PCB走線寬度計算機

PCB 走線寬度計算機使用 IPC-2221 標準來確定給定電流、溫升和銅厚所需的最小走線寬度。這對於設計能夠承載所需功率而不會過熱或失效的可靠印刷電路板至關重要。

什麼是 IPC-2221？

IPC-2221 是由電子電路互連與封裝協會 (IPC) 發佈的一項名為「印刷板設計通用標準」的行業標準。它為 PCB 設計提供了全面的指南，包括計算承載特定電流所需的最小走線寬度的公式。

該標準通過基於廣泛測試的經驗公式定義了電流承載能力與走線幾何形狀之間的關係。

IPC-2221 走線寬度公式

計算涉及兩個主要步驟：

第 1 步：計算橫截面積

其中：

• A = 橫截面積，單位為 mils² (平方密耳)
• I = 電流，單位為安培
• k = 層常量 (外層為 0.048，內層為 0.024)
• ΔT = 高於環境溫度的溫升，單位為 °C
• b = 0.44 (指數常量)
• c = 0.725 (指數常量)

第 2 步：計算走線寬度

其中：

• W = 走線寬度，單位為 mils
• A = 第 1 步得到的橫截面積
• T = 銅厚度，單位為 mils

外層 vs 內層

IPC-2221 標準區分了外層和內層，因為它們具有不同的散熱特性：

• 外層： 暴露在空氣中，可以通過對流更好地散熱。使用 k = 0.048。
• 內層： 被 FR4 基板包圍，基板的導熱性較差。使用 k = 0.024 (外層的一半)。

這意味著對於相同的電流承載能力，內層走線通常需要約為外層走線的兩倍寬度。

銅厚參考

溫升指南

選擇合適的溫升取決於您的應用：

• 10°C 溫升： 關鍵應用、軍事/航空航天以及附近有溫度敏感組件的電路板的保守選擇
• 20°C 溫升： 具有適當通風的通用商業應用的常見選擇
• 30°C 溫升： 具有良好散熱條件的工業應用的可接受選擇
• 40°C+ 溫升： 僅適用於空間極度受限且預期會有短時間電流峰值的應用

重要提示： 溫升是高於環境溫度的。如果您的設備在 40°C 的環境中運行，允許溫升為 20°C，那麼走線溫度可能會達到 60°C。

電阻和電壓降

對於對功率敏感的应用，走線電阻和電壓降是關鍵考慮因素：

其中：

• R = 電阻，單位為歐姆
• ρ = 銅電阻率 (20°C 時為 1.7 × 10⁻⁸ Ω·m)
• L = 走線長度
• A = 橫截面積

走線兩端的電壓降為：

散發為熱量的功率損耗為：

設計最佳實踐

安全邊際

• 為計算出的寬度增加 20-50% 的安全邊際，以應對生產偏差
• 考慮銅厚的製造公差 (通常為 ±10%)
• 考慮電流峰值和瞬變，而不僅僅是穩態電流

散熱考慮

• 使用散熱過孔將熱量擴散到其他層或地平面
• 避免在溫度敏感組件附近佈放高電流走線
• 考慮使用大面積鋪銅以進一步散熱

高頻考慮

• 較寬的走線具有較低的電感，有利於功率傳輸
• 對於受控阻抗線，走線寬度會影響阻抗
• 考慮頻率超過 100 MHz 時的趨膚效應

常見問題解答

什麼是 PCB 走線寬度的 IPC-2221 標準？

IPC-2221 是一項行業標準，提供 PCB 設計指南，包括在不超過給定溫升的情況下，計算承載特定電流所需的最小走線寬度的公式。該公式考慮了電流、允許的溫升、銅厚以及走線是在外層還是內層。

為什麼內層比外層需要更寬的走線？

內層的散熱效率較低，因為它們被 FR4 基板材料而不是空氣包圍。外層可以將熱量更有效地散發到周圍空氣中，因此它們可以用更窄的走線處理相同的電流。IPC-2221 公式使用不同的常量（外層 k=0.048，內層 k=0.024）來考慮這種差異。

PCB 走線計算應該使用多大的溫升？

常見的溫升值為高於環境溫度 10°C、20°C 或 30°C。10°C 的溫升是保守的，推薦用於關鍵應用。較高的溫升允許使用更窄的走線，但可能會影響附近的組件或降低走線可靠性。選擇時請考慮您的環境操作溫度和組件熱限制。

銅厚如何影響走線寬度？

更重的銅（更高的 oz/ft²）意味著更厚的走線，可以在相同的寬度下承載更多電流。標準的 1 oz 銅厚度為 35µm (1.38 mils)。使用 2 oz 銅厚度翻倍，相同電流容量下所需的寬度大約減半。然而，更重的銅更昂貴，並且對於精細間距的設計來說更難蝕刻。

更多資源

• 印刷電路板 - 維基百科
• IPC-2221 標準 - IPC.org
• 銅導體特性 - 維基百科