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。這種情況不會發(fā)生，因為有相應(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)、通過空氣的對流以及遠(yuǎn)離走線的輻射。
在本文中，我們將幾乎忽略對流和輻射，并將它們視為常數(shù)。我們將重點關(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，就會出現(xiàn)恒定溫度(公式 1)。
由于 I 2 R 和 Q/t 是點概念，情況變得更加復(fù)雜。也就是說，它們隨時間上的 (a) 點以及軌跡上的 (b) 點而變化。它們可能會隨時間點而變化，因為其中幾個變量(例如電流和 ΔT)可能會隨時間變化。它們可以沿著跡線變化，因為幾個變量(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)置為正常實驗室環(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)對流和輻射效應(yīng)恒定。
時間瞬變
如上所述，熱效應(yīng)存在于某個時間點。當(dāng)電流首次施加到跡線時，跡線需要一些時間才能達到熱平衡。時間范圍通常為 5 至 10 分鐘左右。那么，我們走線的溫度是多少?它是我們測量它的時間的函數(shù)。
熱梯度
此外，如上所述，沿跡線的熱效應(yīng)是沿跡線測量溫度的點的函數(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?這取決于我們在哪里測量。
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。這是因為較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。但回報卻是遞減的。在某些時候，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。超過該點的額外厚度對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。對于大多數(shù) PCB 電介質(zhì)，該系數(shù)范圍為約 0.3 至 0.8，對于銅，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。
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，我們通常處理相對較寬的跡線。在這種情況下，相對而言，走線寬度并沒有太大的不確定性。但對于跡線厚度而言，情況并非如此。跡線厚度相對較小，并且沿跡線的厚度通常可以變化十分之幾密耳。因此，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。事實上，頂層的鍍銅在電路板周圍的不同點可能會存在 0.4 至 0.5 密耳的差異。目前，還沒有實際的方法可以確定我們的走線的實際厚度是多少。
走線溫度對走線厚度非常敏感。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(我們在模型中假設(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 項相關(guān)。因此，如果我們從壓延銅改為 ED 銅，走線溫度就會下降。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。
飛機的存在
如今，出于配電原因和信號完整性原因，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)到一個平面，然后可以非常有效地傳導(dǎo)到整個平面。
如果我們在模型板的另一側(cè)放置一個平面，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際厚度(變化)。
使用圖表和方程確定痕量溫度已不再實用;我們需要計算機模擬模型。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，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，我們需要場效應(yīng)解。我們在微量熱考慮方面處于同一點。
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