赵括自少时学兵法,言兵事,以天下莫能当。尝与其父奢言兵事,奢不能难,然不谓善。括母问奢其故,奢曰:“兵,死地也,而括易言之。使赵不将括即已,若必将之,破赵军者必括也” - 《史记•廉颇蔺相如列传》
赵括自小学习兵法,喜欢高谈阔论兵事,自以为天下无敌,有点像当今的键盘侠。他爹赵奢作为实战派都驳不过他,但赵奢并不认为他有军事才能。赵括的母亲问其中原因,赵奢说∶“打仗是关乎众人存亡的重大事情,而赵括说的太轻率。赵王不让他当将军也就罢了,否则毁掉赵军的人一定是赵括。”
果然,成年后的赵括获得赵国军队指挥权,在长平之地大败于武安君白起,白起将他们全部活埋了(悉坑之)。
在基础理论与工程实践的关系上,也忌讳纸上谈兵。数理逻辑可以天马行空,但落地时一定要关注细节,考虑全面,做合理的妥协,故工程师这个群体是实际而又深沉的。
背景
在电路设计上,信号的连接需要走线和过孔,那么走线需要多宽、过孔需要多大呢?
避而不谈,或者无限加宽加大都类似于纸上谈兵、自欺欺人。
如果走线过细或者过孔数量不足,在大电流场景下会产生热效应,热量随着时间累积,导体表面温度会不断上升,可能导致铜皮烧熔、过孔烧毁、FR4碳化,实践中还真遇到过这种惨案,像火烧连营一样,如下图:

那么把走线无限加宽、过孔数无限加多呢?
不实际,你一个人把资源占光了(有做贪官的潜质),其他人就得睡天桥,你在社会上这样做可能啥事没有,但在科技界这样做容易遭遇败局。PCB寸土寸金,不能任性地只顾自己而忽略协同,否则产品优胜劣汰、极短的生命周期,将为天下所笑。
综上,对于PCB的走线和过孔,通常需要根据工程经验确定出一个合适的值。业界并不是第一次遇到这种问题,业界曾为此制定过IPC-2221和IPC-2552标准,下面为诸君简单讲述下。
IPC-2221
PCB走线的载流能力,主要与线宽、铜箔厚度、温升环境有关。
行业标准IPC-2221中总结定义了如下公式:

在式子中:
- I为电流,单位为安培(A);
- A为截面积,单位为平方密尔(mil^2),A = 走线宽度 * 铜厚;
- ΔT为温升,单位为摄氏度(℃);
- K为修正系数,内层走线,闷热难散,故k=0.024;而表层走线,k=0.048,因空气流通原因,热量积累相较于内部会少些。

铜箔厚度,通常以OZ为单位,1OZ意思是重量1OZ的铜均匀平铺在1平方英尺的面积上所达到的厚度。1OZ=35um=0.035mm。
下面以0.1mm线宽,铜厚20um,允许的温升为10℃为例,可计算出:
- 截面积A=3.2平方密耳;
- 表层通流能力I = 0.048*10^0.44*𝐴^0.725≈0.3A;
- 内层通流能力I = 0.024*10^0.44*𝐴^0.725≈0.15A。
计算下来,基本上符合手机PCB设计上,0.1mm宽度对应0.1A电流走线的工程经验。
过孔,via,本质上也是走线。在手机PCB上有两类过孔,激光孔和机械孔。
激光钻出孔,然后电镀填孔,虽然孔径小,但不是简单镀铜形成孔壁,而是用镀铜将其完全填平,形成一个实心的铜柱。
而机械钻的孔孔径通常更大(一般>0.2mm),但机械钻孔后的电镀,不是在孔内填满铜,而是在整个孔的内壁上(包括上下孔口)化学沉积并电镀上一层均匀、致密、达到一定厚度的铜层。最终得到的就是一个空心的、内壁覆盖着铜层的管道,它的横截面是一个铜环。

此外,按照过孔是否在表层,又分为表层孔和内层孔(埋孔)。表层孔为过孔有一端在表层,散热能力强些;内层孔为过孔两端都在内层,散热能力弱些,在评估通流能力时要注意表层孔和内层孔的区别。
下面做了激光孔和机械孔的评估示例,可供参考。

IPC-2552
IPC-2221基于50多年前的旧数据(源于美军标MIL-STD-275)而做成,而IPC-2552基于1998年后的大量新实验数据和计算机模拟而做成。在IPC-2221所注重的导线位置(内/外层)、期望温升和铜厚基础上,IPC-2552新增邻近导体热耦合(互相烤火)、板材热导率、PCB厚度、铜平面等多个变量的影响,故模型更接近真实三维热力学系统。
在高集成度、高密度布局走线的PCB中,推荐使用IPC-2152来评估线宽,其关键图表曲线如下所示:

规范的详细内容可见下面的链接:
Microsoft Word - HowTo2152.doc
应用案例举例:某PCB的铜厚为35um(1.38mil),允许的温升为10℃,假使想走1A的电流,那么走线宽度应为多少?
看上图,我们可以在曲线上查找1A电流走线所对应的横坐标,发现它大约对应50 Sq-mils,简单计算下来,走线的宽度将为50/1.38 = 36mil(0.91mm)。基本上符合手机PCB设计上,1mm宽度对应1A电流走线的工程经验。这是由纵坐标找横坐标,也可以由横坐标(计算出走线宽度对应的横截面积)找纵坐标。
前面说过,过孔本质上是导线,故不再列出过孔的计算示例。