过孔比我们想象的要酷
多年来，很少有人写过电线槽的载流能力。我相信，这是因为没有实际的方法来测量或预测一个通道的温度。我们盲目地假设是通过通孔的电流决定通孔温度，并据此接近电路板设计。棋盘设计师通常使用以下三种策略之一来解决通道大小问题:
- 简单地说，不要让过孔携带更高水平的电流。将所有导线布线在单一走线层上。
- 使用IPC 2152(注1)指南调整通孔的尺寸以处理电流。
- 使用已知能够承载一定电流的“标准”过孔，并并联使用多个过孔，尽可能多地满足走线所承载的总电流。
IPC 2152明确认可第26页的2和/或3:
通孔的横截面积应至少与导体的横截面积相同或大于进入通孔的导体的横截面积。如果过孔的横截面积小于导体，则可以使用多个过孔来保持与导体相同的横截面积。
考虑图1所示的热模型(注2和3)。它显示了一对76毫米(3.0英寸)长，0.69毫米(27毫米)宽，1.5盎司的痕迹(1.0盎司电镀在0.5盎司的轧制铜痕迹)在板的两侧由0.26毫米(10毫米)直径连接，0.03毫米(约。1.0盎司)镀通过。通孔的导电截面积与迹线大致相同。板比迹线宽几毫米。走线层之间的介电层为1.6 mm (63 mil) FR4。热电偶模型(图1中的TC)放置在顶部轨迹的中点附近。稍后将描述这样做的目的。
图1
带通孔的示踪热模型。(非按比例)
如果我们暂时假设走线是连续的，没有过孔，并且我们对走线施加4.75安培的电流，基于TRM的模拟结果显示，最大走线温度(不是温度变化)约为72.8摄氏度。如果我们用过孔对电路板进行建模，热电偶的模拟温度仍然是72.8摄氏度，而过孔的温度是70.1摄氏度(注4和5)。
所以，现在，这里有三个问题供你思考:
1.为什么通孔温度低于走线温度?
2.如果我们对带通孔的模型施加6.65安培，则在热电偶TC处测量的迹温将约为114.2℃。通孔中点的温度将是多少?它是高于、等于还是低于TC的114.2摄氏度?
3.如果我们在不改变通孔的情况下将走线加宽至5.0 mm (200 mil)，并施加更大的电流，例如8.55安培，TRM模拟表明TC处的温度将为44.8℃。(注意，8.55安培可以在不到1.0秒的时间内融化27毫米宽的痕迹!)
在这里建模的情况下，当走线和通孔的载流横截面积大致相同时，通孔温度将为不到痕迹温度!原因可以追溯到IPC 2152报告的一个令人惊讶的结果。内部轨迹是冷却器而不是等效的外部走线。这是因为板材材料的导热性优于空气的导热性(对流)。所以孔道比径道冷却得更有效，而且温度更低。该模拟的热剖面如图2所示。最大走线温度大约是焊盘和通孔之间的一半(在热电偶TC处)。
图2
在4.75安培时模拟顶部走线层的热分布。
如果我们将电流增加到6.65安培(并且走线温度增加到114.2℃)，则通孔温度仍然低于走线温度。仿真结果表明，通孔温度为108.2℃总是低于载流截面积相等的示踪温度。
那么，如果我们增加走线宽度和电流，让过孔保持不变，会发生什么呢?增加的电流使通孔温度升高。但事实证明，通孔温度不会比迹线温度高多少，不管那是多少。原因是与走线宽度相比，通孔长度非常短，并且走线成为通孔的强散热器。因此，在该模型中，迹线温度为44.8℃，而通孔温度约为48.1℃，比迹线温度高约3.3℃。这比走线温度热，但不是很多，特别是考虑到8.55安培会熔化与通孔大小相同的走线。
结论
综上所述，不可避免的结论是，传统智慧是错误的!电流不决定通孔的温度，相关的走线决定。只要走线的尺寸适合处理电流，即使是一个单一的普通通孔也足以在走线层之间转换。原因是铜在通孔和迹线之间的导热性为通孔提供了一个重要而有效的散热片。通孔的温度不能比迹线高很多。
这并不意味着我们在设计过孔时不应该保守。然而，它确实表明，过孔不需要像我们想象的那么大，也不需要有那么多过孔。
实证验证
如果曾经有一个结论大声呼喊“给我!”就是这样!约翰内斯和我知道我们需要建立一个真实的测试板来证实这些结果。Prototron Circuits (WA和AZ)慷慨地提供了一些测试板(图3)(注6)。
测试板的相关部分如图3所示。该板约60密耳厚FR4。该板含有0.5盎司的铜，名义上镀有1.0盎司的额外铜。比较了两条痕迹，一条名义上宽27密耳，另一条宽200密耳。每条轨迹长度为6.0英寸，一半在顶层，一半在底层。有一个单独的10毫米直径镀通过连接顶部到底部。经镀至1.0盎司的10密耳直径与27密耳迹的导电截面积大致相同。重要的是要注意，通孔结构在每个迹线是相同的。在静止的空气中，木板由四个角上的螺丝支撑在胶合板表面上方2.5英寸的地方。测试后对板子进行了显微切片，以测量模拟的实际尺寸。
图3
通孔测试板的相关部分
我们在两个不同的电流下模拟了两条走线，并记录了表1中的温度结果。然后，我们将相同的电流应用于走线并使用精密热电偶测量温度。实际温度记录在表2中。
通孔温度模拟结果 |
||||
迹宽(密) |
电流(A) |
追踪温度 |
Via Temp. oC |
通过T/Trace 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 |
表1
仿真结果。
通过测试的测量结果 |
||||
迹宽(密) |
电流(A) |
追踪温度 |
Via Temp. oC |
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 |
表2
测量的测试结果。
这里有两点特别重要的观察:
1.首先，6.6安培电流通过27mil宽的走线导致通孔温度为109oC while a更高的在较大的(200密耳宽)走线中，8.6安培的电流会导致a多通过温度降低只有44.5度oC.这证实了它是跟踪这就是控制通道温度。
2.测量数据(表2)与模拟数据(表1)非常接近。这使我们相信模拟方法是预测复杂情况下温度的可行方法。
笔记
1.IPC 2152，《印制板设计中载流能力的测定标准》，2009年8月，IPC, IPC.org
2.这里报告的结果来自布鲁克斯，道格拉斯G.和亚当，约翰内斯，“PCB轨迹和通过电流和温度:完整分析，第二版，”2017年，在亚马逊网站上可获得。
3.本文中的所有热模型及其解决方案都将基于模拟工具TRM(热风险管理)。TRM是由亚当研究公司(www.adam-research.com）.TRM最初的设想和设计是为了分析电路板上的温度，考虑到可选焦耳加热的完整走线布局以及各种组件及其自身对热量产生的贡献。了解更多关于TRM的信息http://www.adam-research.com．
4.热电偶处的温度近似于迹线的温度，无论是否有通孔存在。
5.此温度高于从IPC表中读取的温度，因为在此模拟中(1)迹线较短，(2)板较小，以及(3)板材料与IPC分析中使用的材料不同。由于计算原因，通孔模型需要比IPC板小。参见上面注释2第7.2节，第82页。
6.上面的仿真模型显然是基于此通过测试板。早期的研究让约翰内斯和我意识到，我们需要现实世界的董事会来证实早期的结果。
