确定 PCB 走线温度的主要设计考虑因素

如果问人们是什么决定了 PCB 走线温度，最常见的回答可能是电流或 I 2 R 功耗。虽然这些答案不一定是错误的，但它们非常不完整。

I 2 R 的单位是焦耳/秒;它是向迹线提供能量的速率。如果我们无限期地将这种能量施加到迹线上，则迹线的温度将无限期地继续增加。它不会发生，因为有相应的冷却效果可以冷却走线。这些影响包括通过电介质的传导、通过空气的对流以及远离走线的辐射。

在本文中，我们将几乎忽略对流和辐射，并将它们视为常数。我们将专注于传导热量的事物。

传导传热公式如公式 1 所示：

Q/t = kA(ΔT)/d (1)

在哪里：

Q/t = 传热率(瓦特或焦耳/秒)

k = 导热系数 (W/mK)

FR4 约为 0.5，铜约为 350

ΔT = 温度变化 (°C = °K)

在我们的例子中，走线和电介质之间

A = 重叠区域

d = 重叠区域之间的距离

当加热速率 (I 2 R) 等于冷却速率(方程式 1)时，会出现恒定温度。

由于 I 2 R 和 Q/t 是点概念，情况更加复杂。也就是说，它们随 (a) 时间点和 (b) 跟踪点的变化而变化。它们可以随时间点而变化，因为几个变量(例如电流和 ΔT)会随时间变化。它们可以沿迹线变化，因为几个变量(例如电阻率、热导率和 ΔT)可以沿迹线变化。

下面是对痕量温度的一些不太明显的影响的预览。

热建模

在本文中，我们将使用基于热仿真软件 Thermal Risk Management (TRM) 的简单热仿真模型来说明这些概念。该模型由一块 50×200 毫米的板组成，中间有一条 6 英寸长的走线。设置为正常实验室环境，环境温度为 20°C。重要参数有：

走线宽度 100 mil

走线厚度 1.3 mils(约 1.0 Oz.)

电流 8 A

电阻率 (ρ) 1.72 μΩ-cm(退火铜)

Tc(平面内) 0.7

Tc(通过平面) 0.5

板厚 63 mils

假设对流和辐射效应是恒定的。

时间瞬变

如上所述，热效应存在于某个时间点。当电流首次应用于迹线时，迹线需要一些时间才能达到热平衡。时间范围通常为 5 到 10 分钟左右。我们模型的热响应时间。时间框架主要取决于热量通过电路板材料传导的速度。

那么，我们的迹线温度是多少?这是我们何时测量它的函数。

热梯度

此外，如上所述，沿迹线的热效应是沿迹线测量温度的点的函数。迹线的末端明显明显地冷于中间。这是大多数 PCB 走线的特点。

原因如下。走线中间的冷却——热流路径——几乎被限制为垂直于走线。但走线末端的冷却路径覆盖超过180度。热量有更广泛的“传导”区域。因此，走线末端的冷却比走线中点的冷却效率高得多。因此，走线的末端更冷。

那么，我们的迹线温度是多少?这取决于我们在哪里测量它。

板厚

我们的模型假设一块 63 密耳厚的电路板。迹线的温度在一定程度上取决于电路板的厚度。薄板上的痕迹比厚板上的痕迹更热。那是因为较厚的板有更多的材料可以传导热量。因此，较厚的板可以更有效地冷却。但收益递减。在某些时候，迹线下的材料比迹线可以有效利用的要多。

我们 66.4°C 的基础温度相当于一块 63 密耳厚的电路板。如果电路板只有 32 密耳厚，则走线温度会升至 78.9°C。但如果它的厚度为 126 密耳，则走线温度会降至 60°C。超出该点的额外厚度对我们没有太大帮助。

那么，我们的迹线温度是多少?这取决于板的厚度。

热导率

电路板材料或电介质，实际上几乎所有元素，都具有导热系数。这与材料的导热性能有关。它的单位是W/mK。对于大多数 PCB 电介质，该系数的范围从大约 0.3 到大约 0.8，对于铜，大约为 350。但是出现了具有更高导电系数的新型电路板材料。较高的导热系数导致较低的迹线温度。

PCB 材料通常有两个这样的系数：平行于迹线的“平面内”和垂直于迹线的“平面内”。我们认为，由于玻璃纤维的铺设方向，板材材料的平面内系数通常高于平面系数。令我们沮丧的是，这些系数通常不是由材料制造商发布的——尽管这种情况正在改善——或者它们以不完整的方式发布。

PCB 走线温度对导热系数非常敏感。如果我们稍微降低系数，迹线温度会显着增加。在我们的模型中，如果我们将面内系数从 0.7 降低到 0.6，则迹线温度会从 66.4°C 增加到 70.7°C。如果我们将通过面系数从 0.5 降低到 0.4，则迹线温度从 66.4°C 增加到 67.2°C。显然，面内系数是两者中更重要的。

那么，我们的迹线温度是多少?它取决于板材料的导热系数。

迹线尺寸

当我们关注迹线温度时，我们通常处理的是相对较宽的迹线。在这种情况下，相对而言，走线宽度没有太大的不确定性。但对于迹线厚度，情况并非如此。迹线厚度相对较小，沿迹线的厚度通常可以变化十分之几密耳。结果，沿迹线的迹线温度不均匀。我们不能安全地假设迹线厚度是名义上指定的。实际上，顶层上的镀铜在电路板周围的不同点可以变化 0.4 到 0.5 密耳。目前，没有实用的方法可以确定我们的迹线的实际厚度是多少。

迹线温度对迹线厚度非常敏感。例如，如果我们将模型中的走线厚度从 1.3 mil 减少到 1.2 mil，则走线温度从 66.4°C 增加到 70.8°C，增加了 6.6%。

那么，我们的迹线温度是多少?这取决于实际的走线厚度，不幸的是，这通常是不确定的。

铜

一般来说，我们的电路板上有两种类型的铜：电镀(ED，或电沉积)和轧制(拉制)。镀铜非常接近“纯”铜。它的电阻率约为 1.64 μΩ-cm。轧铜由铜锭轧制而成，铜锭通常是铜合金或退火铜。它的电阻率各不相同，但约为 1.72 μΩ-cm(我们在模型中假设)。当然，铜的电阻率与走线的电阻直接相关，因此也与 I 2 R 项有关。因此，如果我们从压延铜改为 ED 铜，走线温度会下降。我们模型中的这种变化将跟踪温度从 66.4°C 降低到 63.4°C。

那么，我们的迹线温度是多少?这取决于我们使用的是 ED 还是轧铜。

地平面的存在

我们今天的大多数电路板都包含平面，这既是出于配电原因，也是出于信号完整性的原因。平面的存在对迹线温度有重大影响。原因是铜平面的热导率比电路板材料高得多——350 对 0.7 W/mK。热量可以传导到一个平面，然后它可以非常有效地传导到平面传播的所有地方。

如果我们在模型板的另一侧放置一个平面，则走线温度会从 66.4°C 下降到 45.2°C。如果我们将平面放置在走线下方 12 密耳处，走线温度将降至 38.1°C。请特别注意走线上方和下方的热“电流”有多宽。这说明了平面将热量分布在电路板周围更大区域的效果，以及为什么走线更冷。

那么，我们的迹线温度是多少?这取决于是否有地平面存在以及它们在哪里。

对仿真模型的需求

走线的温度不仅仅取决于沿走线的 I 2 R 功耗。一些更重要的变量包括平面的存在与否(及其大小)、电路板电介质的热特性、电路板的厚度以及沿走线长度的走线的实际厚度(变化)。

使用图表和方程式来确定微量温度已不再实用;我们需要计算机模拟模型。我们以前来过这里。在 1990 年代，我们开始担心受控阻抗走线。那时，我们可以使用各种标准和出版物中的阻抗方程。今天，这样的方程是不够的，我们需要场效应解决方案。我们在同一点上考虑了微量热问题。