如何设计具有电流承载能力的过孔

2022-03-25

如何设计具有电流承载能力的过孔

“via”这个词最初是一个拉丁词，意思是道路或方式。在设计PCB时，通孔在互连中起着至关重要的作用，因为它们用于在层之间路由电信号。

过孔主要包括： 

通过在面板上钻孔形成的 导电桶通过电镀导电。

连接通孔起始端和终止端的焊盘。

反焊盘在桶和未连接通孔的导电铜层之间提供间隙，从而防止短路。 

在这里，我们将讨论一些重要的设计规则，以提高通过过孔的载流能力。了解PCB通孔如何互连电路板层以了解基础知识。

过孔的载流能力是多少？

通孔的主要目的是在多层PCB中将电信号从一层传输到另一层。如果电流没有流过特定的过孔，层之间的互连就会丢失，整个电路板设计就会出现大故障。

一般载流能力方程为：

I = (K) (𝝙T 𝜷1 ) (A 𝜷2 )

在哪里， 

I表示电流，以安培为单位，

𝝙 T是相对于环境温度的温度变化，以°C 为单位， 

A是以密耳为单位的横截面积，

K是校正因子，在内部导体中等于 0.024，在外部导体中等于 0.048，

𝛽1和𝛽2分别为 0.44 和 0.75。

从数学的角度来看，通孔的电流容量取决于走线的横截面积和温升。横截面积再次与迹线宽度和厚度成正比。在一定程度上，承载电流的能力取决于过孔是埋入式还是通孔式。组件和焊盘的存在也很重要。

通过当前容量影响的因素

相对于环境温度的温度变化

载流能力，也称为载流量，是通孔在不超过额定温度的情况下可以承载的最大一致电流。焦耳或欧姆加热（VI 或 I 2 R ）表示任何传导电流的东西都会导致散热并逐渐导致导体和周围环境的温度升高。这可能最终导致通孔失败。 

导电材料的电阻率随温度变化。通常，标准电阻率是在20℃时测量的。因此，每变化1℃，电阻率就会发生一定的变化。FR-4材料虽然具有阻燃性，但其结构特性不能承受极高的温度。在这种情况下，使用热层压是完美的策略。下表给出了不同金属在20℃下计算的电阻率及其应用的信息。 

材料	20℃电阻率	用法
铜 (Cu)	1.68✕10^-8	铜线、迹线和合金
金（金）	2.44✕10^-8	保护铜腐蚀的电镀材料
铝 (Al)	2.65✕10^-8	铝线、迹线和合金
银(Ag)	1.59✕10^-8	电镀材料，防止腐蚀，提高电阻率。

迹线截面积

截面积与载流能力成正比。这意味着更大的表面积、更多的散热以及更多的载流能力。

现在，横截面积基于迹线厚度和迹线宽度。由于制造限制，改变走线厚度并不总是可行的。因此，为了达到适当的额定电流，我们可以增加走线宽度。迹线表面积将充当散热器。当温度变化10℃时，较粗的走线比细的走线能更有效地处理电流的突然变化（如前面等式中所述，温度的变化会导致电流的变化）。但在某些情况下，空间不足会阻碍走线宽度的增加。在这种情况下，我们可以通过在迹线顶部焊接来增加迹线厚度。

迹线横截面

为什么要计算过孔中的电流？

通孔的尺寸是实现所需额定电流的关键因素之一，因为它们具有电阻值。我们知道电阻率与电导率成反比，因此较大的通孔具有较低的电阻，反之亦然。过孔中的电阻会导致散热。 

如果在设计过孔时没有考虑所需的额定电流，则走线可能会被烧毁，并且可能会出现高压降的风险。

2009 年，IPC 制定了 IPC-2152“印制板设计中的载流能力标准”。它有助于根据所需的额定电流和允许的环境温升来确定适当尺寸的内部和外部导体。

IPC 2152 标准

IPC-2152 取代了已有 50 年历史的 IPC-2221B 标准。IPC-2221B 在一系列图表中确定了没有多层板时PCB的温升、走线中的电流和走线截面积之间的联系。

IPC-2152 概述了热导率、通孔、电路板材料和厚度与电流、迹线横截面、铜重量和温度的关系。它还可以确定外部和内部迹线的准确值。IPC -2152 不仅是一个实时保护程序，而且它还可以帮助PCB设计人员对安全和适当的设计进行建模。Sierra Circuits 走线宽度和电流容量计算器基于此标准。您可以计算出一定温升的迹线面积和电流容量。您可以在以下部分中找到有关它的更多信息。 

调节载流能力的措施

在PCB设计的一开始就采取适当的测量来控制通孔的载流能力，以确保适当的功能和性能。以下是一些规范当前评级的黄金法则。

通过制造

在制作过孔时，要考虑的三个重要因素是过孔内径、孔壁厚度和焊盘环圈。如前所述，通孔和微通孔是通过电镀孔来导电的。通孔的热导率通过隆起、塞住或填充来增加。

帐篷通过

过孔的帐篷化实际上是用阻焊层覆盖环形圈和过孔。它可以保护铜迹线免受腐蚀、氧化，并降低电路短路的风险。

帐篷通孔

棕色：铜层  

蓝色：钻孔层  

绿色：阻焊层

过孔堵塞

过孔堵塞是一种用环氧树脂完全填充过孔并用阻焊层封闭的工艺。它可以通过使用导电或非导电材料来实现。在通孔中使用导电填充物可以增加将电流从一层传输到另一层的能力。

通过堵塞

通孔未覆盖（最有可能的孔尺寸 <= 0.5mm）

通孔部分覆盖（最有可能的孔尺寸 > 0.3 毫米和 < 0.5 毫米）

通孔完全覆盖（环氧树脂可能会或可能不会填充在通孔内，最有可能的孔尺寸 = 0.3mm）

多级优化互连

在这个过程中，我们习惯于在层之间建立强大的垂直连接。路由大电流总是涉及使用尽可能多的金属来减少热效应以及降低电感。这是一种在不同导电材料层上使用多个通孔然后连接的技术。微孔、埋孔和盲孔最有效地用于减轻不必要的寄生电感和电容。在这方面，可以提到一个主旨，即较短的互连长度会降低不需要的短截线阻抗。因此，电流承载能力提高。

过孔的垂直连接

走线宽度计算器

这些表格显示了温度和走线宽度对载流能力的影响。

使用模拟方法通过温度
走线宽度（密耳）	电流 (A)	微量温度（℃）	通过温度（℃）	通过 T/跟踪 T
27	4.75	72.8	70.1	96.3
27	6.65	114.2	108.2	94.7
200	4.75	30.8	31.8	103.2
200	8.55	44.8	48.1	107.4

过孔测试的测量结果
走线宽度（密耳）	电流(A)	微量温度（℃）	通过温度（℃）	通过 T/Trace T
27	4.75	66	64.5	97.7
27	6.65	114	109	95.6
200	4.75	30.5	31.5	103.3
200	8.55	40.5	44.5	109.9

对于大电流PCB，走线宽度计算至关重要。从上表中，我们可以评估特定走线宽度的载流能力。过孔被认为是铜圆柱体，其周长为 2 𝝅r 或𝝅d，其中 d 是过孔的大小。圆周将类似于迹线。

Sierra Circuits 走线宽度计算器

Sierra 三合一跟踪电流计算器

Sierra Circuits 提供了一个三合一的走线宽度计算器，可以计算走线宽度、走线电流量和温升。改变任意两个参数，我们可以获得给定迹线厚度的第三个参数的值。此外，它还可以给出直流电阻值和给定长度迹线上的电压降。走线长度和环境温度的默认值分别为 1 英寸和 25℃。可以根据需要更改这些值。该工具具有使用不同单位的灵活性。Sierra 电路走线宽度计算器基于最新的 IPC-2152 标准。 
Sierra 电路通过电流容量计算器

根据 IPC-2152，过孔和走线的横截面积应相同。导致跟踪电流的因素在确定通孔电流方面也起着重要作用。但是我们知道过孔的电镀与走线的电镀不同。因此，精确度和熟练度对于通过电流计算来避免PCB性能下降至关重要。

通过电流计算器

Sierra Circuits 推出了过 孔电流容量和温升计算器 ，以帮助设计人员创建完美的PCB过孔。该工具可确定通孔直径、载流能力和环境温升。输入参数的标准值，如过孔的高度和电镀厚度，可在帮助部分找到。您可以在方便时为每个参数使用不同的单位。设计人员还可以在此处找到特定电流额定值的电阻、电压降和功率损耗等重要参数。

通过当前容量影响的其他因素

从上述事实可以看出，主要是截面积和温度是决定载流量的因素。但是还有其他因素也会影响容量。 

过孔连接到迹线，如果迹线不够宽，电流尖峰可能会烧毁迹线或过孔。这是由于焊接不均匀导致横截面积增加而走线宽度保持不变。

为避免过流问题，设计人员应考虑使用干净的电路板（无污染物）。污染物和灰尘颗粒也会影响电流承载能力。

在大电流中，具有锐角的弯曲走线会对载流产生不利影响。尽管在低电流传输中这不是什么大问题。

PCB基材在这方面也很重要。相同厚度和宽度但基材不同的走线会极大地影响过孔的载流能力。这是由于不同材料的导热特性不同所致。

通孔以较短的路径将电信号从一层传输到另一层，并且可能会遇到信号完整性问题。因此，有效和适当地计算额定电流对于设计它们以消除电路损坏和退化的风险是必要的。