Kupferstromdichte für Simulationen, unter Verwendung von schnellen und ungenauen PCB-Designregeln

In meinem vorherigen Artikel, PDN Analyzer Quick Start auf einer Motor Driver PCB, stellte MattPVD die Frage: „Wie bestimmt man eine akzeptable Stromdichte?“ Ich muss zugeben, dass ich viel Zeit damit verbracht habe, genau diese Frage zu beantworten, als ich die Simulation für das Board erstellte. Welche Stromdichte ist akzeptabel? Die IPC hat Richtlinien in ihren Dokumenten versteckt, aber man muss bezahlen, um auf diese Dokumente zugreifen zu können, was bedeutet, dass es nicht für jeden nutzbare Ratschläge sind.

In meinem Kopf kommt es bei der Stromdichte einer Leiterbahn hauptsächlich auf thermische Beschränkungen an. Das ist genau dasselbe wie bei einem Hochstrom-Integrierten Schaltkreis; der begrenzende Faktor wird am häufigsten sein, wie heiß es wird mit der thermischen Dissipation und der darauf platzierten Last. Dies wird vollständig von der spezifischen Implementierung des Boards abhängen, daher denke ich leider nicht, dass eine strikte Regel oder ein Satz von Richtlinien für jedes Design optimal sein wird.

Anstatt mich auf spezifische Richtlinien zu konzentrieren, möchte ich teilen, wie ich praktische PCB-Designregeln anwende, um eine vernünftige Kupferstromdichte für ein gegebenes Design abzuschätzen. Obwohl thermische Simulationstools wie Ansys IcePak präzise Einblicke bieten können, bietet die Verwendung von Tools wie PDN Analyzer eine effektive Möglichkeit, zu beurteilen, ob Ihr Design auf dem richtigen Weg ist, bevor Sie sich auf reale Tests oder teurere Simulationstools festlegen. Dieser Ansatz hilft, Ihre Designrichtung zu validieren, besonders wenn Sie die Leistungsgrenzen ausreizen.

Warum ist die Stromdichte wichtig?

Ein Stromdichterechner hilft dabei, die in Kupferleiterbahnen erzeugte Wärme zu bestimmen. Kleinere Kupferflächen führen zu einem höheren Widerstand, was zu einem erhöhten Spannungsabfall und Wärme führt, wenn der Strom zunimmt. Die korrekte Berechnung der Stromdichte ist wesentlich für das Wärmemanagement in Ihrem PCB-Design und um eine zuverlässige Leistung sicherzustellen.

Wenn Ihre Leiterbahn zu heiß wird, könnte sie:

• Das Board delaminieren (das Substrat versagen lassen)
• Vom Board delaminieren (sich lösen)
• Eine thermische Abschaltung von benachbarten Teilen auf demselben Kupferleiter verursachen
• Die Leiterbahn schmelzen/zerbrechen
• Die Lebensdauer von Komponenten auf dem Board erheblich reduzieren

Keines dieser Ergebnisse ist wünschenswert, daher wollen wir sicherstellen, dass die Stromdichte auf unseren Boards innerhalb vernünftiger Grenzen liegt.

Wie können wir die maximale Stromdichte von Kupfer bestimmen?

Es gibt wahrscheinlich bessere Methoden, um die Stromdichte zu bestimmen, als diese. Wenn Sie jedoch nur die Plausibilität Ihres Designs überprüfen möchten, sollte dies Ihnen einen ausreichend guten Wert zur Arbeit liefern.

Wenn Sie wissen, wie viel Strom Sie durch das Kupfer Ihrer Leiterplatte leiten müssen, was Ihre maximale Umgebungsbetriebstemperatur voraussichtlich sein wird und die maximale Temperatur, die Ihre Leiterbahn erreichen kann, können Sie die Formeln aus IPC-2221 verwenden, um die geeignete Leiterbahnbreite zu berechnen. Ah, ich höre Sie sagen: „Ist nicht der ganze Punkt davon, dass wir keinen Zugang zur IPC-Literatur haben?“ Nun, glücklicherweise haben viele Online-Leiterbahnbreitenrechner diese Formeln!

Ich verwende den Rechner auf der Advanced Circuits Website, und da ich mich nicht in den USA, Liberia oder Myanmar befinde, werde ich für diese Berechnungen metrische Einheiten verwenden. Sie können die Einheiten verwenden, die Sie am glücklichsten machen.

Für dieses Beispiel werde ich sagen, wir müssen 30A auf der Leiterplatte führen, auf einer äußeren Schicht. Diese Einschränkung der äußeren Schicht ist aus 2 Gründen wichtig:

1. Viele PCB-Hersteller verwenden dünnere Kupferstromdichten auf den internen Schichten,
2. Interne Schichten sind durch die PCB isoliert und kühlen daher nicht so effektiv ab wie externe Schichten. 

Ich möchte dieses Board im PDN Analyzer simulieren, aber um die Stromprüfungen, die die Software bietet, nutzen zu können, muss ich zuerst die Stromdichte kennen. Ich erwarte, dass mein Board bei einer maximalen Betriebstemperatur von 45°C verwendet wird. Sie sollten bedenken, wie heiß das Innere Ihres Gehäuses sein wird, falls Sie eines verwenden, und Sie sollten auch das Klima der verschiedenen Länder berücksichtigen, in denen Ihr Board verwendet werden könnte. Ich möchte, dass meine maximale Temperatur unter 130°C bleibt, was die Glasübergangstemperatur (Tg) meines Boards ist. Die Glasübergangstemperatur ist der Punkt, oberhalb dessen Ihr Board anfängt, weich zu werden und viel wahrscheinlicher zu delaminieren oder auszufallen. Ich werde auch eine standardmäßige 35μm dicke Kupferstromdichte verwenden, aber wenn Ihr Board es erfordert, können Sie von den meisten Anbietern sowohl schwerere/dickere Kupferstromdichten als auch höhere Tg-Boards als Standardoptionen erhalten.

Mit diesem Satz von Eingaben werde ich die absolut minimale Leiterbahnbreite berechnen, die ich verwenden könnte. Die Verwendung dieser Leiterbahnbreite wird wahrscheinlich zu einer kurzen Lebensdauer der Leiterplatte führen und dazu führen, dass Ihr Produkt auf interessante und kreative Weise im Einsatz versagt.

Dann können wir diese minimale Leiterbahnbreite verwenden, um die absolut obere Grenze der Stromdichte zu berechnen, die wir auf der Platine haben möchten. Multiplizieren Sie einfach die Leiterbahnbreite mit der Dicke der Platine. Da dieser Artikel über schnelle und schmutzige PCB-Designregeln handelt, werden wir einfach den Google-Rechner verwenden, um die Berechnung durchzuführen, sodass wir uns nicht mit Einheitenumrechnungen beschäftigen müssen.

Suchen Sie einfach (8,93mm*35um) in mm2 auf Google.

Jetzt wissen wir, dass wir 0,31255mm2 Kupferfläche benötigen, um 35A zu leiten, wenn wir die Platine bis zu ihrer Glasübergangstemperatur erhitzen wollen. Was wir für den PDN Analyzer jedoch benötigen, ist die Stromdichte in Ampere/mm2. Daher teilen wir einfach den angenommenen Strom durch die berechnete Fläche—also 35/0,31255—um 111,98A/mm2 zu erhalten.

Natürlich ist dies unsere absolute Grenze, und es wäre verrückt, unser Design so zu gestalten, dass es diese nutzt. Wenn Ihr Design über den hier berechneten Stromgrenzwert hinausgeht, benötigt es wahrscheinlich etwas Überarbeitung.

Wie können wir eine sinnvolle Stromdichte bestimmen?

Wenn wir möchten, dass das Produkt lange hält, müssen wir auch herausfinden, welche sinnvolle Stromdichte von Kupfer wir für den Großteil der Platine erreichen wollen. Einige Bereiche, die diese Stromdichte überschreiten, werden wahrscheinlich in Ordnung sein, besonders wenn sie von vielen Bereichen mit niedrigerer Stromdichte umgeben sind. Denken Sie daran, dass Kupfer ein sehr guter Leiter für Wärme sowie für Strom ist, sodass ein kleiner Abschnitt mit hoher Stromdichte heiß werden kann, aber auch diese Wärme zu benachbarten Kupferflächen ableiten kann. Ich wäre zufrieden, wenn der Übergang einer Leiterbahn, die in einen IC führt, beispielsweise eine höhere Stromdichte aufweist, als wir hier berechnen, solange der Rest der Leiterbahn vernünftig ist.

Mit der gleichen Methode, die wir zuvor verwendet haben, um die Leiterbahnbreite zu berechnen, können wir unsere gewünschte Stromdichte von Kupfer berechnen, indem wir einfach den maximalen Temperaturanstieg auf etwas Vernünftigeres ändern. Ich werde versuchen, alle meine Leiterbahnen unter 65°C zu halten, das klingt nach einer guten Temperatur und sollte verhindern, dass verbundene ICs zu heiß werden. Bei einer Umgebungstemperatur von 45°C bleibt mir nur ein zulässiger Temperaturanstieg von 20°C statt der ursprünglich berechneten 85°C!

Das ist viel mehr Kupfer! Die Gesamtfläche beträgt jetzt 0,7525 mm2, was uns eine viel vernünftigere 46,5A/mm2 für Simulationszwecke gibt.

Ein paar Ratschläge zur Simulation

Diese Zahlen werden je nach den spezifischen Projektanforderungen variieren. Verwenden Sie nicht einfach meine Zahlen, da sie möglicherweise nicht für Ihr spezielles Design geeignet sind.

Die meisten Ihrer Mitmenschen empfinden 55°C als brennend heiß, wenn sie es berühren! Es ist zu unangenehm für sie, ihre Haut dagegen zu halten. Wenn Sie viel löten, haben Sie wahrscheinlich eine viel höhere Toleranzschwelle, um etwas als zu heiß zu betrachten. Dies ist erwähnenswert, denn wenn Ihr Produkt einen leitfähigen Bereich hat, der für menschliche Berührung zugänglich ist, sollten Sie in Erwägung ziehen, die Temperatur der Leiterbahn unter 55°C zu halten, damit die Benutzer sich nicht darüber beschweren, dass sie sich an Ihrem Produkt verbrennen.

Wenn Sie große Bereiche Ihrer Platine haben, die gerade so bei der Stromdichte bestehen, wird sie wahrscheinlich überhitzen. Sie müssen entscheiden, welches Gleichgewicht zwischen heißen und kühlen Bereichen Ihrer Platine geeignet ist. Wenn Sie eine Platine simulieren, bei der 30 % der Fläche von einer Leiterbahn bedeckt sind, die unter Last 60°C erreicht, bei 25°C Umgebungstemperatur, wird Ihre Platine selbst mit dieser Last wahrscheinlich insgesamt nahe 50°C liegen – Ihre Umgebungstemperatur könnte also überdacht werden müssen.

Wenn Sie Elektrolytkondensatoren haben, die mit dem Kupferbereich verbunden sind, den Sie auf höhere Temperaturen bringen, sollten Sie das Datenblatt auf die maximale Betriebstemperatur oder die Lebensdauerabwertung bei Temperatur überprüfen. Ein billiger Aluminium-Elektrolytkondensator, der bei Umgebungstemperaturen jahrelang hält, könnte bei 85°C nur noch so wenig wie 500 Stunden überleben. Das sind weniger als ein Monat, und Ihre Kunden/Benutzer erwarten wahrscheinlich, dass ihr Gerät länger hält.

Wenn Sie das Gefühl haben, dass Sie mit Ihrer Simulation wirklich an die Grenzen stoßen, sollten Sie eine umfassendere Bewertung Ihres Designs in Ansys IcePak durchführen oder umfangreiche Tests in der realen Welt durchführen. Eine Wärmebildkamera und eine Dose schwarzer Sprühfarbe sind günstiger als IcePak, aber im realen Testbetrieb kann es schwieriger sein, eine Vielzahl von Bedingungen ohne teure Umweltkammern zu simulieren. Metalle reflektieren thermische Wellenlängen, daher sollten Sie Ihre gesamte Platine mit schwarzer Sprühfarbe besprühen, bevor Sie sie mit einer Wärmebildkamera testen.

Fazit

Meine Methode zur Berechnung einer akzeptablen Stromdichte mag unter einige der schmutzigeren PCB-Design-Regeln fallen, aber sie sollte Ihnen eine Vorstellung davon geben, ob Ihr Design auf dem richtigen Weg ist. Die thermischen Auswirkungen von Leiterbahnen mit hoher Stromstärke/Temperatur können weitreichend für Ihre gesamte Leiterplatte sein und sollten berücksichtigt werden. Aus diesem Grund würde ich nicht empfehlen, nach einer goldenen Standardstromdichte zu suchen, die für alle Ihre PCBs eingehalten werden muss.

Wenn Sie Platinen mit hoher Leistung entwerfen, ist Ihre akzeptable Stromdichte wahrscheinlich weit höher als die für ein Stromverteilungsnetzwerk, das Mikrocontroller oder Logikgeräte versorgt.

Das spezifische Layout Ihres Geräts, die Betriebsumgebung und die Gehäuseoptionen werden stark beeinflussen, welche Stromdichte für Ihr Design akzeptabel ist. Ich hoffe, dass dieser Leitfaden Ihnen hilft, eine akzeptable Grenze zu bestimmen, damit Sie ein Tool wie den PDN Analyzer verwenden können, um Ihr Design vor dem Prototyping zu überprüfen.