IPC-2221-Rechner zur Berechnung der Leiterbahnbreite unter Berücksichtigung von Stromstärke und Temperaturanstieg

Die IPC-2221-Norm enthält viele Anforderungen an das Design und die Herstellbarkeit von Leiterplatten. Es gibt folglich auch mehrere Online-Rechner, die auf Grundlage dieser Norm entwickelt worden sind. Neben der Berechnung der Impedanz und der Restringgröße beschreibt eine andere wichtige Formel in dieser Norm den Zusammenhang zwischen Temperaturanstieg, Leiterbahnbreite und Leiterbahnstrom. Sowohl die IPC-2221-Norm als auch die IPC-2152-Norm enthalten diese Design-Richtlinien für die thermische Zuverlässigkeit; es gab hier schon einige Diskussionen über die Anwendbarkeit der beiden Normen.

Wenn Sie die IPC-2221-Norm als Compliance-Metrik ausgewählt haben, haben Sie Glück. Wir haben eine einfache Rechneranwendung entwickelt, mit der Sie die Grenzwerte für die Leiterbahnbreite bei einer bestimmten Erwärmungsobergrenze abschätzen können. Wenn Sie Altium Designer nutzen, können Sie auf diese Funktionen im PCB-Editor zugreifen – und all das schon während Sie an Ihrem Routing arbeiten. Lesen Sie also weiter, um mehr über die thermische Analyseformel in der IPC-2221-Norm zu erfahren. Unsere Berechnungsanwendung finden Sie weiter unten.

Was umfasst der IPC-2221-Standard?

Die IPC-2221-Norm ist ein allgemeiner Qualifikations- und Abnahmestandard für PCBs/PCBAs. Die Anforderungen in der Norm legen bestimmte Designvorgaben fest, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit gewährleisten sollen. Die Qualifikationen in der Norm sind allgemeine Standards; spezifischere Standards, die für verschiedene Arten von Leiterplatten gelten, finden sich in der Normenreihe 2220.

Im IPC-2221-Standard gibt es zwei Abschnitte, die den Zusammenhang zwischen dem thermischen und elektrischen Verhalten von Leitern auf einer Leiterplatte beschreiben:

• Abschnitt 6.2 - Anforderungen an leitfähige Materialien
• Anhang B

Diese beiden Abschnitte enthalten zwei Diagramme, die die Leiterbahnbreite mit dem von einer Leiterbahn übertragenen Strom in Beziehung setzen; sie werden im Zusammenhang mit IPC-2152 am häufigsten zitiert. Sie können diese Diagramme sowohl für interne Leiterbahnen als auch für externe Leiterbahnen in den verlinkten Artikeln sehen. Es gibt auch eine Formel in IPC-2221, Abschnitt 6.2, die die Querschnittsfläche (A in Quadratmillimeter) in Verhältnis setzt mit der Leiterbahn zu einem gewünschten Temperaturanstieg über Umgebungstemperatur (∆T in °C) und Durchschnittsstrom (I in Ampere):

Diese Formel ist sehr einfach. Sie kann innerhalb des weiter unten bereitgestellten Rechners verwendet werden. Wenn Sie diese Formel nutzen, um die Querschnittsfläche der Leiterbahn zu bestimmen, müssen Sie anschließend das Kupfergewicht (Dicke) verwenden, um die Breite des Leiters zu ermitteln. Die von Ihnen so berechnete Breite stellt einen Mindestwert dar; er ist erforderlich, um den Temperaturanstieg unter dem für ∆T angegebenen Wert zu halten.

IPC-2221-Rechner zur Berechnung der Leiterbahnbreite

Die folgende Anwendung implementiert die obige Formel und berechnet daraus die Leiterbahnbreite, die erforderlich ist, um die Temperatur unter einem bestimmten Wert zu halten. Mit anderen Worten: Sie können Ihren Kupfergewicht-Wert in den Rechner eingeben und dieser ermittelt dann die erforderliche Leiterbahnbreite unter Berücksichtigung Ihrer Stromstärke und der Temperaturanstiegsgrenze.

Ergebnisse

Gibt es diese Art von Tools online in einem CAD-System? Benutzer von Altium Designer können innerhalb der Routing-Tools im PCB-Editor-Fenster auf einen automatisierten IPC-2221-Rechner zugreifen. Um diese Funktion zu nutzen, wählen Sie einfach eine Leiterbahn im Netz aus, die Sie analysieren möchten. Im nächsten Schritt erweitern Sie die Daten im Bereich „Netzinformationen“ des Properties Panel. Hier sehen Sie eine Berechnung einer Maximalstromstärke für diesen Leiterbahnabschnitt.

• Der IPC-2221-Rechner in Altium Designer geht davon aus, dass der zulässige Temperaturanstieg auf ∆T = 20 °C begrenzt ist.

Der obige Rechner funktioniert bereits für alle Bögen, die sich in Ihren Routen befinden; ein kürzliches Update hat die Funktionalität um Längenabstimmungsabschnitte erweitert, die nicht in freie Grundzeichenelemente konvertiert wurden. Wenn Sie die neuesten Updates für Version 22 installiert haben, arbeitet der IPC-2221-Rechner in Altium Designer jetzt mit Längenabstimmungsobjekten im PCB-Layout. Der gleiche Prozess, der im obigen GIF gezeigt wird, kann also auch für Längenabstimmungsabschnitte verwendet werden.

Einige Hinweise zur IPC-2221-Formel

Hinsichtlich der Genauigkeit und des Anwendungsbereichs der oben abgebildeten Formel sind einige wichtige Punkte zu beachten.

• Die Formel basiert auf den Diagrammen in den oben verlinkten Artikeln.
• Die Formel geht davon aus, dass sich die Leiterplatte in einer Umgebung mit Luft bei STP (Standardtemperatur und -druck) befindet.
• Bei den Testleiterplatten, die zur Entwicklung der Formel verwendet wurden, wurde einfach eine Leiterbahn auf einer dicken Leiterplatte verwendet – es befand sich also kein zusätzliches Kupfer in der Nähe (etwa in Ebenen oder Flächen), um Wärme zu transportieren
• Mehrere parallele Leiterbahnen, die nahe beieinander liegen, können zum Zweck der Übertragung hoher Ströme wie eine einzige große Leiterbahn behandelt werden.
• Wenn die Leiterplatte recht dünn ist (~30 mil oder weniger), empfiehlt die Norm eine Leistungsreduzierung um 15 % statt 10 %.
• Für Substrate mit höherer Wärmeleitfähigkeit als Standard-Epoxid-Glasfaserlaminate gelten unterschiedliche Obergrenzen für die Stromstärke/Leiterbahnbreite.

Das alles bedeutet, dass die Ergebnisse eines IPC-2221-Rechners sehr konservativ sind; vor allem dann, wenn wir uns moderne Leiterplatten anschauen. Mit anderen Worten: Wenn Sie die Ebenen und den Kupferguss um Ihre Leiterbahnen herum mit einbeziehen, dann ist der berechnete Wert der Strombelastbarkeit höchstwahrscheinlich zu niedrig angesetzt. Im Gegenzug handelt es sich bei der berechneten Mindestspurbreite wahrscheinlich um eine Überschätzung. Behalten Sie diese Punkte im Hinterkopf, wenn Sie die Ergebnisse verwenden, da der Rechner möglicherweise eine zu große erforderliche Leiterbahnbreite vorhersagt.

Aufgrund dieser bekannten Unstimmigkeit mit heutigen Leiterplattendesigns gab es die Motivation, einen neuen Standard zu entwickeln; einen Standard, der eine höhere Spezifität und damit größere Genauigkeit bietet. Dabei handelte es sich um die IPC-2152-Norm, die im Folgenden beschrieben wird.

IPC-2221 vs. IPC-2152: Welche ist genauer?

Ich habe schon oft betont, dass Online-Rechner ihre Grenzen haben. Der oben aufgeführte IPC-2221-Rechner ist da keine Ausnahme, wie ich in den obigen Punkten gezeigt habe. Es stimmt, dass der Wert für die Mindestbreite, den Sie anhand der IPC-2221 berechnen, wahrscheinlich zu hoch angesetzt ist. Deshalb wurde in der IPC-2152-Norm versucht, den verfügbaren Datensatz zu erweitern und mehrere Nomogramme für die Bestimmung der Leiterbahnbreite, des Temperaturanstiegs und der Stromgrenzen aufzunehmen.

Bei der Recherche für diesen Artikel stieß ich auf ein altes IPC-2152-Arbeitspapier, das von Mike Jouppi – einem unserer Podcast-Gäste – verfasst wurde. Dieses Paper zeigt, in welchem Maße IPC-2152 versucht hat, die verschiedenen Designbedingungen von Leiterplatten zu erfassen; wie z. B. das unterschiedliche Kupfergewicht, das Vorhandensein von Lagen, den Abstand von Leiterbahn zur Lage und die Verwendung in Luft oder im Vakuum.

Warum gab es so viele Untersuchungen zu IPC-2152? Die folgende Tabelle soll veranschaulichen, warum so viele Details gewünscht waren. Die folgende Tabelle stammt aus IPC-2221 B. Die Daten in dieser Tabelle vergleichen die gemessenen Temperaturanstiegswerte für eine bestimmte Stromzufuhr mit Leiterbahnen derselben Größe. Wir können hier sehen, dass die IPC-Ergebnisse den erwarteten Temperaturanstieg für alle aktuelle Werte deutlich überschätzen. Aus diesem Grund neigen die auf IPC-2221 basierten Rechner auch dazu, die erforderliche Leiterbreite zu überschätzen.

Um Nutzern zu helfen, die besten Designentscheidungen für ihre Produkte zu treffen – insbesondere für den Fall, dass eine große Zuverlässigkeit wichtig ist – haben wir Ihnen mehrere Ressourcen zusammengestellt. Diese sollen Ihnen dabei helfen, die Auswirkungen der Leiterbahnbreite auf den Temperaturanstieg und die Grenzwerte für die Stromstärke besser zu verstehen:

• Kostenloser IPC-2152-Online-Rechner
• Leiterbahnbreite und Stromtabelle gemäß IPC-2152 (dies zeigt eine interne Leiterbahntabelle an)
• IPC-2152-Daten für interne und externe Leiterbahnen
• Strombegrenzungsberechnungen der Versorgungsfläche
• Verwendung von Wärmewiderstand und Leitfähigkeit zur Abschätzung der Temperatur
• Ein Leitfaden zur thermischen Analyse von Leiterplatten

Wenn Sie das nächste Mal schnell die IPC-2221-Berechnungsergebnisse für Ihre Leiterplatte sehen möchten, nutzen Sie doch einfach die branchenweit besten PCB-Routing-Tools in Altium Designer®. Sie haben Ihr Design fertiggestellt und möchten nun die Dateien für den Hersteller freigeben? Dies können Sie problemlos mittels der Altium 365™-Plattform tun. Die Cloud-basierte Plattform hilft Ihnen und Ihrem Team zudem dabei einfach und schnell miteinander zu kommunizieren und effektiv zusammenzuarbeiten.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.