如果人們被問到什么決定了 PCB 走線溫度，最常見的回答可能是電流或 I 2 R 功耗。雖然這些答案不一定是錯(cuò)誤的，但遺憾的是它們并不完整。

I 2 R的單位為焦耳/秒;它是向跡線提供能量的速率。如果我們無限期地將這種能量施加到跡線上，跡線的溫度將無限期地繼續(xù)升高。這種情況不會(huì)發(fā)生，因?yàn)橛邢鄳?yīng)的冷卻效果可以冷卻走線。這些效應(yīng)包括通過電介質(zhì)的傳導(dǎo)、通過空氣的對(duì)流以及遠(yuǎn)離走線的輻射。

在本文中，我們將幾乎忽略對(duì)流和輻射，并將它們視為常數(shù)。我們將重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)熱的事物。

傳導(dǎo)傳熱的公式如公式 1 所示：

Q/t = kA(ΔT)/d (1)

在哪里：

Q/t = 傳熱速率(瓦或焦耳/秒)

k = 導(dǎo)熱系數(shù) (W/mK)

FR4 約為 0.5，銅約為 350

ΔT = 溫度變化 (°C = °K)

在我們的例子中，走線和電介質(zhì)之間

A = 重疊區(qū)域

d = 重疊區(qū)域之間的距離

當(dāng)加熱速率 (I 2 R) 等于冷卻速率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)恒定溫度(公式 1)。

由于 I 2 R 和 Q/t 是點(diǎn)概念，情況變得更加復(fù)雜。也就是說，它們隨時(shí)間上的 (a) 點(diǎn)以及軌跡上的 (b) 點(diǎn)而變化。它們可能會(huì)隨時(shí)間點(diǎn)而變化，因?yàn)槠渲袔讉€(gè)變量(例如電流和 ΔT)可能會(huì)隨時(shí)間變化。它們可以沿著跡線變化，因?yàn)閹讉€(gè)變量(例如電阻率、熱導(dǎo)率和 ΔT)可以沿著跡線變化。

下面是對(duì)痕量溫度的一些不太明顯的影響的概覽。

熱建模

在本文中，我們將使用基于熱仿真軟件熱風(fēng)險(xiǎn)管理 (TRM) 的簡單熱仿真模型來說明這些概念。該模型由一塊 50×200 毫米的板組成，中間有一條 6 英寸長的走線。設(shè)置為正常實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，環(huán)境溫度為20°C。重要參數(shù)有：

走線寬度 100 mil

走線厚度 1.3 mils(約 1.0 Oz.)

電流 8 A

電阻率 (ρ) 1.72 μΩ-cm(退火銅)

Tc(平面內(nèi)) 0.7

Tc(穿過平面) 0.5

電路板厚度 63 mils

假設(shè)對(duì)流和輻射效應(yīng)恒定。

時(shí)間瞬變

如上所述，熱效應(yīng)存在于某個(gè)時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)電流首次施加到跡線時(shí)，跡線需要一些時(shí)間才能達(dá)到熱平衡。時(shí)間范圍通常為 5 至 10 分鐘左右。那么，我們走線的溫度是多少?它是我們測(cè)量它的時(shí)間的函數(shù)。

熱梯度

此外，如上所述，沿跡線的熱效應(yīng)是沿跡線測(cè)量溫度的點(diǎn)的函數(shù)。走線中間的冷卻(熱流路徑)幾乎僅限于垂直于走線。但走線末端的冷卻路徑覆蓋超過 180 度。熱量可以“傳導(dǎo)”到更廣闊的區(qū)域。因此，走線末端的冷卻比走線中點(diǎn)的冷卻效率高得多;因此，走線的末端溫度較低。

那么，我們走線的溫度是多少?這取決于我們?cè)谀睦餃y(cè)量。

板厚

我們的模型假定板厚為 63 密耳。令人驚奇的是，走線的溫度在一定程度上取決于電路板的厚度。薄板上的走線比厚板上的走線溫度更高。這是因?yàn)檩^厚的板有更多的材料可供熱量傳導(dǎo)。因此，較厚的板冷卻效率更高。但回報(bào)卻是遞減的。在某些時(shí)候，跡線下方的材料多于跡線可以有效利用的材料。

。我們的基礎(chǔ)溫度為 66.4°C，相當(dāng)于一塊 63 密耳厚的板。如果電路板厚度僅為 32 密耳，則走線溫度將升至 78.9°C。但如果厚度為 126 密耳，則走線溫度將降至 60°C。超過該點(diǎn)的額外厚度對(duì)我們來說并沒有什么好處。

那么，我們走線的溫度是多少?這取決于板的厚度。

熱導(dǎo)率

電路板材料或電介質(zhì)，甚至幾乎所有元件，都具有導(dǎo)熱系數(shù)。這與材料的導(dǎo)熱性能有關(guān)。其單位是W/mK。對(duì)于大多數(shù) PCB 電介質(zhì)，該系數(shù)范圍為約 0.3 至 0.8，對(duì)于銅，該系數(shù)約為 350。但是，出現(xiàn)了具有明顯更高電導(dǎo)率系數(shù)的新型電路板材料。較高的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致較低的跡線溫度。

PCB 材料通常有兩個(gè)這樣的系數(shù)：平行于跡線的“面內(nèi)”系數(shù)和垂直于跡線的“穿過平面”系數(shù)。我們認(rèn)為，由于玻璃纖維的鋪設(shè)方向，板材材料的面內(nèi)系數(shù)通常高于平面系數(shù)。令我們沮喪的是，材料制造商通常不公布這些系數(shù)(盡管這種情況正在改善)，或者以不完整的方式公布。

PCB 走線溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)非常敏感。如果我們稍微降低系數(shù)，跡線溫度就會(huì)顯著升高。在我們的模型中，如果我們將面內(nèi)系數(shù)從 0.7 降低到 0.6，跡線溫度就會(huì)從 66.4°C 增加到 70.7°C。如果我們將平面系數(shù)從 0.5 降低到 0.4，跡線溫度就會(huì)從 66.4°C 增加到 67.2°C。顯然，面內(nèi)系數(shù)是兩者中更重要的一個(gè)。

那么，我們走線的溫度是多少?這取決于板材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

跡線尺寸

當(dāng)我們關(guān)心跡線溫度時(shí)，我們通常處理相對(duì)較寬的跡線。在這種情況下，相對(duì)而言，走線寬度并沒有太大的不確定性。但對(duì)于跡線厚度而言，情況并非如此。跡線厚度相對(duì)較小，并且沿跡線的厚度通?？梢宰兓种畮酌芏Ｒ虼?，跡線溫度沿跡線不均勻。我們不能安全地假設(shè)走線厚度就是名義上指定的厚度。事實(shí)上，頂層的鍍銅在電路板周圍的不同點(diǎn)可能會(huì)存在 0.4 至 0.5 密耳的差異。目前，還沒有實(shí)際的方法可以確定我們的走線的實(shí)際厚度是多少。

走線溫度對(duì)走線厚度非常敏感。例如，如果我們將模型中的走線厚度從 1.3 密耳減少到 1.2 密耳，走線溫度就會(huì)從 66.4°C 增加到 70.8°C，增加 6.6%。

那么，我們走線的溫度是多少?這取決于實(shí)際的走線厚度，不幸的是，這通常是不確定的。

銅

一般來說，我們的電路板上有兩種類型的銅：電鍍(ED，或電鍍)和軋制(拉制)。鍍銅非常接近“純”銅。它的電阻率約為1.64μΩ-cm。壓延銅由銅錠壓延而成，銅錠通常是銅合金或退火銅。其電阻率各不相同，但約為 1.72 μΩ-cm(我們?cè)谀Ｐ椭屑僭O(shè))。當(dāng)然，銅的電阻率與走線的電阻直接相關(guān)，因此與 I 2 R 項(xiàng)相關(guān)。因此，如果我們從壓延銅改為 ED 銅，走線溫度就會(huì)下降。我們模型中的這一變化將跡線溫度從 66.4°C 降低到 63.4°C。

那么，我們走線的溫度是多少?這取決于我們使用的是 ED 還是壓延銅。

飛機(jī)的存在

如今，出于配電原因和信號(hào)完整性原因，我們的大多數(shù)主板都包含平面。平面的存在對(duì)跡線溫度有重大影響。原因是銅板的導(dǎo)熱率比電路板材料高得多 — 350 vs 0.7 W/mK。熱量可以傳導(dǎo)到一個(gè)平面，然后可以非常有效地傳導(dǎo)到整個(gè)平面。

如果我們?cè)谀Ｐ桶宓牧硪粋?cè)放置一個(gè)平面，走線溫度將從 66.4°C 降至 45.2°C。如果我們將平面放置在走線下方 12 密耳處，則走線溫度將降至 38.1°C。

仿真模型的需求

走線的溫度不僅僅取決于走線的I 2 R 功耗。一些更重要的變量包括平面的存在或不存在(及其尺寸)、電路板電介質(zhì)的熱性能、電路板的厚度以及沿跡線長度的跡線的實(shí)際厚度(變化)。

使用圖表和方程確定痕量溫度已不再實(shí)用;我們需要計(jì)算機(jī)模擬模型。我們以前來過這里。在 20 世紀(jì) 90 年代，我們開始擔(dān)心受控阻抗走線。當(dāng)時(shí)，我們可以使用各種標(biāo)準(zhǔn)和出版物中的阻抗方程。如今，這樣的方程還不夠，我們需要場(chǎng)效應(yīng)解。我們?cè)谖⒘繜峥紤]方面處于同一點(diǎn)。