PCB-Leiterbahnbreite und Strom: Tabelle für Hochleistungsdesigns

Kupfer ist ein starker Leiter mit einem hohen Schmelzpunkt, aber Sie sollten trotzdem alles tun, um die Temperaturen niedrig zu halten. Dafür müssen Sie die Breite der Stromschienen richtig dimensionieren, um die Temperatur im Bereich eines bestimmten Grenzwerts zu halten. Gleichzeitig müssen Sie jedoch den Strom berücksichtigen, der in einer bestimmten Leiterbahn fließt. Wenn Sie mit einer Stromschiene, Hochspannungskomponenten und anderen wärmeempfindlichen Teilen auf Ihrer Leiterplatte arbeiten, können Sie die Leiterbahnbreite, die Sie in Ihrem Layout verwenden müssen, mit einer Tabelle bestimmen, die die PCB-Leiterbahnbreite in Abhängigkeit zum Strom setzt.

Die andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Rechners, der auf den Normen IPC-2152 oder IPC-2221 basiert. Es ist auch hilfreich zu wissen, wie man die äquivalente Leiterbahnbreite und Stromdiagramme in den IPC-Normen liest, da die Tabelle mit Informationen über die Leiterbahnbreite vs. Strom auf einer PCB nicht immer umfassend ist. In diesem Artikel werden wir die Ressourcen besprechen, die Sie benötigen.

Halten Sie die Temperatur beim Hochstromdesign niedrig

Eine Frage, die sich im Zusammenhang mit Leiterplattendesign und Routing häufig stellt, ist die Bestimmung der empfohlenen Leiterbahnbreite, die erforderlich ist, um die Temperatur Ihres Geräts bei einem bestimmten Stromwert im Bereich eines bestimmten Grenzwerts zu halten, oder umgekehrt. Ein typisches Betriebsziel besteht darin, den Anstieg der Leitertemperatur in Ihrer Leiterplatte im Bereich von 10-20 °C zu halten. Das Ziel eines Hochstromdesigns ist es dann, die Leiterbahnbreite und das Kupfergewicht so zu bemessen, dass der Temperaturanstieg beim erforderlichen Betriebsstrom in Grenzen gehalten wird.

Die IPC hat Normen für geeignete Methoden zur Prüfung und zur Berechnung des Temperaturanstiegs in PCB-Leiterbahnen für bestimmte Eingangsströme entwickelt. Dabei handelt es sich um die Normen IPC-2221 und IPC-2152, die beide eine große Menge an Informationen zu diesen Themen enthalten. Diese Normen sind natürlich sehr umfangreich, und die meisten Entwickler haben nicht die Zeit, alle Daten zu analysieren, um eine Tabelle zur Leiterbahnbreite vs. Strom festzulegen. Zum Glück haben wir einige Ressourcen zusammengestellt, die Ihnen helfen, den Strom mit dem Temperaturanstieg in Verbindung zu bringen:

• Leiterbahnbreite und Stromtabelle (siehe unten)
• IPC-2221-Rechner für den Temperaturanstieg in der Leiterbahn
• IPC-2152-Rechner für den Temperaturanstieg in der Leiterbahn

Das folgende Video gibt einen Überblick über die relevanten IPC-Normen und erklärt, wie sie sich in Bezug auf Vorhersagekraft und Anwendbarkeit unterscheiden. Das Video zeigt auch einige Ressourcen für die Berechnung von Stromgrenzwerten oder des erwarteten Anstiegs der Leiterbahntemperatur bei einem bestimmten Eingangsstrom.

PCB-Leiterbahnbreite und Stromtabelle

Die IPC-2152-Normen sind der Ausgangspunkt für die Dimensionierung von Leiterbahnen und Vias. Die in diesen Normen angegebenen Formeln ermöglichen eine einfache Berechnung von Stromgrenzwerten bei einem bestimmten Temperaturanstieg, auch wenn sie das Routing mit kontrollierter Impedanz nicht berücksichtigen. Andererseits ist die Arbeit mit einer PCB-Leiterbahnbreite und Stromtabelle eine gute Möglichkeit, um mit der Bestimmung Ihrer PCB-Leiterbahnbreite/Querschnittsfläche zu beginnen. Auf diese Weise können Sie effektiv eine Obergrenze für den zulässigen Strom in Ihren Leiterbahnen bestimmen, die Sie dann zur Dimensionierung Ihrer Leiterbahnen für ein Routing mit kontrollierter Impedanz verwenden können.

Wenn der Temperaturanstieg in einer mit hoher Stromstärke betriebenen Leiterplatte einen sehr großen Wert erreicht, können die elektrischen Eigenschaften des Substrats bei hohen Temperaturen eine entsprechende Änderung zeigen. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften Ihres Substrats verändern sich mit der Temperatur, und die Leiterplatte verfärbt sich und wird schwach, wenn sie über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen betrieben wird. Dies ist einer der Gründe, warum alle Designer, die ich kenne, Leiterbahnen so dimensionieren, dass der Temperaturanstieg innerhalb von 10 °C bleibt. Ein weiterer Grund ist die Anpassung an einen breiten Bereich von Umgebungstemperaturen, anstatt sich auf eine bestimmte Betriebstemperatur festzulegen.

Die unten stehende Tabelle zur PCB-Leiterbahnbreite im Vergleich zum Strom zeigt eine Reihe von Leiterbahnbreiten und entsprechenden Stromwerten, die den Temperaturanstieg auf 10 °C bei 1 oz./sq. ft. Kupfergewicht begrenzen. Dies sollte Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie Sie Leiterbahnen in Ihrer Leiterplatte dimensionieren können.

Die obige Tabelle gilt für viele Leiterplatten, die häufig mit Standardverfahren hergestellt werden, und zielt auf einen sehr konservativen akzeptablen Temperaturanstieg (10 °C). Die Informationen sind auch für die meisten Laminate geeignet, die Standard-Kupferfolien (1 oz./sq. ft.) enthalten.

An dieser Tabelle sind Ihnen wahrscheinlich zwei Dinge aufgefallen:

• Verschiedene Leiterbahndicken/Kupfergewichte. Die Leiterbahndicke muss aus dem Kupfergewicht in Ihrer Leiterplatte berechnet werden. Wir haben nur den obigen Standardwert von 1 oz./sq. ft. aufgenommen. Für Leiterplatten, die mit hohen Stromstärken betrieben werden, ist jedoch oft schwereres Kupfer erforderlich, um einen höheren Temperaturanstieg zu bewältigen.

• Alternative Substrate. Die oben genannten Daten wurden für FR4 zusammengestellt, was eine breite Palette von Leiterplatten abdecken wird, die in die Produktion geschickt werden. Fortgeschrittene Anwendungen erfordern jedoch möglicherweise eine Leiterplatte mit Aluminiumkern, ein Keramiksubstrat oder ein fortschrittliches Hochgeschwindigkeitslaminat mit einem alternativen Harzsystem. Wenn Sie mit einem Substrat mit höherer Wärmeleitfähigkeit arbeiten, ist die Temperatur Ihrer Leiterbahnen niedriger, da mehr Wärme von warmen Leiterbahnen wegtransportiert wird. In erster Näherung wird der Temperaturanstieg durch das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit Ihres gewünschten Substratmaterials zu der von FR4 skaliert.

Verwendung des IPC 2152-Nomogramms

Wenn Sie mit unterschiedlichen Kupfergewichten auf Innen- oder Außenlagen arbeiten möchten, dann sind die Nomogramme aus der Norm IPC 2152 ein praktisches Hilfsmittel. Diese Tabelle bietet ein einfaches Tool zur Dimensionierung von Leitern für einen bestimmten Strom- und Temperaturanstieg. Alternativ können Sie auch die Stromstärke bestimmen, die einen spezifischen Temperaturanstieg erzeugt, wenn Sie bereits den Strom für die PCB-Leiterbahnbreite ausgewählt haben. Mit diesem Tool können Sie die Stromgrenze in Ihrem Leiterbahndesign visuell überprüfen, ohne einen IPC-2152-Rechner suchen oder entwickeln zu müssen.

Dies wird in zwei Beispielen im folgenden Nomogramm gezeigt. Beachten Sie, dass das unten gezeigte Diagramm nur für interne Leiterbahnen definiert ist. Um dieselbe Version dieses Diagramms für externe Leiterbahnen zu sehen, lesen Sie diesen Artikel von Jeff Loyer.

IPC-2152-Nomogramm für PCB-Leiterbahnbreite im Vergleich zu Strom und Temperaturanstieg. Bild von Benutzer Daniel Grillo auf StackExchange (mit Änderungen).

Der rote Pfeil zeigt, wie man den maximalen Strom für eine gewünschte Leiterbahnbreite, das Kupfergewicht (d. h. die Querschnittsfläche der Leiterbahn) und den Temperaturanstieg bestimmt. In diesem Beispiel wird zuerst die Leiterbreite (140 mils) gewählt, und dem roten Pfeil wird horizontal bis zum gewünschten Kupfergewicht (1 oz./sq. ft.) gefolgt. Wir gehen dann vertikal zum gewünschten Temperaturanstieg (10 °C) und dann zurück zur Y-Achse, um die entsprechende Stromgrenze zu finden (~2,75 A).

Der orangefarbene Pfeil verläuft in die andere Richtung. Wir haben mit einer gewünschten Stromstärke (1 A) begonnen und sind horizontal zu unserem gewünschten Temperaturanstieg (30 °C) gegangen. Wir gehen dann vertikal nach unten, um die Abmessungen der Leiterbahn zu bestimmen. Angenommen, wir geben in diesem Beispiel ein Kupfergewicht von 0,5 oz./sq. ft. an. Nachdem wir dieser Linie gefolgt sind, gehen wir horizontal zurück zur Y-Achse, um die Leiterbreite von ~40 mils zu finden. Angenommen, wir wollten ein Kupfergewicht von 1 oz./sq. ft. verwenden. In diesem Fall würden wir feststellen, dass die erforderliche Leiterbahnbreite 20 mils beträgt.

Mit Altium Designer^® haben Sie Zugriff auf verschiedene Routing-Tools, einschließlich eines IPC-2221-Rechners. Dieser Rechner legt eine Leiterbahnstromgrenze für einen Anstieg der Zieltemperatur von 20 °C fest. Die leistungsstarken Layout- und Routing-Tools für Leiterbahnbreiten in Altium Designer basieren auf einem einzigen einheitlichen Designmodell. Mit diesem Modell können Sie innerhalb Ihrer Design-Regeln eigene Parameter genauer spezifizieren, beispielsweise die Leiterbahn und andere relevante Größen. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie dazu ganz einfach die Altium-365^™-Plattform nutzen. Diese Plattform lässt Sie nicht nur Ihre Projektdaten mit anderen teilen, sondern ermöglicht Ihnen auch eine effiziente Zusammenarbeit mit Ihren Teams – und das schon während des eigentlichen Designprozesses.

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