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PCB铜厚—聚焦电流、导热与信号完整性

  • 2025-09-02 14:26:00
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电流承载能力:铜厚与线宽的匹配计算
电流承载是 PCB 铜厚选择的核心指标,需根据线路的最大工作电流、环境温度、线宽,通过公式精准计算适配铜厚。常用的电流承载能力计算公式为:
其中,I为最大承载电流(A),k为修正系数(铜材质k=0.048),A为线路横截面积(mm²,A=线宽×铜厚),ΔT为线路允许温升(℃,通常取 30℃-50℃)。以工业电源的 12V 输出线路为例,最大工作电流 10A,环境温度 50℃,允许温升 40℃,计算过程如下:

代入公式得10=0.048×A0.75×400.5,解得A≈3.2mm2;若线宽设计为 2mm,则铜厚=3.2÷2=1.6mm(换算为铜厚单位1mm=28.4oz,1.6mm≈46oz,显然不现实),需调整线宽或铜厚;实际设计中,线宽通常≤3mm,若线宽设为 3mm,则铜厚=3.2÷3≈1.07(≈30oz,仍过厚),因此需采用 “多线路并联 + 增加铜厚” 的方案:采用 2 条线宽 2mm 的线路并联,总横截面积A=2×2×t(t为铜厚),代入公式得10=0.048×(4t)0.75×400.5,解得t≈0.105mm(即 3oz);最终选择 3oz 铜厚 + 2 条 2mm 线宽的并联设计,既满足 10A 电流需求,又避免铜厚过厚导致的工艺问题。


实际应用中,需根据环境温度修正:高温环境(如发动机舱,80℃)需增大铜厚,例如同样 10A 电流,80℃环境下需将铜厚从 3oz 增至 4oz,以补偿高温导致的载流能力下降。

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2.2 热管理需求:铜厚对 PCB 散热效率的影响

铜的导热系数(385W/(m・K))远高于 PCB 基材(FR-4 约 0.3W/(m・K)),铜厚是影响 PCB 散热效率的关键因素,高功率设备需通过增加铜厚提升散热能力。铜厚对散热的影响主要体现在两点:
  • 热传导效率:铜厚每增加 1oz,线路的热阻可降低 15%-20%。例如,1oz 铜厚的 1mm 线宽线路,热阻约 0.8℃/W;2oz 铜厚时,热阻降至 0.65℃/W;4oz 铜厚时,热阻进一步降至 0.45℃/W。在 10W 功率芯片的散热设计中,4oz 铜厚线路可使芯片温度较 1oz 降低 35℃(环境温度 25℃)。

  • 热扩散面积:较厚的铜层能扩大热扩散范围,减少局部热点。例如,LED 照明 PCB 的灯珠焊盘区域,采用 2oz 铜厚时,热扩散半径可达 5mm;1oz 铜厚时,热扩散半径仅 3mm,导致灯珠周边温度升高 10℃,加速灯珠光衰。

高功率场景的铜厚选择需结合散热方式:
  • 自然散热:功率<5W 时,1oz-2oz 铜厚可满足需求;功率 5-20W 时,需 2oz-3oz 铜厚,并配合大面积铜皮;功率>20W 时,需 3oz-4oz 铜厚,同时增加散热过孔。

  • 强制风冷 / 水冷:虽能提升散热效率,但铜厚仍需适配。例如,200W 工业电源采用风冷时,若铜厚从 2oz 增至 3oz,电源模块的温度可再降低 8℃,延长器件寿命。

某 100W 激光驱动 PCB 采用 3oz 铜厚 + 水冷系统,芯片工作温度稳定在 65℃,较 2oz 铜厚设计降低 12℃,满足激光二极管的高温可靠性要求(≤70℃)。



2.3 信号完整性:铜厚对高频信号传输的影响

在高频信号传输(≥1GHz)中,铜厚需平衡 “趋肤效应” 与 “阻抗稳定性”,避免信号衰减或失真。趋肤效应是指高频电流集中在导体表面的现象:
铜厚需≥4.12μm(约 0.12oz),常规 1oz 铜厚(35μm)远大于该值,完全满足需求。
  • 避免铜厚过厚:过厚的铜层会增加信号的插入损耗(信号传输中的能量损失)。例如,77GHz 雷达信号,1oz 铜厚的插入损耗比 0.5oz 高 8%,因此车载雷达 PCB 常选用 0.5oz-1oz 铜厚,在满足趋肤效应的同时减少损耗。

此外,铜厚的均匀性对阻抗稳定性至关重要:高频 PCB 的特性阻抗(如 50Ω、75Ω)对铜厚偏差敏感,铜厚偏差每增加 5%,阻抗偏差会增加 3%-4%。因此,高频 PCB 需选择铜厚公差小的基材(如 ±5%),避免因铜厚不均导致信号反射。某 5G 基站的射频 PCB 采用 0.75oz 铜厚,铜厚公差控制在 ±3%,阻抗偏差≤2%,满足 5G 信号的传输要求。


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