影响PCB线宽设计的要素分析
摘 要
主要介绍了决定PCB线宽设计的电流与导线宽度之间的关系，PCB厂家工艺能力对PCB 线宽的影响，针对厂家工艺能力，提供合理的DFM设计方法。
【关键词】PCB 线宽
1 简述
问题：对于PCB设计，是线路越宽越好还是越细越好？
电源设计人员：当然是越宽越好，这对板的可靠性及走电流、散热都有好处。
高频设计人员：还是细一些好，这样可以减少辐射源，对降噪比较有利。
PCB厂家：还是宽一些吧，不然工艺上没法保证，报废率太高。
PCB布局：细一些为好，不然有些地方如BGA都没空间走线。
……
诸于此类回答简直层出不穷，倘若不知道影响PCB线宽的因素，真的较难平衡设计中一些对立问题，自然也难以做出孰优孰劣的选择了。基于这些，我们先来谈谈PCB线宽与PCB载流量之间的关系。
2 线宽与载流量的关系
导线在PCB中起着至关重要的作用，比较常见类型有信号线、电源线、地线等，对于信号线一般不会要求很粗，在此不作特别详细的说明。对于电源线，由于需要经过电流，需要根据线路板上走线的电导率和该线上的电流、电压来计算导线的最小宽度，否则低于最小导线宽度会因为载流量过大引起线路板烧毁。
电压、电流之间存在这样的关系：电流×电阻=电压
这个电压就是电源线上的压降，这个压降当然越低越好。当然这个压降是有准则的，比如模拟电路《50mv，数字电路《100mv等等，根据实际的应用和需要来定。如果不考虑成本问题，电源线是越粗越好。在多层的PCB设计时通常都有专门的层次用于电源和地。电压精度要求越高，电流越大，线宽越宽，而地线的话越宽各点的电位差越小。
实际设计中，由于成本与空间关系不可能将导线宽度设置到无限宽。在IPC-2221中，已具体将载流量与导线宽度、厚度、温度之间关系进行了阐述，从图中可以看到载流量随温度升高呈整体递减趋势，宽度与载流量并不是呈简单的线性关系。如图1：
相同截面，铜厚与导线宽度之间的关系，与上图对应起来：
从图2我们可以看出载流量 与线宽、铜厚各部分之间的总体关系，变化趋势，经过前人总结的一些实验数据，可以用于具体的指导设计。在25 ℃，导线宽度与载流量存在如下的关系：
PCB设计铜箔厚度、线宽和电流关系如表1。
注：1 OZ = 35 um
以表1数据中所列出的承载值是在常温25度下的最大能够承受的电流承载值，因此在实际设计中还要考虑各种环境、厂家制造工艺、板材工艺、板材质量等等各种因素。将这些因素考虑进去，增加一定的富裕量。
3 制造工艺对线宽的要求
在整个产品开发过程中，常常会遇到一些自认为很好的创意，结果却没有好的办法来实现。PCB制作尤其如此，设计人员总能在光绘上轻易实现极微的孔，极细的线，这样就想当然可以把产品做得足够精细，但是这对PCB加工厂家却恰恰是巨大的挑战，甚至因为缺陷率太高或者在现有条件下根本无法制造出来。那么再好的创意也无异于“空中楼阁”。
出现上述问题根本原因在于，设计者没有考虑到PCB 厂家自身的加工能力水平，这个水平可能因厂而异，但在一定时期内大多数厂家的能力水平应该相差不大。这就为总结一些可通用的DFM （可制造性）设计指导规则提供了可能。导线的宽度、底铜厚度、工艺选择、蚀刻能力，这些因素是制作上需要重点考虑的。
3.1 蚀刻工艺原理
PCB外层线路制作普遍采用氨碱性蚀刻系统，化学药水蚀铜速率与药液的交换有很大关系。由于蚀刻的水池效应，药水在板面垂直方向上的交换速度是不一致的，新鲜药水总是较多地汇聚于PCB的表面，然后再交换到底层。
碱性氯化铜蚀刻原理：
CuCl2+4NH3 =[Cu（NH3）4]Cl2 （1）
[Cu（NH3）4]Cl2+Cu=2[Cu（NH3）2]Cl （2）
蚀刻过程中，铜氨络离子氧化板面的铜，生成[Cu（NH3）2]+，其中Cu+的络离子不再具有蚀铜能力，需要再生为[Cu（NH3）4]2+络离子，此再生过程为：
2 [Cu（NH3）2]Cl+2NH4Cl+2NH3+1/2O2= [Cu（NH3）2]Cl2+H2O （3）
蚀刻不仅仅从表层向底层蚀刻，同时也会横向蚀刻，表层的蚀刻速率快，底层慢，这样最终在宏观上导线的上下宽度并不一致，一般上层线宽小于底层线宽。横截面看就是个梯字形，如下图。目前，业界也认可这种工艺本身造成的缺陷，线宽管控以表层线宽为准。
3.2 侧蚀与蚀刻因子
对于PCB成品而言，自然是b与a越接近越好，理想状态为a=b，所以衡量蚀刻工艺能力常常用蚀刻因子来表征。
蚀刻因子=H/X 或铜厚 / [（下线宽-上线宽）/2]
蚀刻因子越高，侧蚀量越少。在印制板的蚀刻操作中，希望有较高的蚀刻因子，尤其是高密度的精细导线的印制板更是如此。对于现今常用的碱性氯化铜蚀刻体系，侧蚀或多或少都会存在，所以控制侧蚀量成为蚀刻工艺控制的一个重点。铜厚越厚，造成的侧蚀的量会越多，对于一些铜厚要求高的厚铜板，除了在制作工艺上要选择侧蚀速率较小的药水体系，在设计上要满足工艺对线宽线距的要求。PCB制造商依据自身工艺进行合理的补偿才能达到要求的线宽。
3.3 基铜与线宽的关系
在3.2节已提到过侧蚀对线宽的影响，涉及侧蚀量的大小除了与蚀刻本身工艺相关外，在设计上选用不同的基铜也有很大关系。由于目前业界主流的外层制作以图形电镀为主，以下的讨论也主要以图形电镀为基础。PCB制作工艺中，外层线路的完成铜厚为三部分组成：
完成铜厚=基铜+PTH化学铜+ I 次电镀铜 +图形电镀
基铜一般是固定的几种规格：0.5OZ、1OZ、2OZ，最常用为0.5OZ与1OZ，厚铜板也用到2OZ、3OZ甚至5OZ的基板。
PTH化学铜很薄，一般5um左右，I次电镀铜属于整板电镀，100um左右，图形电镀将孔铜镀到1mil，对于平面增加厚度一般达到1.2～1.4mil。
蚀刻铜厚=基铜 +PTH化学铜+I 次电镀铜
对于完成线宽与厚度的一定线路，侧蚀量取决于基铜厚度的选择，PTH化学铜与I 次电镀铜相对基铜较薄，可忽略之间的影响因素。就目前我司几个主要PCB厂家供应商的工艺能力来看，建议在设计线路时，线路宽度下限与基铜选择可参考表2的数值：
对于同一种完成厚度，PCB厂家倾向于选用较低的基铜板，通过电镀来达到完成铜厚。对于一些载流量较大的线路，可通过加大线宽或者增加线厚来满足要求，两种方式效果是一致的。从PCB制造的角度而言，增加线宽更有利于PCB 制作。在设计线宽时，操作步骤可这样进行，先依据产品规格确定载流量需求，再依据表一选择合适的完成铜厚与线宽，最后根据表二来确定是否符合满足工艺要求。
4 总结
通过前面的叙述，可以看到影响PCB线宽的不是单一的因素。设计、工艺、产品规格这些都将决定PCB的一些要素。依据产品的载流量要求，合理地运用DFM思路，选用合适的基铜厚度、完成铜厚、设计线宽，一定可以使设计与制造达到和谐统一。
参考文献
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[2]唐燕影.PCB 布局和布线的设计技巧[J]，科技广场， 2008（10）：250-251。
[3]张俊丽.浅谈印制电路板（PCB）设计过程中的布线技巧[J].才智，2010（03）。
作者简介
陈婷（1983-），女 ，江西省人。现为广东省食品药品职业技术学校讲师、医疗器械工程师。
作者单位
1.广东省食品药品职业技术学校 广东省广州市 510663
2.广州多得医疗设备服务有限公司 广东省广州市 510663
