PCB加铜排（Busbar）设计指南

在大电流板子设计中，为了节省使用厚铜板的成本，很多工程师试在 PCB 上开窗，直接用螺栓将铜排（Busbar）锁在板子上。这种方案在原型机阶段看似完美，但在长期工况下却经常遭遇莫名其妙的过热失效。现在我们从 FR-4 材料的流变学特性出发，分析其失效的物理原因。

“降本”方案？

在涉及 50A+ 甚至 100A+ 的大电流设计时，为了降低导线电阻，我们通常需要增加铜厚。但 6oz 或 10oz 的厚铜板加工周期长、成本高。

于是，一种直觉性的工程方案出现了：“Bolt-on Copper”。

即：利用 PCB 现有的 FR-4 结构作为载体，直接把铣削好的铜条通过螺丝锁在 PCB 表层的 ENIG（沉金）焊盘上。

一种典型的铜排加强方案

然而，这种设计存在一个致命的物理缺陷，足以在长期运行中摧毁你的系统。

物理缺陷：FR-4 的粘弹性与蠕变

很多工程师将 PCB 视为刚体，但从材料科学的角度看，FR-4（玻璃纤维增强环氧树脂）本质上是一种粘弹性材料 (Viscoelastic Material)。

当你用螺栓施加 紧固力 (F_clamp) 时，FR-4 会发生两个阶段的形变：

设螺栓的初始预紧力为 F0。在 t=0 时，连接完美。
随着时间推移，特别是在温度 T 升高时（大电流必然伴随温升），FR-4 树脂发生“冷流”，导致板材厚度出现微小的塌陷。

根据物理定律，螺栓的 剩余拉力 F(t) 可以简化表示为：

F(t) = k × ( 初始位移 – 蠕变损失量 )

结论很明显： 随着蠕变导致板材变薄，螺栓的预紧力 F(t) 会呈指数级衰减。

这就是为什么很多直接锁在 PCB 上的接线端子，出厂时好好的，运行半年后端子处却烧黑了。这不是螺丝没拧紧，而是你在试图用流体（树脂）去对抗应力。

甚至 Tesla 也不敢这么做

在工业界，这种连接处理必须非常谨慎。我们观察一下 Tesla Model 3 的逆变器设计：

Tesla 在处理大电流连接时，并没有让电流直接穿过 PCB 基材。他们的功率器件（MOSFETs）引脚与铜排是直接焊接或激光焊接的。

没有任何大电流回路是单纯依赖“压在 FR-4 上”的机械接触来导通的。

如果非要使用机械连接，必须引入“中间介质”。

正确解决的思路

既然问题的根源在于 FR-4 基材的流变特性，那么解决问题的唯一物理路径，就是将 PCB 基材从“高压紧固回路”中移除。

如果你是在做手板（Prototype），并且非要直接锁 PCB，可以：抛弃弹簧垫圈，使用碟形垫圈。

物理原理分析：
普通的开口弹簧垫圈（Split Washer）一旦被压平，就失去了弹力，变成了一个平垫圈。而 FR-4 的蠕变是微米级的持续塌陷。

Belleville 碟形垫圈 就像一个高刚度的板簧。当 FR-4 发生微小塌陷（比如 10μm）时，碟形垫圈释放的势能仍能维持大部分的预紧力（Preload），从而延长连接寿命。

为了彻底消除接触电阻，可以采用“直接焊接”方案。即在铜排上打孔，并在 PCB 上涂锡膏，通过回流焊或大功率烙铁将铜排“死死地”焊在板子上。

实际问题：
这种方法电气性能极佳，但制造难度极高（DFM 极差）。

冷焊问题

铜排是巨大的散热器，导致焊接时热容量极大，容易出现冷焊（Cold Joint）。
CTE 失配

铜（17 ppm/°C）与 FR-4（12-14 ppm/°C）的热膨胀系数不同。大面积焊接在冷却时会导致 PCB 严重翘曲（Warpage），甚至剥离焊盘。

这就是SMT 贴片螺母（或焊接端子）存在的底层逻辑。它构建了一个“全金属堆叠”：

为什么这是目前最好的的解法？

应力旁路 (Stress Bypass)：在大电流紧固中，所有的夹持力（Clamping Force）全部由金属螺母承担。PCB 基材（FR-4）仅承载螺母本身的重量和插拔时的剪切力，而不再承受垂直方向的压缩蠕变应力。
热稳定性

金属与金属之间的连接是刚性的，不会因为 80°C 或 100°C 的温升而发生软化。

总结与建议

回到最初的问题：“我能在 PCB 上直接锁铜排吗？”

从物理学角度，答案是残酷的：