如何计算 PCB 中的铜厚度：完整指南
如何计算 PCB 中的铜厚度：完整指南
在PCB设计中，铜厚度是一个关键参数，它直接影响电路板的电气和热性能。本文将详细介绍如何计算PCB中的铜厚度，并探讨其对载流能力、热管理、机械强度和信号完整性等方面的影响。
在PCB中，铜厚度是衡量已涂覆在基板上的铜层密度的指标，该铜层用于提供成品PCB电路分配电力的路径（走线）。它是设计PCB因为它会影响电路板的电气和热特性。
标准PCB铜厚度以PCB行业常用的盎司每平方英尺(oz/ft²)为单位计算，但也可以用微米(µm)或密耳(thou)为单位进行测量。以下是这些转换的快速参考：
1 盎司/平方英尺 = 34.79 微米 ≈ 1.4 密耳
例如：常见的FR4是1盎司，确切地说厚度约为35微英寸。
因此，我们需要确定合适的PCB铜厚度，因为PCB板铜厚度影响几个关键方面：
- 载流能力：可以观察到，与典型的PCB铜厚度相比，较厚的铜可以处理更多的电流，且不会太热。
- 热管理：更多的铜层增强了散热性，从而减少了热量对组件的影响。
- 机械强度：使用更厚的铜会产生更好的机械强度，这意味着与典型的PCB铜厚度相比，铜线在设备制造或操作过程中不易损坏。
- 信号完整性：高频电路的PCB铜厚度会影响传输特性的信号损失以及阻抗。
以下因素将决定适当的PCB铜厚度
载流能力
定义PCB板铜厚度的第一个基本标准是某条走线要承受的电流。要根据载流能力计算PCB铜厚度，通常遵循以下步骤：
确定PCB中所需的铜量（使用最大走线宽度）
首先，您必须了解PCB上每条走线能够处理的最大电流；如果您的PCB将有多条载流走线，这一点尤其重要。此信息通常来自为PCB布线建立的不同电路以及电路中使用的部件。使用IPC-2221标准
类比IPC-2221标准，可以根据PCB应处理的电流密度找出正确的走线宽度和标准PCB铜厚度。其中包含几个PCB铜厚度图表和详细公式，给出了温度、电流和PCB板铜厚度增加之间的关系。IPC-2221中用于内部（内层）走线的常用公式是：
I=k×(T^r)x0×(W×t)x44
地点：
I = 电流，单位为安培（A）
T^r = 热升（单位：°C），即环境温度的升高。包括附录：温度测量。
W = 走线和间距的宽度，以千分之一英寸或密耳为单位 - 1 密耳 = 0 英寸
t = 铜厚度，单位为oz/ft²（盎司/平方英尺）
k = 常数项（对于内层为0.024，对于外层为0.048）。
- 了解PCB铜厚度
重新整理上述公式，求解PCB板铜厚度：
t=(k×(Tr)0.44×W0.725I)1/0.725
它将为您提供所需的PCB铜厚度（以盎司每平方英尺为单位）。
走线宽度考虑因素
载流能力是最重要的因素之一，但在确定必要的PCB铜厚度时，还必须考虑走线宽度。使用相同铜厚度的PCB材料，可以用更宽的走线传输更多的电流。如果蚀刻铜走线受到整个PCB尺寸或特定区域的限制，则可能需要加厚铜以承载电流。
热管理
PCB铜厚度在大多数情况下不是问题，除非应用大量涉及散热器，例如电力电子或高功率LED应用。制造PCB时使用的铜厚度不同，因为PCB板铜厚度控制PCB中各层的热阻，因为它会影响组件的温度。
- 计算散热量
功率损耗将以热耗散的形式一起确定，因为位于不同PCB上的每个组件都会产生必须释放的总热量。这可以使用以下平均功率损耗公式来确定：
Pavg= Vrms x Irms
地点：
Pavg = 以热量耗散形式损失的平均功率
Vrms = 元件两端电压的有效值
Irms= 组件接收或提供的电流的有效值
- 确定热阻
至于热阻，其值与PCB上的铜层厚度成正比，与铜线成反比，并入PCB铜厚度中。因此，通过应用热阻模型或任何热阻工具，可以确定在最高工作温度下可能施加在PCB上的PCB板铜厚度类型。
信号完整性考虑因素
高速数字和射频电路要求信号具有高完整性。在我们必须创建受控阻抗走线的应用中，可能需要一定的PCB铜厚度以进行阻抗调整。
高级计算和注意事项
差分对路由
对于通过电路板中的差分走线传输的两个或多个信号，必须保持恒定的阻抗，尤其是对于差分对。铜厚度与阻抗的大小有直接关系。我们可以使用PCB铜厚度表中的数据进行相关操作。还可以使用阻抗计算器等工具针对这些走线优化PCB板铜厚度，也可以手动计算：
Z0=ϵr+1.4187ln(0.8×w+t5.98×h)
Zd=ϵr+1.41174ln(0.8×w+t5.98×h)(1−0.48exp(−0.96hd))
哪里，
Z0 = 单端阻抗
Zd = 差分阻抗
d = 迹线分离
w = 走线宽度
t = 走线厚度
h = 介电厚度
εr = 相对介电常数
PCB叠层设计
PCB各层铜厚度多层PCB各层之间的铜含量也可能不同。内层可能含有较少的铜。外层可能含有较多的铜，以应对更高的电流。因此，必须仔细计算每一层的铜含量。
常见的PCB铜厚度及其用途
铜箔-1 盎司/平方英尺 (35µm)
每平方英尺的层压基板需要4毫米的铜箔。
应用：用于消费电子PCB、低功耗数字电路PCB和通用模拟PCB。
优点：它有助于维持相等的载流能力和相对价格。它在许多应用中被广泛使用。
铜箔 – 2 盎司/平方英尺 (70 微米或 2)
应用：额定功率范围从20V至100V，主要用于电源工程、电机控制、大功率LED驱动器等。
优点：可承载比同等面积1盎司铜高出一倍的电流，导热性更好，更加适用。
铜箔 – 3 盎司/平方英尺（105 微米或 4 密耳）
应用：电力电子应用可以扩展到工业电机驱动器、汽车电子和高功率射频放大器。
优点：它具有较大的电流承载能力和良好的导热性。因此，它的制造成本更高，同时制造过程也更复杂。
铜箔 – 4 盎司/平方英尺（140 微米或 5 密耳）
应用：特定条件下的大电流，例如：高功率电器、大型电池系统、工业电气设备等。
优点：为铜厚度 PCB 和热性能提供最大的电流容量，但遗憾的是它的价格惊人地高，而且制造困难。