導線的規格參數可以很容易地從各種資料中獲得，但如何用這些參數來計算印刷電路板連接線的電阻呢？本文將介紹在PCB設計中利用導線規格與印刷電路板連接線尺寸之間的關系，以及電阻與尺寸及溫度之間的函數關系來計算連接線的電阻。

 

從各種出版物和手冊中可以獲得與尺寸相關的導線電氣參數(通常稱為導線規格)的大量資訊。但如何用這些資訊來分析印刷電路板連接線參數的資料卻很少。下文將介紹導線規格和連接線面積之間的關系，以及如何利用連接線電阻與尺寸和溫度之間的函數關系。
 

 

背景資料

美國導線規格(AWG)體系于1857年由J.R. Brown建立，稱為Brown & Sharp(B&S)規格。從導線的生產制程可以知道，導線是藉由一系列直徑逐漸減小的孔拉制而成，導線的規格大致反映了拉制所需要的步驟數。例如一個規格為24的導線比規格為20的導線多拉4次。表中所列為目前導線規格及其相應的直徑和橫截面面積。

 

在所有的資料中并沒有對這些步驟進行具體定義，但有一點是一致的：規格0000(4/0)，其直徑定義為0.4600英寸；規格36，其直徑為0.0050英寸。其它規格的幾何尺寸都介于兩點之間。如果這些尺寸均勻分布，則任何兩個相鄰直徑之間的比值可由下式得出(注意：在規格0000和規格36之間共有39級)。
 

 

 

實際上，各規格的直徑并不是均勻分布的。表中任何兩個相鄰直徑之間的比值與該公式的計算結果很相近，但多級后就會因為誤差累積而產生很大的偏差，因此利用上式的計算值是近似值而不是實際值。

 

計算方程式

在直徑、直徑常用對數與導線規格的曲線圖中，可見直徑的成長有一定規則，導線直徑的對數與導線規格曲線幾乎是直線。該曲線的方程為：規格= -9.6954 - 19.8578×Log10(d), 其中d為導線直徑，單位為英寸。

 

印刷電路板連接線的橫截面是長方形而不是圓形。因此，能定義以橫截面面積為變量的等式如下：規格 = 1.08 + 0.10×Log10(l/a), 其中a為橫截面面積，單位為平方英寸。

 

當導線的橫截面面積已知時，藉由上式可以計算出等效的導線規格。相反地，在導線規格已知時，藉由下式可以計算出連接線的橫截面面積：面積 = l/(10(10×規格- 10.8))

 

在導線規格表中常會提供相關規格的一些參數值。藉由這些參數值可以估計某一長度導線的電阻。而連接線電阻的計算比導線電阻的計算稍微復雜。每種金屬都有一個電阻系數(有時也稱為特徵電阻)，電阻系數、導線長度、橫截面面積與電阻之間的關系為：R=ρ×l/a

 

其中R為電阻，單位為歐姆，l為導線長度，a為橫截面面積。電阻系數的單位由歐姆和長度單位來表示。純銅的電阻系數通常為：ρ=1.724 (微歐-厘米)或ρ=0.6788 (微歐-厘米)

 

用該參數可以計算出任何銅連接線的電阻，即用電阻系數除以連接線的橫截面面積，并乘以連接線長度。但是必須注意，電阻系數隨溫度變化，通常所給的電阻系數為20℃時的電阻系數。因此，用該電阻系數計算出的電阻值為20℃環境溫度下的電阻。

 

連接線的電阻隨溫度而增大，稱為‘電阻溫度系數’的參數可表明這種變化的大小，用下式可計算出該參數對電阻大小的影響：R2/R1 = 1 + 0.00393×(T2-T1)

 

其中R1和T1分別為基淮電阻和基淮溫度(單位為℃)。T2是新溫度，R2是在新溫度下的電阻。

 

由于這些計算非常繁瑣，因此UltraCAD Design公司推出了一種免費的計算工具，可以從UltraCAD的網站www.ultracad.com上下載。利用該工具，在給定一條連接線的等效導線規格、厚度或寬度中任意兩個參數條件下，可以計算出另一個參數。它還可以在特定長度和溫度的情況下計算連接線的電阻，在特定電流時計算連接線上的電壓降。

 

焊錫層

最后，我們分析一下焊錫層對連接線電阻的改變。任何導體的電阻都是其電阻系數的函數，分析時可將連接線和焊錫層視為并聯導體。假設焊錫層和連接線具有相同的寬度和長度，只需考慮連接線和焊錫層的厚度。

 

銅的電阻系數為1.724微歐-厘米，而錫的電阻系數為11.5微歐-厘米，比銅高出6.7倍。鉛的電阻系數為22微歐-厘米，比銅約高出13倍。因此，根據焊錫中錫和鉛的含量比例，焊錫層的電阻系數約比相同厚度的銅連接線高10倍。

 

由于導體之間的分流大小與電阻成反比，在相同厚度的銅線和焊錫層下，約90%的電流流過銅線(剩余的電流藉由焊錫層)。因此，通常在非精確測量時可以忽略焊錫層對連接線電阻和壓降的影響。