电气性能设计的导线电流负载能力

印制导线的电流负载能力是导线设计的重要技术指标，它是指在印制板使用的环境条件下.一定宽度和厚度的导线在规定的导线温升内，所能承受的最大负载电流.导线的负载电流分为持续电流和瞬间冲击电流，两种电流方式的大小和持续时间对导线的温升影响是不同的.设计时需要分别考虑.

l 持续电流
持续电流是指在电路工作时导线上连续流过的电流.这与导线的载流量和导线的截面积大小有关，设计时根据电路中导线的电流大小和导线的电流大小及电流负载能力，来确定印制导线的宽度和厚度(即导线的截面面职).但是仅此考虑还不够，因为印制板上的导线通过一定的电流后要发热而引起持续升温，当温度上升过高时，就会破坏导线与基体绝缘材料的结合力，使导线翘起而无法使用，所以量大的负载电流量不能超过引起温度升高而破坏导线与基材结合力的电流量.尤其是电源线和工作电流比较大的导线，导线的宽度、厚度应通过计算并留有一定的余量.要准确计算导线流过电流的温度相当困难，因为它与导线的电流、电阻、通电时间、热功当量的转换，以及铜箔和基材的热容量及周围环境散热情况等因素部有关，通常可查阅相关标准.有关标准(GB 4588. 3 、GJB 362A 、QJ 3103 和IPC－2221 等标准给出了一定厚度和不同宽度的铜导线负载电流与导线温升的关系图((见图5-17). 该图是通过大量的实践总结出来，并经试验验证是比较准确的且使用方便，避免了大量的计算工作.对散热条件好允许导线温度稍高一些的板，可以将导线设计得细些，能提高布线的密度.对电源板或电流较大的导线，应根据电流量的大小，通过载流盘与导线温升曲线选择宽一些的导线，因为过高的温升、长时间工作可能引起导线铜箔与基材分离、起翘或鼓泡，甚至会使板变形.

印制板上的阻焊膜和敷形涂层会影响导线的散热，在同样温升的的况下，导绒的负载电流能力略有下降，设计时应考虑这一情况，对导线宽度给以补偿，即散热条件不好时导线的宽度应略大于散热好的导线宽度.

导线的间距对导线的放热也有影响，间距小、板的热设计考虑不周和设备的散热条件差，可能使导线的温升提高，影响导线的有效电流负载能力，设计时应综合布虑这些因素.当元器件功率小、布局密度低散热条件好时，导线间距可以减小;相反时导线间距应加大，有利于提高导线的电流负载能力.信号线的电流都很小，可以选择宽度窄一些的导线.同样宽度不同厚度的导线其载流量是不同的.在按图5-17 考虑的导线宽度时.成品PCB上导线的实际负载电流能力要大这是因为设计时选择铜箔的厚度值.在PCB加工中由于对孔进行金属化和图形电镀时，会使导线铜层的厚度增加.提高了负载电流的能力但是蚀刻时导线的侧蚀.使宽度减少又影响负载电流.所以在加工过程中严格控制蚀刻质量.在工艺正常的条件下不会降低导线的负载电流能力.甚至会稍有提高，这是因为图形电镀法制造印制板，镀层加厚的程度要大于导线侧蚀的量.使导线的实际截面积增大而造成的.在设计有特性阻抗要求的印制板时.应注意这种变化对阻抗的影响.

根据导线负载电流值，用此图来选择印制导线的宽度和厚度.但是允许的导线的温升不能超过覆铜箔基材的安全使用温度与环境温度之差. 一般按温升1O'C的曲线选择.如果散热条件好或有强制冷却方式.可以选择更高一些的导线温升，这样可以减少导线的宽度，提高布线密度.然而，考虑到制作工艺、铜箔厚度、导线宽度在允许范围内的变化该图所示的曲线已比实际测得的数值降低丁10% 。如果采用的基材厚度较薄(<1.5mm)或者应用了表面涂覆层.或者导线间距小于导线宽度时，应再降低15%。由于多层板的内层导线，由于内层的散热不如表层散热好，为防止内层导线过热而降低板的层间结合力，建议设计时按图中的示值降额一半使用.

2 冲击电流
是指在电路工作时，在导线上瞬间流过的超过正常持续电流的过载电流.导线电流瞬间过载会使温升迅速提高.并且持续的时间越长，产生大量的热量，会使导线与基材的结合力下降，甚至会引起板的损坏.过载电流引起的温升与电流的大小和持续时间、基材特性和散热条件有关.对于以环氧玻璃布为基材的印制板，一般在lOOms 的时间内可以承受大于5倍之内理论值的负载电流.所以在设计导线宽度时，对容易产生瞬间过载电流的导线应适当加大宽度.

对于信号传输导线因为电流很小，所以导线可以设计得比较细，但是对于电源线、地线或电流的汇总线.或者散热条件不好的情况下，必须严格计算并按图5-17 估算导线宽度，对于高可靠的印制板，在此基础上还应留有一定的安全系数，适当增加宽度。

在使用图5-17的图表时应注意:横坐标导线截面积的数字是英制单位( mil2)，换算为公制应乘以括号内的系数.实际在查表使用时不用计算导线截面积，直接根据需要的负载电流量通过图5-17(a)和图5-17(c) 查找允许的温升曲线交点，再以此交点对应的横坐标数的在图5-17 (b)上作垂线与不同铜箔厚度的附线相交，相应厚度曲线的交点对应的纵坐标数值即为在该铜箔厚度的导线宽度.如查找某外层导线负载电流为1.5A时的导线宽度.假设允许温升为1O'C.先在图5-17(a)的纵坐标找出1.5A线与1O'C的温升曲线交点,对应的横坐标为1.9. 再通过图5-17 (b) 查找横坐标为1.9与不同厚度的铜箔曲线交点所对应的纵坐标的该值即为相应厚度导线的宽度假设导线厚度取35μm. 则交点对应的导线宽度为O.51mm. 如果采用18μm 厚度的导线则交点对应的导线宽度为1.1mm.. 其他不同载流量、不同温升要求和不同铜箔厚度的导线宽度设计都可以用此方法按图5-17 进行估算.

设计时是根据基材铜箔的标称厚度(供应商可以提供)考虑导线的宽度，而在成品印制板上实际的导体厚度包括了镀层的厚度.在印制板的外启导体上，由于孔金属化时需要镀铜加厚镀层和图形电镀将会使印制导线的厚度增加20-25μm. 而镀前处理的刷板、微蚀又会使导线铜层厚度减少，厚度减少的量随铜箔标称厚度有所变化，对于最厚铜箔允许的最大工艺变化量应不大于4μm. 电镀附加的量大于前处理减少的厚度，所以在外层导线的最后铜层导线厚度要大于铜箔的起始标称厚度.

尽管加工中有侧蚀的因素使导线宽度减小但由于镀层厚度增加更大，在印制打通上外层导线的截面积实际也增大了，这样负载电流能力会大于设计值，按此确定的导线宽度实际使用起来更安全.对多层板的内层导线，因为没有镀层，加工后由于刷板、消洗等因素会使导线厚度略有减小，如果考虑特性阻抗或对导线的宽度和厚度有严格要求，就必须考虑加工后导体层厚度的变化，必要时应限制最小导体层厚度.为使设计能了解导线层厚度变化的情况，表5-8和表5-9 列出了层板内层和外层加工后导体铜箔的变化情况，可以作为设计时的参考和指南。但不是设计的必须要求.

根据印制板制造完成后导体厚度变化的这一规律，在考虑印制导线宽度时，对相同负载电流的内层导线应比外层导线要设计得宽一些.可以保证内外层导线负载电流的均衡性.同时内层导线的散热条件不如外层导线.为了防止内层热量的累积引起多层板的内层分层、起泡，在布线空间允许的情况下应尽量增加导线宽度，降低内层导线的发热量.

如果要求的负载电流能力很大，则需要选择厚铜箔或加宽导线，不要仅仅依靠用薄铜箔通过电镀加厚的办法来实现，因为镀层过厚电镀应力较大，镀铜工艺控制不好容易引起镀层分层。

基材上铜箔的标称厚度实际上也是铜箔厚度的平均值，最小的实际厚度可能要比标称值小10%左右，设计选择铜箔厚度都应以最薄的情况为基础.经过印制板的加工还会发生许多厚度变化，通过这种变化量确认成品导线上的铜层厚度，可以评价电流负载能力的设计优劣.

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