确定 PCB 走线温度的主要设计考虑因素

如果人们被问到什么决定了 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，但遗憾的是它们并不完整。

I 2 R的单位为焦耳/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，迹线的温度将无限期地继续升高。这种情况不会发生，因为有相应的冷却效果可以冷却走线。这些效应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。我们将重点关注导热的事物。

传导传热的公式如公式 1 所示：

Q/t = kA(ΔT)/d (1)

在哪里：

Q/t = 传热速率(瓦或焦耳/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) 等于冷却速率时，就会出现恒定温度(公式 1)。

由于 I 2 R 和 Q/t 是点概念，情况变得更加复杂。也就是说，它们随时间上的 (a) 点以及轨迹上的 (b) 点而变化。它们可能会随时间点而变化，因为其中几个变量(例如电流和 ΔT)可能会随时间变化。它们可以沿着迹线变化，因为几个变量(例如电阻率、热导率和 ΔT)可以沿着迹线变化。

下面是对痕量温度的一些不太明显的影响的概览。

热建模

在本文中，我们将使用基于热仿真软件热风险管理 (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(穿过平面) 0.5

电路板厚度 63 mils

假设对流和辐射效应恒定。

时间瞬变

如上所述，热效应存在于某个时间点。当电流首次施加到迹线时，迹线需要一些时间才能达到热平衡。时间范围通常为 5 至 10 分钟左右。那么，我们走线的温度是多少?它是我们测量它的时间的函数。

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。走线中间的冷却(热流路径)几乎仅限于垂直于走线。但走线末端的冷却路径覆盖超过 180 度。热量可以“传导”到更广阔的区域。因此，走线末端的冷却比走线中点的冷却效率高得多;因此，走线的末端温度较低。

那么，我们走线的温度是多少?这取决于我们在哪里测量。

板厚

我们的模型假定板厚为 63 密耳。令人惊奇的是，走线的温度在一定程度上取决于电路板的厚度。薄板上的走线比厚板上的走线温度更高。这是因为较厚的板有更多的材料可供热量传导。因此，较厚的板冷却效率更高。但回报却是递减的。在某些时候，迹线下方的材料多于迹线可以有效利用的材料。

。我们的基础温度为 66.4°C，相当于一块 63 密耳厚的板。如果电路板厚度仅为 32 密耳，则走线温度将升至 78.9°C。但如果厚度为 126 密耳，则走线温度将降至 60°C。超过该点的额外厚度对我们来说并没有什么好处。

那么，我们走线的温度是多少?这取决于板的厚度。

热导率

电路板材料或电介质，甚至几乎所有元件，都具有导热系数。这与材料的导热性能有关。其单位是W/mK。对于大多数 PCB 电介质，该系数范围为约 0.3 至 0.8，对于铜，该系数约为 350。但是，出现了具有明显更高电导率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“面内”系数和垂直于迹线的“穿过平面”系数。我们认为，由于玻璃纤维的铺设方向，板材材料的面内系数通常高于平面系数。令我们沮丧的是，材料制造商通常不公布这些系数(尽管这种情况正在改善)，或者以不完整的方式公布。

PCB 走线温度对导热系数非常敏感。如果我们稍微降低系数，迹线温度就会显着升高。在我们的模型中，如果我们将面内系数从 0.7 降低到 0.6，迹线温度就会从 66.4°C 增加到 70.7°C。如果我们将平面系数从 0.5 降低到 0.4，迹线温度就会从 66.4°C 增加到 67.2°C。显然，面内系数是两者中更重要的一个。

那么，我们走线的温度是多少?这取决于板材料的导热系数。

迹线尺寸

当我们关心迹线温度时，我们通常处理相对较宽的迹线。在这种情况下，相对而言，走线宽度并没有太大的不确定性。但对于迹线厚度而言，情况并非如此。迹线厚度相对较小，并且沿迹线的厚度通常可以变化十分之几密耳。因此，迹线温度沿迹线不均匀。我们不能安全地假设走线厚度就是名义上指定的厚度。事实上，顶层的镀铜在电路板周围的不同点可能会存在 0.4 至 0.5 密耳的差异。目前，还没有实际的方法可以确定我们的走线的实际厚度是多少。

走线温度对走线厚度非常敏感。例如，如果我们将模型中的走线厚度从 1.3 密耳减少到 1.2 密耳，走线温度就会从 66.4°C 增加到 70.8°C，增加 6.6%。

那么，我们走线的温度是多少?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，或电镀)和轧制(拉制)。镀铜非常接近“纯”铜。它的电阻率约为1.64μΩ-cm。压延铜由铜锭压延而成，铜锭通常是铜合金或退火铜。其电阻率各不相同，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，因此与 I 2 R 项相关。因此，如果我们从压延铜改为 ED 铜，走线温度就会下降。我们模型中的这一变化将迹线温度从 66.4°C 降低到 63.4°C。

那么，我们走线的温度是多少?这取决于我们使用的是 ED 还是压延铜。

飞机的存在

如今，出于配电原因和信号完整性原因，我们的大多数主板都包含平面。平面的存在对迹线温度有重大影响。原因是铜板的导热率比电路板材料高得多 — 350 vs 0.7 W/mK。热量可以传导到一个平面，然后可以非常有效地传导到整个平面。

如果我们在模型板的另一侧放置一个平面，走线温度将从 66.4°C 降至 45.2°C。如果我们将平面放置在走线下方 12 密耳处，则走线温度将降至 38.1°C。

仿真模型的需求

走线的温度不仅仅取决于走线的I 2 R 功耗。一些更重要的变量包括平面的存在或不存在(及其尺寸)、电路板电介质的热性能、电路板的厚度以及沿迹线长度的迹线的实际厚度(变化)。

使用图表和方程确定痕量温度已不再实用;我们需要计算机模拟模型。我们以前来过这里。在 20 世纪 90 年代，我们开始担心受控阻抗走线。当时，我们可以使用各种标准和出版物中的阻抗方程。如今，这样的方程还不够，我们需要场效应解。我们在微量热考虑方面处于同一点。