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，因為有相應的冷卻效果可以冷卻走線。這些效應包括通過電介質的傳導、通過空氣的對流以及遠離走線的輻射。

在本文中，我們將幾乎忽略對流和輻射，并將它們視為常數。我們將重點關注導熱的事物。

傳導傳熱的公式如公式 1 所示：

Q/t = kA(ΔT)/d (1)

在哪里：

Q/t = 傳熱速率(瓦或焦耳/秒)

k = 導熱系數 (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，走線和電介質之間

A = 重疊區(qū)域

d = 重疊區(qū)域之間的距離

當加熱速率 (I 2 R) 等于冷卻速率時，就會出現恒定溫度(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。設置為正常實驗室環(huán)境，環(huán)境溫度為20°C。重要參數有：

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) 0.7

Tc(穿過平面) 0.5

電路板厚度 63 mils

假設對流和輻射效應恒定。

時間瞬變

如上所述，熱效應存在于某個時間點。當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。

熱梯度

此外，如上所述，沿跡線的熱效應是沿跡線測量溫度的點的函數。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”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。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。

。我們的基礎溫度為 66.4°C，相當于一塊 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。

熱導率

電路板材料或電介質，甚至幾乎所有元件，都具有導熱系數。這與材料的導熱性能有關。其單位是W/mK。對于大多數 PCB 電介質，該系數范圍為約 0.3 至 0.8，對于銅，該系數約為 350。但是，出現了具有明顯更高電導率系數的新型電路板材料。較高的導熱系數導致較低的跡線溫度。

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

PCB 走線溫度對導熱系數非常敏感。如果我們稍微降低系數，跡線溫度就會顯著升高。在我們的模型中，如果我們將面內系數從 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，面內系數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熱系數。

跡線尺寸

當我們關心跡線溫度時，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)。當然，銅的電阻率與走線的電阻直接相關，因此與 I 2 R 項相關。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。原因是銅板的導熱率比電路板材料高得多 — 350 vs 0.7 W/mK。熱量可以傳導到一個平面，然后可以非常有效地傳導到整個平面。

如果我們在模型板的另一側放置一個平面，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 90 年代，我們開始擔心受控阻抗走線。當時，我們可以使用各種標準和出版物中的阻抗方程。如今，這樣的方程還不夠，我們需要場效應解。我們在微量熱考慮方面處于同一點。