在消費(fèi)類電子中，PCB通常只需承載10A以下的電流，甚至多數(shù)場(chǎng)景不超過2A。但在工業(yè)電源、電動(dòng)汽車BMS、ADAS處理器等領(lǐng)域，常常需要處理80A以上的持續(xù)電流，考慮到瞬時(shí)過載和系統(tǒng)余量，100A級(jí)的電流傳輸需求日益普遍。很多設(shè)計(jì)師困惑：PCB作為一種薄銅箔基材，真的能承載如此大的電流嗎?答案是肯定的，但需要從材料選型、走線設(shè)計(jì)、散熱優(yōu)化等多個(gè)維度系統(tǒng)規(guī)劃。

一、PCB承載100A電流的核心原理：從電阻到散熱的底層邏輯

1. 載流能力的三大關(guān)鍵參數(shù)

PCB的載流能力本質(zhì)上由銅箔的電阻特性和散熱條件決定，工程上通常用三個(gè)指標(biāo)衡量：銅厚(OZ)、線寬(mm)、溫升(℃)。根據(jù)歐姆定律，電流通過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)熱量累積導(dǎo)致銅箔溫度超過基材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(TG)，就會(huì)引發(fā)基材起翹、銅箔脫落甚至燒毀。

銅厚：1OZ銅厚約為35μm，2OZ為70μm，是影響橫截面積的核心因素。橫截面積越大，電阻越小，相同電流下的發(fā)熱量越低。

線寬：線寬增加會(huì)提升散熱面積，但載流能力并非線性增長——當(dāng)線寬超過一定閾值后，邊緣散熱的邊際效應(yīng)會(huì)逐漸減弱。

溫升：允許的最大溫升決定了載流能力的上限。常規(guī)FR-4基材建議溫升控制在30℃以內(nèi)，而高TG基材可放寬到50℃。

IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)提供了參考數(shù)據(jù)：1OZ銅厚、10℃溫升下，2.5mm寬的走線可承載4.5A電流;當(dāng)銅厚提升到4OZ(140μm)、線寬增加到15mm時(shí)，單面條走線的載流能力可達(dá)到60A左右，雙面走線即可滿足100A的持續(xù)電流需求。

2. 大電流傳輸?shù)纳崞款i

100A電流通過PCB走線時(shí)，即使銅厚和線寬達(dá)標(biāo)，也會(huì)產(chǎn)生顯著的焦耳熱。假設(shè)走線電阻為1mΩ，根據(jù)Q=I2Rt，1小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的熱量將達(dá)到3600J，足以使局部溫度上升數(shù)十?dāng)z氏度。因此，散熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)100A電流傳輸?shù)年P(guān)鍵瓶頸。

基材選型：普通FR-4基材的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.3W/(m·K)，而高導(dǎo)熱FR-4或陶瓷填充基材的導(dǎo)熱系數(shù)可提升至1W/(m·K)以上，能有效加速熱量傳導(dǎo)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：將大電流走線布置在PCB表層而非內(nèi)層，可直接與空氣接觸散熱;增加過孔數(shù)量并采用大孔徑過孔，能強(qiáng)化層間熱量傳遞。

輔助散熱：在走線上加裝散熱片、風(fēng)扇，或在PCB表面涂覆導(dǎo)熱涂層，可將熱阻降低60%以上，顯著提升載流能力。

二、實(shí)現(xiàn)100A電流傳輸?shù)娜N可行方案

1. 增強(qiáng)型PCB走線方案

這是最直接的解決方案，通過強(qiáng)化銅厚、線寬和散熱設(shè)計(jì)，讓PCB本身承載100A電流。具體參數(shù)參考：

銅厚選擇：采用4OZ(140μm)或6OZ(210μm)的加厚銅箔，部分廠家可提供8OZ的特厚銅工藝。

線寬設(shè)計(jì)：單面條走線寬度不小于15mm，雙面走線時(shí)每面寬度可適當(dāng)降低至10mm。

散熱強(qiáng)化：走線上做阻焊開窗處理，允許后續(xù)手工浸錫增加導(dǎo)熱面積;在走線附近布置大面積接地鋪銅，利用地平面快速擴(kuò)散熱量。

某電動(dòng)汽車BMS項(xiàng)目中，工程師采用4OZ銅厚+15mm雙面走線+阻焊開窗設(shè)計(jì)，配合外殼導(dǎo)熱硅膠，實(shí)測(cè)100A持續(xù)電流下的走線溫升僅為28℃，遠(yuǎn)低于FR-4基材的安全閾值。

2. 外接導(dǎo)線/銅排方案

當(dāng)PCB面積受限或成本敏感時(shí)，可通過外接導(dǎo)線或銅排實(shí)現(xiàn)大電流傳輸，PCB僅作為連接節(jié)點(diǎn)使用：

接線柱設(shè)計(jì)：在PCB上安裝表貼螺母、PCB接線端子或銅柱等，選用能耐受100A電流的型號(hào)，如M6規(guī)格的銅柱可輕松承載100A電流。

導(dǎo)線連接：使用6mm2以上的多股銅芯導(dǎo)線，通過銅鼻子壓接后與接線柱連接，確保接觸電阻小于0.1mΩ。

銅排替代：定制與PCB匹配的L型或直型銅排，通過螺絲固定在PCB表面，銅排的載流能力遠(yuǎn)高于PCB走線，10mm寬、2mm厚的銅排可承載200A以上電流。

3. 特殊工藝PCB方案

對(duì)于對(duì)體積和集成度要求極高的場(chǎng)景，可采用特殊工藝的PCB：

內(nèi)嵌銅排工藝：在PCB內(nèi)層嵌入厚銅排，表層保留信號(hào)走線層，英飛凌的Power PCB就采用這種設(shè)計(jì)，1.5mm厚的內(nèi)嵌銅排可在10cm長度內(nèi)承載150A電流。

金屬基PCB：以鋁或銅為基材，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)200W/(m·K)以上，不僅載流能力強(qiáng)，還能同時(shí)解決散熱問題，適合高密度電源模塊。

三、大電流路徑的設(shè)計(jì)技巧：從布局到布線的全流程優(yōu)化

1. 布局優(yōu)先：縮短電流路徑

大電流走線的長度直接影響電阻和發(fā)熱量，布局階段應(yīng)遵循以下原則：

就近放置：將大電流器件(如電源輸入端子、繼電器、功率MOS管)集中放置在PCB邊緣，縮短電流路徑。例如，將電池接口與電源芯片的距離控制在5cm以內(nèi)，可將走線電阻降低70%。

模塊化布局：將大電流回路與敏感信號(hào)回路物理隔離，避免大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾模擬信號(hào)。例如，在工業(yè)電源中，將AC-DC功率模塊與DC-DC控制模塊分別布局在PCB兩側(cè)，中間用接地鋪銅隔離。

對(duì)稱設(shè)計(jì)：對(duì)于多相電源或并聯(lián)器件，采用對(duì)稱式布局，確保每路電流路徑長度一致，避免因電阻差異導(dǎo)致的電流不平衡。

2. 布線技巧：最大化載流能力

布線階段需從線寬、過孔、鋪銅等多個(gè)維度優(yōu)化：

走線段落化設(shè)計(jì)：在電流路徑的不同段采用不同線寬——靠近功率器件的區(qū)域用最大線寬，而電流分支后可適當(dāng)減小線寬，在滿足載流需求的同時(shí)節(jié)省PCB面積。

過孔陣列替代單過孔：單過孔的載流能力有限，1mm孔徑的過孔在1OZ銅厚下僅能承載3A電流。對(duì)于100A電流，需采用過孔陣列，每10A電流至少配置1個(gè)過孔，過孔之間保持2倍孔徑的間距。

大面積鋪銅：在大電流走線周圍布置接地鋪銅，并通過過孔與內(nèi)層地平面連接，既可以作為散熱層，又能抑制電磁輻射。注意鋪銅與走線之間保持足夠的間距，避免出現(xiàn)電流擁擠效應(yīng)。

3. 連接可靠性：避免接觸電阻隱患

大電流傳輸中，接觸電阻引發(fā)的局部過熱是最常見的故障點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注：

焊盤設(shè)計(jì)：增大焊盤面積，采用淚滴狀走線過渡，避免因焊盤與走線連接點(diǎn)過窄導(dǎo)致的電流集中。

端子選型：選擇帶彈簧或螺紋的接線端子，確保長期使用后仍能保持穩(wěn)定的接觸壓力;在振動(dòng)環(huán)境下，可采用防松螺母或厭氧膠加固。

表面處理：采用沉金而非噴錫工藝，沉金層的接觸電阻更小且不易氧化，能有效降低長期使用后的接觸電阻漂移。

四、100A PCB設(shè)計(jì)的驗(yàn)證與測(cè)試方法

1. 仿真分析：提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)

在設(shè)計(jì)階段，可使用Ansys、Altium Designer等工具進(jìn)行熱仿真和電流密度分析：

電流密度仿真：通過仿真可直觀看到走線中的電流分布，及時(shí)調(diào)整過密或過窄的區(qū)域，確保電流密度均勻分布。

熱仿真：模擬100A電流下的溫度分布，評(píng)估基材的耐熱能力，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)。例如，通過仿真發(fā)現(xiàn)某PCB走線的熱點(diǎn)溫度達(dá)到85℃，超過FR-4的TG溫度，最終通過增加散熱片將熱點(diǎn)溫度降低至60℃。

2. 實(shí)物測(cè)試：驗(yàn)證極限性能

樣片制作完成后，需進(jìn)行嚴(yán)格的性能測(cè)試：

溫升測(cè)試：用100A直流電源持續(xù)供電2小時(shí)，使用紅外熱成像儀測(cè)量走線的最高溫度，確保溫升在安全范圍內(nèi)。

壓降測(cè)試：測(cè)量走線兩端的電壓降，計(jì)算走線電阻，驗(yàn)證是否與設(shè)計(jì)值一致。例如，10cm長的15mm寬4OZ銅箔走線，電阻應(yīng)小于0.5mΩ，壓降應(yīng)小于50mV。

壽命測(cè)試：在高溫環(huán)境(如60℃)下持續(xù)通電72小時(shí)，檢查是否出現(xiàn)銅箔起泡、基材變形等現(xiàn)象，驗(yàn)證長期可靠性。

五、總結(jié)：大電流PCB設(shè)計(jì)的核心是系統(tǒng)工程

實(shí)現(xiàn)PCB承載100A電流并非難事，但絕不是簡單地加寬走線——它需要從材料選型、布局布線、散熱設(shè)計(jì)到連接可靠性的全鏈條優(yōu)化。在設(shè)計(jì)過程中，要始終圍繞降低電阻、強(qiáng)化散熱、均勻電流分布這三個(gè)核心目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇最經(jīng)濟(jì)高效的方案：

當(dāng)PCB面積充足時(shí)，優(yōu)先選擇4OZ銅厚+15mm雙面走線+阻焊開窗的增強(qiáng)型方案;

當(dāng)PCB面積受限或成本敏感時(shí)，采用外接銅排或?qū)Ь€的方案;

對(duì)體積和集成度要求極高的場(chǎng)景，可考慮內(nèi)嵌銅排或金屬基PCB等特殊工藝。

只有通過系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的驗(yàn)證，才能確保PCB在100A大電流下長期穩(wěn)定運(yùn)行，避免因局部過熱引發(fā)的系統(tǒng)故障。