PCB銅箔厚度、線寬與最大負載電流間的關係

(下面的內容是個人參考及收集網路上的資料並加入自己的意見整理而成,內容可能不是百分百正確,請參考就好)

PCB的電流負載能力原則上取決於佈線(trace)的銅泊斷面的截面積與溫升,但截面積又與線路的寬度及厚度正相關,只是電流負載能力是否跟銅線截面積成正比可能就不一定了?

假設在同樣10°C溫升的條件下,一條10mils線寬的1oz走線(trace)可以承受1Amp的電流,我們應該可以很肯定50mils線寬的走線可以承受比1Amp更大的電流,但會是倍數關係的5Amps嗎?答案似乎是否定的。這裡先參考MIL-STD-275表格,其可承受的最大電流其實只有2.6Amps而已喔。

數據來源:MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment,線寬單位:Inch
(數據來源:MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment,線寬單位:Inch)







不過上述的表格已經是好幾年以前的過時資料了,現在比較新的資料應該已經由【IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design】的圖表所取代,不過在瞭解銅箔的電流負載能力以前,這裡還有一個關鍵因子【銅箔的厚度(盎司,oz)】需要先來探討一下,到底銅箔的厚度是怎麼計算的?

銅箔的厚度 – 盎司(ounce, oz)

一般業界慣用的銅箔厚度為《盎司(oz)》,可是《盎司》明明就是重量,怎麼又變成厚度了?這是因為在銅皮的術語中,《盎司》被轉換成了厚度的單位了,越聽越糊塗了?這是因為銅皮的規格是以每平方英呎(ft2)有幾盎司(oz)來定義的,所以我們經常說的 1oz(盎司)就是在每平方英呎(ft2)上有1oz的重量,銅皮越厚就會越重,因為銅皮的重量跟厚度成正比,所以銅皮的盎司可以等同於厚度,並可以被轉化為毫米(mm)或是毫英吋(mils)。這個其實跟我們在算紙張的時候用磅來計算有點類似,有興趣的自己去查看看吧!

這裡列出幾個大家比較常用到的尺寸,並換算成mils(毫吋)與mm(毫米)供大家參考:

  • 0.5 盎司(oz) = 0.0007 英吋(inch) = 0.7 mils = 0.018 毫米(mm)
  • 1.0 盎司(oz) = 0.0014 英吋(inch) = 1.4 mils = 0.035 毫米(mm)
  • 2.0 盎司(oz) = 0.0034 英吋(inch) = 2.8 mils = 0.070 毫米(mm)
    下面也試著為各位計算為何1oz的 銅箔約等於1.4mils:

銅的比重為8.9(gm/cm3),

單位換算:1(ft2)=93055 (mm2),1(mil)=2.54(um),1(oz)=28.34(gm)

1oz體積 = 28.34(gm) / 8.9(gm/cm3) = 3.1842(cm3) = 3184.2(mm3)

1oz厚度 = 3184.2(mm3) / 93055(mm2) = 0.03422(mm) = 1.35 (mils)

註:銅箔的密度會因為使用不同的銅而有不同的密度,所以計算上可能會有些小誤差。

PCB銅箔截面積與最大負載電流及溫升間的關係

依照 IPC-2221 第6.2節(Conductive Material Requirements)的說明,電路板上的最大電流載流能力(Current Carrying Capacity)又可以被分成內層線路與外層線路兩種,而且內層線路的最大電流載流能力被設定為只有外層線路的一半。這裡節錄 IPC-2221 的圖表6-4以說明外層線路(External conductors)與內層線路(Internal Conductors)的銅箔截面積、溫升、與最大電流載流能力的關係。

另外,有人很聰明的將上述圖表PCB線路對電流的承載能力的關係歸納出了一個公式,這個公式可以大致上用來取代查表所得:

I = K△T0.44A0.75

  • K:為修正係數,一般覆銅線在內層時取0.024,在外層時取0.048。
  • △T:為最大溫差,表示銅箔通電後發熱高出週遭環境的溫度,單位為攝氏度(°C)
    (有網友質疑這個△T溫差解釋可能有問題,目前正在研究澄清中,如果有經驗的朋友也請不吝釋教。現在已經有作過修改,如果還是有不妥的地方還請指正。)
  • A:為覆銅線路的截面積,單位為平方毫英吋(mil2)
  • I:為最大電流載流能力(Current Carrying Capacity),單位為安培(Amp)
  • 1(mil) = 25.4(um)

IPC-2111圖表6.4, Figure A External Conductors銅箔截面積、溫度、與最大電流載流能力的關係。 
▲IPC-2111圖表6.4, External Conductors銅箔截面積、溫度與最大載流能力的關係。

IPC-2111圖表6.4, Figure C Internal Conductors銅箔截面積、溫度、與最大電流載流能力的關係。
▲IPC-2111圖表6.4, Internal Conductors銅箔截面積、溫度與最大載流能力的關係。

使用網路查詢《最大負載電流》

拜電腦網路發達之賜,現在網路上有著許多的網站提供上述的計算式,只要在網站上填入需易的電流、銅箔重量,就可以求出想要的銅箔走線的內層及外層線路寬度了。這裡有兩個網站可以試看看:


雖然說現在已經有公式可以直接計算銅箔的最大電流負載能力,但在實際設計線路時可不會只有這麼單純。因為Trace的電流負載能力不只與銅箔截面積及溫度有關,其他如線路上元器件的多寡、焊盤以及通孔(vias)都有直接的關係。

在焊墊(盤)較多的線段,在過爐後有吃錫的那段線路,其電流承載能力就會大大的增加,相信很多人應該都有看過一些大電流板中焊墊與焊墊之間某段線路被燒燬的情形,道理很簡單,這是因為焊盤上多了焊錫的原故,也就是增加了線路上可以承受電流的面積,而焊墊與焊墊之間的線路並沒有任何的改變,因此在電源剛啟動,或是電路上執行指令變換時,就很有機會造成電流瞬間波浪(Surge)過大,這時候就很容易燒斷焊墊與焊墊之間電流承載能力較弱的線路。

解決的方法,可以增加導線的寬度,如果板子不能允許增加導線的寬度,也可以考慮在容易燒毀的線路上打開防焊綠油(solder mask),並利用SMT的製程加印錫膏(solder paste),經過reflow以後就可以增加導線的厚度,也就增加了電流承載的能力。

這樣囉哩叭唆的說了一堆,最主要強調PCB的線路對電流的承載能力雖然已經由查表或是公式計算而得,可是這些資料計算的都只是一些直線的線路,可是在PCB實際生產製造時還必須要考慮到線路可能會受到灰塵或是雜物的汙染,致造成可能的局部線路破損,所以不論我們使用何種方式來求得可承載的最大電流與線路線寬,應該都還要在加上個安全係數來預防可能的過載問題。 要在加上個安全係數來預防可能的過載問題。 要在加上個安全係數來預防可能的過載問題。

要在加上個安全係數來預防可能的過載問題。 要在加上個安全係數來預防可能的過載問題。 另外,有些線路在轉彎的地方也要特別注意,如果線路上有銳角出現就有機會造成電流傳遞不順暢的問題,這對於小電流或大線寬的線路可能沒有什麼問題,但如果的線路的電流負載容許值不足時就容易出問題。這就像大車過彎時需要比較大的回轉半徑一般,太過直角的彎道可是會讓車子衝出跑道的。


延伸閱讀:
軟性電路板(FPCB)線路設計注意事項 I
軟性電路板(FPCB)線路設計注意事項 II
PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔




訪客留言內容(Comments)

謝謝,很詳細,不過有一個地方有誤,1mil不是2.54um
,是25.4um才對

Justin;
謝謝提醒,已經改過來了。

很專業詳細的文章

很专业的文章,学习了。正好在找这个数据。
请问博主,我可以翻译成英文的转载到我的博客上吗?(会著名中文出处)

Jaden;
OK and please let me know your article location once you issued. By the way, I think you can find more related articles on the web by English version.

感謝你寫這篇文章,幫了我一個大忙!!

Hello 狂人大,
我有一個問題想要詢問, 我司一般製作PCB板時, 通常都會要求成品的銅厚必須大於1盎司, 也就是35um; 然而成品銅厚大於1盎司, 其實還有分成兩種情況, 第一種是投料的基板銅厚是0.5盎司, 然後利用一銅與二銅的製程, 將成品的銅厚電鍍到超過1盎司; 第二種情況則是投料的基板銅厚就是1盎司, 然而因為過程中受到蝕刻, 最後再將受蝕刻的部分, 利用電鍍補足!
我想詢問一般對板廠制定規範時, 會特別去要求廠商必須利用多少銅厚的基材投料嗎? 還是僅需要求成品的銅厚呢? 因為電鍍起來的銅厚, 比較容易會有不平整的情況發生!

文揚;
這一方便我們目前沒有管控也比較不熟悉。
就我的理解銅箔不平整似乎只會影響到高頻,但真的有多大影響不得而知,另外玻纖布的密合度也會影響。

狂人您好:
請問計算電流的公式裡有分Internal Traces & External Traces
雙面板跟單面板的話是要看Internal Traces OR External Traces
呢?
謝謝哦
無意間逛到您這,在這獲得蠻多有關於工作上的知識
真是感謝您了

JJ;
就是分內層線路(internal traces)與外層線路(External traces),四層版,第一、四層為外層,第二、三為外層。為何內、外層不一樣,下面這段英文可以參考一下。
In air, the external layers have better heat transfer due to convection. A good heat insulator blankets the internal layers, so they get hotter for a given width and current. Since the Trace Width Calculator tries to control the temperature rise of the traces, it makes the internal traces wider. In vacuum, or in a potted assembly, you should use the internal layer guidelines even for the external layers.

2.0 盎司(oz) = 0.0028 英吋還是0.0034 英吋 ?

K;
2.0 盎司(oz) = 0.0028 英吋。已訂正!

工作熊您好.
請問PCB的電流負載能力為什麼升溫越高能力會越大?

Alex,
如果我的認知沒有錯的話,應該是跟導電率有關係。

投料時用0.5 oz或是 1.0 oz ,取決於當時layout時的內容條件!
最小(線寬/線距)(5/5 mil)以下大都多發料0.5oz去製作!
這方面很多layout工程師並不了解,5/5以下用1盎司去製作,再蝕刻後很容易造成蝕刻線路短路,所以重點還是在線寬/線距,能線距能寬一點就寬一點吧!


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