PCB走线和过孔通流能力标准、影响因素及其计算软件

前言

在画PCB的时候，我一直对应该用多宽的导线多大的过孔有困惑，线太宽/孔太大难以布线，线太细/孔太小又怕发热影响电路功能。走线/过孔的通流能力和温升到底和哪些因素有关，有没有一些公式或者图表可以在我们选择线宽和过孔时提供指导？本文将研究与PCB走线/过孔的通流能力以及温升的相关影响因素，以及如何选取合适的线宽和过孔大小。

一. 导体与电阻的基本概念

参考：电阻（导体对电流阻碍作用的大小）_百度百科 (baidu.com)

导体对电流的阻碍作用称为该导体的电阻，通常用大写字母R表示。导体的电阻是一个表征导体导电性能的物理量，它和导体的材料、形状、体积已经周围环境等因素有关。

对于由某种材料制成的柱形均匀导体，其电阻的计算公式为：

其中p为电阻率，由导体的材料和周围温度所决定，单位是欧姆·米(Ω·m)。

常温下一般金属的电阻率与温度的关系为：

其中，ρ~0~为金属在0℃时的电阻率，α为该金属的温度系统，t为摄氏温度。

导体电阻的影响因素：

1. 长度：当材料和横截面积相同时，导体电阻与长度成正比
2. 横截面积：当材料与长度相同时，导体电阻与横截面积成反比
3. 材料：当长度与横截面积相同时，不同材料的导体电阻不同
4. 温度：对大多数金属来说，温度越高，电阻越大，如金属；对于少数导体来说，温度越高，电阻越小，如碳。

电阻是导体自身的一种属性，与导体中有无电流、电流的大小等因素无关。

显然，导体电阻影响着导体的发热，所以导体电阻与导体通流能力有着直接关系，这也意味着所有影响导体电阻的物理量也同样影响导体通流能力。

二. PCB导体通流能力标准的演进史

最早的关于PCB导体通流能力的标准是1984年美国军方发布的《MIL-STD-275E-Y1984，PRINTED WIRING FOR ELECTRONIC EQUIPMENT》（美国军用标准275E，电子设备印制布线），其中，MIL STD是Military Standard（军用标准）的缩写。该标准的第38页图4a给出了PCB外层导体的横截面积、流过电流与温升的关系。如下图所示。

图中使用的是英制单位，很不习惯，我们取1个点用国际单位验证一下。相关单位转换关系如下：

已知：横截面积 = 导体宽度 × 导体厚度。

点1，导体宽度 0.250 Inch = 250mil = 6.35 mm，导体厚度1oz对应1.378mil = 0.035mm，横截面积 = 250mil * 1.378mil = 344.5mil^2^

= 6.35 mm * 0.035 mm = 0.222mm^2^，显然与表格的横坐标数值能够对应上。

点2，读者可自行验证。

MIL-STD-275E标准还给出了内层导体的横截面积、电流与温升的关系图（图4b，如下图（仅上半部分），但显然，4b就是将4a的通流能力降低了一半，因为研究人员当时仅通过实验测量了表层导体的相关数据，内层没有测量，而研究人员想当然的认为内层的散热比表层差一倍，所以就给出了图4b，这直到20多年后被证实是错误的，但它没有造成什么严重后果，因为它的数据是相当保守的，它只会造成PCB线宽的浪费而不会引起问题。

这两张图后续先后被《IPC-D-275-Y1991，Design Standard for Rigid Printed Boards and Rigid Printed Board Assemblies》（Institute Of Printed Circuits(印制电路协会)，D表示Design(设计)，刚性印制板和刚性印制板组件的设计标准），以及《IPC-2221-Y1998，Generic Standard on Printed Board Design》（印制板设计通用标准）采用。

上述三个标准对PCB通流能力的研究都是不充分的，为此IPC赞助了一项关于PCB导体电路和温度的彻底的研究，这项研究的成果最后在2009年作为《IPC-2152-Y2009，Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design》（确定印制板设计中通流能力的标准）标准发布。这些研究是基于实验的，所以有着较高的可信度。该标准对内层导体也进行的深入研究，其中比较反直觉的是，内层导体和外层导体散热没什么差距，甚至更好，因为板上的材料比空气导热性能更好。这也证明了之前将内层导体通流能力减半的假设是完全错误的。

还需要额外说明的一点是IPC-2221-Y1998是最早普遍使用的PCB设计标准，这时此标准的PCB通流部分引用的是上面两张图。之后此标准的修订版IPC-2221A-Y2003对走线和过孔的通流能力有一些简单的说明，引用的是还未定稿的IPC-2152中的一些数据。后续IPC-2221B-Y2013标准发布，用来代替2221A，在走线和过孔的通流能力部分引用了IPC-2152-Y2009标准，所以我们只需研究IPC-2152-Y2009标准即可，它是最权威的。

本节参考资料：

1. 《PCB Design Guide to Via and Trace Currents and Temperatures》，Douglas Brooks with Johannes Adam，23~28页
2. 《MIL-STD-275E-Y1984，PRINTED WIRING FOR ELECTRONIC EQUIPMENT》
3. 《IPC-D-275-Y1991，Design Standard for Rigid Printed Boards and Rigid Printed Board Assemblies》
4. 《IPC-2221-Y1998/Y2003/Y2013，Generic Standard on Printed Board Design》
5. 《IPC-2152-Y2009，Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design》

三. IPC-2152-Y2009简单解读

3.1 能应对所有情况的导体横截面积、电流与温升关系图

IPC-2152标准的精华就是下图，它能应对所有情况，它考虑到了内部和外部导体、PCB材料、板的厚度以及空气或真空等环境条件，意思是这张图是非常保守的，实际情况下温升会更低，所以参照此图设计不是成本、面积等方面最优的，但一定能满足电流和温升要求。

温升指的是相对环境温度的升高，假如环境温度25℃，温升10℃，那么导体的温度就是35℃。

此标准还给出了静止空气环境下以及真空环境下的PCB通流能力的图，因篇幅关系，这里不一一列出，总结来说就是真空环境下导体通流能力相比静止空气仅下降了一点点，同横截面积同温升的条件下，可通过电流为静止空气条件下的80%~90%。

在此的附录中，标准对不同的板材，有无散热面，不同厚度的导体以及过孔的通流能力等各种情况分别进行了说明。本文不会对这些内容详细分析，仅做简单介绍。

此图的横坐标比较奇怪，它不是对数坐标也不是线性坐标，我暂时不知道如何对图中曲线进行曲线拟合，再推断出表达式，只能根据不同的横坐标去图中读点。

3.2 孔温升

如果导体连接到通孔并且通孔连接到平面，则平面会将热量从通孔传导出去，这时通孔的温度会比导体温度低。一般情况下可以认为同横截面积的孔和导体的通流能力是一致的，所以在设计PCB时，孔的横截面积应至少与导体的横截面积相同或大于进入其中的导体。如果孔的横截面积小于导体，则可以使用多个孔来保持与导体相同的横截面积。孔横截面积可根据孔直径和镀层厚度计算。下图显示了孔的横截面积计算公式。

其中，D为空外径，d为孔内径，(D-d)/2为孔壁厚度，一般也称为过孔铜厚。

过孔铜厚并不是确定的，每个PCB厂家的铜厚都可能不同，据我了解，JLC保证铜厚>18um。不清楚制作PCB时是否支持指定过孔铜厚，没这么操作过，如果过孔要过较大电流，更好的办法可能是多打几个过孔。

此标准中假定的过孔铜厚为 0.0178 毫米 [0.0007 英寸] 。以铜厚18um代入过孔横截面积计算公式有如下关系：

对于1oz，0.2mm的导体，横截面积 = 0.035 * 0.2 = 0.007mm²，相同横截面积的过孔，内径d = (0.007-0.0005)/0.02826 = 0.106mm。

整理同横截面积的导体和过孔相关尺寸如下：

说明以下，表格中的电流是根据上一节中的横截面积与电流关系图进行读点得到，读点是人眼估读，会有一些误差。

总结上图，发现可以用一个简单的公式来评估过孔内径：

此结论与后续软件计算的结论不符，但仍有参考价值，建议仅在大致估算时使用此式，在设计PCB时，过孔大小的选取以软件计算为准。

另外，微孔与通孔的横截面积计算方式相同，微孔电流引起的温升也与通孔相同。

3.3 PCB板厚

PCB板厚对导体发热有直接影响，PCB板厚会影响导体热量的传热路径，板越厚散热越好，也就是说板越厚导体温升越低。

与1.79mm厚PCB温度相比，0.965mm厚 FR‑4 PCB 导体温度高出30‑40%。

3.4 导体铜厚

在相同横截面积的条件下，导体的铜厚对温升仍然有影响，薄而宽的导体散热性能更好温升更低。相同横截面积下具体的铜厚和温升的关系如下：

1. 0.5oz和1oz的温升是差不多的

2. 2oz温升相比1oz升高了10~15%

3. 3oz温升相比1oz升高了15~20%

3.5 板材

PCB板材的导热率直接影响导体的温升，导热率越大导体温升越低。

另外，铜的导热率几乎是PCB板材介质的1000倍，而PCB板材导热率又是静止空气导热率的10倍，所以在静止空气条件下，内部导体的温升会小于外部导体。

3.6 铜平面

对于给定的电流水平和导体尺寸，对导体温升影响最大的因素是铜层的影响。无论是电源、接地还是简单的热平面，平面的铜材料有助于传播热量并降低原本会成为热点的温升。

铜平面对导体温升的影响有如下特征：

1. 在影响导体温升的所有变量中，单个铜平面的影响最为显著
2. 导体到铜平面的距离越近，导体的温升越低
3. 内部铜平面面积越大，导体温升越低
4. 铜平面厚度越大，导体温升越低
5. 铜平面的数量越多，导体温升越低

3.7 导体与过孔通流能力总结

结论：

1. 同横截面积的导体通流能力与过孔相同
2. 板越厚导体通流能力大
3. 同截面积下，导体越薄，通流能力越大
4. 板材导热越好，导体通流能力越大
5. 铜平面越近，面积越大，厚度越厚，数量越多，则导体通流能力越大

四. 借助专业的软件工具估算导体通流能力

免费软件PCB Toolkit可以计算走线和过孔的通流能力，我使用的是V8.02。

4.1 计算导体通流能力

其中，基础铜厚就是我们平常理解的导体铜厚，而电镀铜厚是在基础铜厚的上面再电镀一层铜，电镀铜可以增强导体的通流能力，但只有外层导体可以使用此工艺。所以，外层导体总铜厚 = 基础铜厚 + 电镀铜厚；内层导体总铜厚 = 基础铜厚。

一般来说，在未要求板厂额外在外层电镀铜时，电镀铜厚为0，对应软件里设置为Bare PCB即裸板。此时在Conductor Layer选项中选外层/内层，导体电流不会变化，这也验证了本博文前面的说法——同截面积的内外层导体通流能力相同。

软件还有一个Etch Factor的条件，翻译为蚀刻因子，这是PCB制作工艺中的一个术语。在制作PCB导体时，是一块铜被溶液腐蚀，溶液总是从铜外层向内层腐蚀，这导致外层被腐蚀的多，内层被腐蚀的少，也就造成了导体截面其实不是一个标准的长方形，而是一个类似梯形的形状，上窄下宽。此处蚀刻因子 = 上边 / （下边 – 上边）= 1:1。软件可设置不考虑蚀刻因子，此时导体截面是个长方形。经过尝试，蚀刻因子这个参数对导体电流的影响十分微小，我们可以不考虑它。

另外，软件表明了计算依据是IPC-2152（更新版）。

其它参数介绍：

Parallel Conductors：平行导体，指的是导体周围有几个平行的导体，平行导体数越多，单个导体的通流能力越小。这很容易理解，多个发热导体挤在一起了，散热自然比不上单个导体。

Plane Present：散热平面，指的是导体下发是否有铜平面，前面也分析过，铜平面可显著增加导体通流能力。

PCB Thickness：板厚，经尝试，板厚设置越大，导体通流能力越大，与前面的分析一致。

4.2 计算过孔通流能力

参数介绍：

Via Hole Diameter：过孔直径，也称孔内径

Internal Pad Diameter：焊环直径，此参数与孔通流能力无关。

Ref Plane Opening Diam：铜平面避让直径，此参数与孔通流能力无关

Via Plating Thickness：孔电镀厚度，孔外径 = 孔内径 + 孔电镀厚度 × 2。

Layer Set：层设置，设置为2 Layer时更便于计算孔的通流能力，如下图。

一个发现：1.6mm板厚下，18um厚度，0.2mm直径的过孔通流能力为1.0342A，而同板厚下，0.2mm宽度35um厚度的导体通流能力为0.6662。所以，前面分析的相同横截面积孔和导体的通流能力相同的结论其实是不严谨的，实际情况是孔的通流能力大于导体。推测可能的原因是孔的散热条件比导体要好。

实际PCB设计时，可使用此软件计算孔的通流能力，据此选择合适的孔大小以保证孔不会降低整个路径的通流能力。

五. 计算软件与参考标准分享

IPC-2152-Y2009_PCB载流标准_中文.pdf。

IPC-2152-Y2009 PCB载流标准_英文原版.PDF。

PCB参数计算神器-Saturn PCB Design Toolkit。

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