數(shù)十年來，IPC 一直在與業(yè)內(nèi)專業(yè)人士合作，制定有關(guān) PCB 設(shè)計和制造的綜合標準。在大多數(shù)情況下，這些努力都取得了成效，而且在這些標準小組的參與者中形成了一種持續(xù)改進的文化。制定標準的一個重要領(lǐng)域是定義 PCB 線路中的電流限制，但標準的準確性卻不盡如人意。

涵蓋這一設(shè)計領(lǐng)域的兩個標準是 IPC-2152 和 IPC-2221。這兩項標準都涉及設(shè)計實踐，旨在使電路板在一定的安全溫度范圍內(nèi)工作。有兩種標準涉及兼顧熱影響的設(shè)計實踐，那么具體應(yīng)該遵循哪一種標準呢？

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為什么會有兩種與熱”相關(guān)的標準

熟悉行業(yè)標準的電路板設(shè)計人員很可能知道，有兩套標準涉及電路板的可制造性和設(shè)計：分別是 222x 系列標準和 601x 系列標準。每套標準都規(guī)定了某些設(shè)計實踐，旨在確?？芍圃煨?、可靠性、安全性和質(zhì)量。在 222x 系列中，一般設(shè)計標準是 IPC-2221 標準，該標準規(guī)定了與大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用電路板密切相關(guān)的一系列要求。

在 IPC-2221 標準中，有一部分是關(guān)于熱管理的，概述了器件擺放、散熱器的適當使用和冷卻系統(tǒng)的使用等最佳實踐。該熱設(shè)計標準甚至還規(guī)定了散熱器的適當組裝方法，如使用可補償 CTE（熱膨脹系數(shù)）的熱界面材料、粘合劑的使用和焊點標準，以確保熱循環(huán)下的可靠性。

在該標準的熱/電氣部分，大部分數(shù)據(jù)是銅導軌橫截面積與溫度變化和電流的關(guān)系。可以將電流或溫度定義為設(shè)計目標，并計算出承載該電流的走線所需的橫截面積。

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與“熱”相關(guān)的 IPC-2221 標準

在制定 IPC-2221 中的熱標準時，采用了測試電路板的熱數(shù)據(jù)，向測試電路板上的走線施加已知大小的電流，并測量走線的溫度變化。收集到的結(jié)果是針對標準厚度的電路板，然后歸納為一個公式，包括銅面積（以平方毫米為單位）、溫升（以攝氏度為單位）和電流（以安培為單位）：

外部銅的常數(shù) k = 0.048，內(nèi)部銅的常數(shù) k = 0.024，均假設(shè)銅重為 1 盎司。

此時需要使用 IPC-2152 標準。上述公式僅針對具有單一銅重的單一類型電路板。而制定 IPC-2152 標準是為了將上述數(shù)據(jù)擴展到涉及多種不同設(shè)計選擇的多種設(shè)計方案。

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與“熱”相關(guān)的 IPC-2152 標準

IPC-2152 中的數(shù)據(jù)試圖總結(jié)測試載具（與在 IPC-2221 中使用的測試載具相同）的結(jié)果，但考慮了其他電路板參數(shù)。這些不同的參數(shù)包括：

銅重

內(nèi)部走線與外部走線

外部環(huán)境（空氣或真空）

結(jié)果包括大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以圖表的形式呈現(xiàn)，顯示了溫升、供電電流和銅重/導軌寬度之間的關(guān)系。這些結(jié)果并沒有像 IPC-2221 中那樣匯總成一個簡單的公式。

遺憾的是，因為實際電路板可能包括覆銅、內(nèi)部平面和層數(shù)多等各種情況，所以不可能捕獲每種可能的設(shè)計類型的熱數(shù)據(jù)。事實上，在 IPC-2152 和 IPC-2221 中，制定標準的工作組承認，結(jié)果會導致高估實際 PCBA 的數(shù)值。

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結(jié)論是什么？

IPC 自己也承認，這些熱標準很可能會導致設(shè)計人員高估每個走線區(qū)域/電流配對的預(yù)期溫升，因此該標準自然會高估保持電路板散熱效果所需的銅量。如果設(shè)計人員遵循現(xiàn)代最佳實踐，使用大面積的接地區(qū)域（平面），那么電路板就會產(chǎn)生一種自然機制，將熱量從發(fā)熱器件和大電流導軌上散發(fā)出去。

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為什么很難預(yù)測溫度？

顯然，對于實際系統(tǒng)，IPC 工作組并沒有充分定義溫度與走線電流之間的關(guān)系，尤其是考慮到這些系統(tǒng)會隨著時間的推移而不斷升級換代。電子設(shè)備中使用的冷卻方法和冷卻系統(tǒng)變得更加復雜。因此，實際的 PCBA 與 IPC-2221 和 IPC-2152 中使用的測試載具大不相同。如今的設(shè)計中包含了更多的器件和銅，從而在整個電路板上產(chǎn)生了更多的源和負載，最終導致難以預(yù)測溫度。

由于這些原因，測試工程師需要依靠原型散熱測試來了解溫度，并確定在實際設(shè)計中可能需要的冷卻策略。通過熱像儀、直接探測測量和片上/板上溫度測量，都能直接了解實際系統(tǒng)的工作溫度。當結(jié)果顯示過熱可能導致可靠性問題時，工程師就需要制定策略來控制系統(tǒng)中的熱流。

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圖 ：Celsius Thermal Solver 圖形界面