两个样品。

    镀通孔孔径分别是：

0.15mm，0.25mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm。

    每种孔径两个样品。

3 第三组：

    外层铜箔70μm，内层铜箔105μm第三组测试板PCB使用外层70μm基铜，内层105μm基铜。

    由于对于70μm的铜箔厚度，现有供应商的能力为外层最小线径0.3mm，所以外层线径分别是：

0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。

    每种线径两个样品。

    由于对于105μm的铜箔厚度，现有供应商的能力为内层最小线经0.3mm，所以内层线径分别是：

0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8 mm，0.9mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，2.0mm，2.4mm，2.8mm，3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm，5.5mm，6.0mm，6.5mm，7.0mm，7.5mm，8.0mm。 

    每种线径两个样品。

    镀通孔孔径分别是：

0.15mm，0.25mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm。

    每种孔径两个样品。

测试方案

    根据IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL的2.5.4多层线路板耐电流部分，设计测试方案如下。

    室温下，对于内外层走线的测试：将温度传感器贴在待测铜箔走线中间位置，在待测铜箔走线两端施加电流，待温升ΔT稳定后，保持3min，记下ΔT。逐步增加电流，直至铜箔走线毁坏。

    室温下，对于镀通孔的测试：将温度传感器贴在VIA上，在待测VIA引出走线两端施加电流，待温升ΔT稳定后，保持3min，记下ΔT。逐步增加电流，直至VIA毁坏。

    电流值范围为0~100A。

    采样值：

0.1A，0.2A，0.3A，0.4A，0.5A，0.6A，0.7A，0.8A，0.9A，1A，1.2A，1.5A，1.8A，2A，2.3A，2.5A，2.7A，3A，4A，5A，6A，7A，8A，9A，10A，15A，20A，25A，30A，35A，40A，45A，50A，55A，60A，65A，70A，75A，80A，85A，90A，95A，100A。

测试结果分析 

    在此，只对第一组测试数据结果进行分析。

    以2.8mm线径的外层铜箔为例，其测量数据如表1。

    根据表1测量数据可以做出一个趋势图，如图1所示：

图1 2.8mm外层铜箔线径的温升与电流的趋势图

    我们根据实测值取平均值后，可以得到2.8mm，外层铜箔走线在温升为ΔT=20℃时可以承载约8A电流；在温升为ΔT=40℃时可以承载约10.8A电流；在温升为ΔT=60℃时可以承载约13A电流；在温升为ΔT=100℃时可以承载约16A电流；极限耐持续电流约为20A。

    根据以上的方法，我们可以得到17.5μm外层铜箔不同线径的载流能力，35μm内层铜箔不同线径的载流能力。

    由于镀通孔的温度测量无法在孔壁的铜层上实现，我们实测的是镀通孔焊盘面的温度，所以以下测试数据仅作为参考。

图2 0.15mm孔径的VIA温升与电流的趋势图0.15mm孔径的镀通孔测量值

    0.25mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm孔径的镀通孔测量值的图形在此就省略了，汇总后，可以得到表2。