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布线：线宽、载流、过孔、间距 PCB Routing

布局定好后，布线（Routing）就是用铜线把引脚连起来。布线要回答四个定量问题：多宽（载流够不够）、怎么过孔、间距多大、拐角怎么打。

1. 设计动机

一根走 1A 电流的线如果太细，铜箔发热、温升过高，长期可靠性下降甚至烧断。反过来，信号线不需要载流，却因为"怕太细"画得很宽，浪费板面还增加寄生电容。线宽就是在"载流能力"和"板面积/寄生参数"之间找平衡。

2. 图示：走线、过孔、间距

3. 定量参数：IPC-2221 载流公式

PCB 铜线载流能力由 IPC-2221 给出经验公式（外走线）：

I = k \cdot \Delta T^{\,0.44} \cdot A^{\,0.725}

$I$ ：允许电流（A）
$\Delta T$ ：允许温升（℃）
$A$ ：铜箔截面积（ $mil^2$ ，1 mil = 0.0254 mm）
$k$ ：外层走线 $k=0.048$ ，内层走线 $k=0.024$ （内层散热差，同样截面积载流约一半）

反过来求所需截面积：

A = \left(\frac{I}{k \cdot \Delta T^{\,0.44}}\right)^{1/0.725}

线宽 $W = A / t_{cu}$ （ $t_{cu}$ 为铜厚，1 oz ≈ 1.37 mil = 35 µm）。

4. 完整设计示例

需求：外层走线，1 oz 铜，允许温升 $\Delta T=10^{\circ}\text{C}$ ，电流 $I=1A$ 。
算温升项： $\Delta T^{0.44}=10^{0.44}\approx 2.75$ 。
算系数： $k\cdot\Delta T^{0.44}=0.048\times2.75\approx0.132$ 。
求截面积： $A=(1/0.132)^{1/0.725}=7.58^{1.379}\approx16.3\,mil^2$ 。
求线宽： $W=16.3/1.37\approx11.9\,mil\approx0.30\,mm$ 。
结论：外层 1oz、温升 10℃ 下，走 1A 约需 0.3 mm 线宽；内层散热差，要翻倍（约 0.6 mm）。

经验速查（1 oz 铜，外层，温升 10℃；按 $A\propto I^{1.379}$ ，电流翻倍所需线宽远不止翻倍）：

电流	线宽(约)
0.5 A	0.12 mm
1 A	0.30 mm
2 A	0.8 mm
5 A	2.8 mm（建议铺铜）

注意：载流与线宽是 1.379 次幂关系，不是线性——电流翻倍所需线宽远不止翻倍。打样前请以 IPC-2221 或 Saturn PCB Toolkit 按实际叠层/温升反算为准。

5. 过孔与间距

过孔（Via）：层间连接，钻孔后孔壁镀铜（PTH, Plated Through Hole）。

常用：外径 0.6 mm / 孔径 0.3 mm；细孔 HDI 可到 0.3/0.15 mm。
单个过孔载流约 1 A（孔径 0.3mm），大电流多打几个并联。
过孔本身有寄生电感（~1 nH），高速信号线换层要少打过孔。

间距（Clearance）：

场景	最小间距
普通低压信号	0.2 mm（8 mil）
高压（安规爬电）	按电压查表，如 220V 需 ≥ 3~8 mm
高速差分对内	按阻抗要求（见串扰与差分）

6. 设计准则

电源线按 IPC-2221 算线宽，并留 50% 余量。
内层走线载流减半（散热差）。
拐角用 45° 或圆弧，避免 90°（高频反射）。
过孔能少则少，高速线换层要配地过孔。
大电流铺铜而非细线，并注意散热焊盘。

7. 检查与仿真

DRC：线宽、间距按板厂工艺能力（如最小 0.127mm/5mil）设规则。
载流核对：用 Saturn PCB Toolkit 反算给定电流下的线宽。
热仿真：大电流板估算铜箔温升。

扩展与变种电路

扩展1：走线拐角 — 90° / 45° / 圆弧

拐角形状影响高频阻抗连续性。

90° 直角处线宽在视觉上变宽（转角外侧），局部阻抗突变，高频产生反射。
45° 斜角过渡平滑，加工简单，低速板通用。
圆弧（或多段 45° 逼近圆弧）阻抗最连续，高速受控阻抗线首选。
影响在上升沿快（<1ns）时才明显；低速信号线 90° 其实问题不大。

准则对比：

拐角	阻抗连续性	加工难度	适用
90°	差	易	低速
45°	良	易	通用
圆弧	优	稍难	高速

现象：高速信号眼图闭合、边沿变缓。
原因：直角处阻抗不连续造成反射累积。
解决：高速线用 45° 或圆弧拐角。

扩展2：散热焊盘与地过孔阵列

大铜箔上焊接直插元件，热量被铜箔吸走焊不上。

直连（散热快、虚焊）vs 散热焊盘 thermal relief（细颈连接、易上锡）

直连（Full Connection）：焊盘全铜相连，大铜箔散热太快，烙铁热量被吸走，虚焊。
散热焊盘（Thermal Relief）：用 4 条细颈把焊盘连到铜箔，焊接时热量不易散走，易上锡。
大电流例外：走大电流的焊盘要直连，thermal relief 的细颈会增加电阻发热。
地过孔阵列（Stitching Vias）：平面边缘打一排地过孔，降低地电感、提供屏蔽。

准则对比：

连接方式	可焊性	载流/散热
直连	差（大铜箔）	好
Thermal Relief	好	细颈受限

现象：功率元件焊盘发热、过流能力不足。
原因：细颈成了瓶颈，电阻大发热。
解决：功率/大电流焊盘用直连，牺牲可焊性换载流，配合回流焊保证焊接。

8. 常见坑与故障现象

线宽凭感觉拍脑袋：走 2A 的线只画了 0.2mm，满载时发热。按 IPC-2221 算。
内层走线按外层宽度算载流：内层散热差，同样宽度载流约一半，要翻倍。
过孔当导线用：一个过孔载流只有约 1A，大电流单过孔会烧。多打并联。
90° 直角没当回事：低速没事，高速就出问题。

9. 自测题

外层 1oz 铜、温升 10℃、走 1A，大约需要多宽的线？

由 IPC-2221 公式算得截面积约 16 mil²，除以铜厚 1.37 mil，线宽约 12 mil ≈ 0.3 mm。内层要翻倍到约 0.6 mm。

同样一根线，内层和外层哪个载流能力强？为什么？

外层强。内层埋在板子中间、散热差，IPC-2221 里内层 $k=0.024$ 约为外层 $k=0.048$ 的一半，所以同样截面积内层允许电流约一半。

大铜箔上焊直插元件，为什么要用散热焊盘（thermal relief）？

大铜箔散热太快，烙铁热量被瞬间吸走导致虚焊。thermal relief 用细颈连接，焊接时热量不易散走、易上锡；但大电流焊盘要直连以避免细颈瓶颈发热。

10. 参考资料

IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design（载流公式）
Saturn PCB Design Toolkit：https://saturnpcb.com/saturn-pcb-toolkit/
onsemi AND8301-D EMC PCB Layout Guidelines

布线：线宽、载流、过孔、间距 PCB Routing ​

1. 设计动机 ​

2. 图示：走线、过孔、间距 ​

3. 定量参数：IPC-2221 载流公式 ​

4. 完整设计示例 ​

5. 过孔与间距 ​

6. 设计准则 ​

7. 检查与仿真 ​

扩展与变种电路 ​

扩展1：走线拐角 — 90° / 45° / 圆弧 ​

扩展2：散热焊盘与地过孔阵列 ​

8. 常见坑与故障现象 ​

9. 自测题 ​

10. 参考资料 ​