Design nach Standards mit dem kostenlosen IPC-2152-Rechner von Altium

In modernen EDA-Programmen sind viele Rechner und Simulatoren schon integriert. Eine Simulationsbereich ist jedoch hinter allen anderen zurückgeblieben: die thermische Simulation. Thermische Berechnungen sind vor allem für die Leistungselektronik und High-Reliability-Elektronik relevant, auch wenn diese Systeme mit einer geringeren Gesamtleistung arbeiten. Es gibt noch weitere Fälle, in denen ggf. die Erhitzung von Leiterbahnen anhand des ihnen zugeführten Stroms geschätzt werden muss.

Die Branche bemüht sich schon seit langem, Standards zu entwickeln, die als Best Practices für das Wärmemanagement verwendet werden können. Die Ergebnisse waren bisher jedoch eher enttäuschend. Sie führten lediglich zu einer Reihe empirischer Formeln, die in IPC-2152 und IPC-2221 definiert wurden. Diese Formeln können verwendet werden, um die Beziehung zwischen dem Strom in einer Leiterbahn, der Leiterbahnbreite und dem erwarteten Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur abzuschätzen - sofern sich das Design auf einem FR4-Substrat befindet. Nachfolgend finden Sie einen Rechner, der Ihnen folgende wichtige Informationen liefern kann:

IPC-2152-Diagramme und -Rechner

Zunächst aber einige Hintergrundinformationen: Wenn Sie mit der Entwicklung der IPC-Standards vertraut sind, erinnern Sie sich vielleicht daran, dass die ursprünglichen Designstandards für Leiterbahnen auf 50 Jahre alten experimentellen Ergebnissen mit Polyimidplatten basierten. Die relevanten FR4-Materialparameter unterscheiden sich nur um etwa 2 % von Polyimid, sodass die IPC-2152-Standards auch für Leiterplatten auf FR4 gelten. Die Beziehung zwischen dem Temperaturanstieg in einer Leiterplatte, dem Strom in den Leiterbahnen und dem Querschnittsbereich der Leiterbahnen wurde in einer Reihe von Diagrammen sowie einer empirischen Formel im IPC-2221B-Standard zusammengefasst.

Seit 2009 hat sich der IPC-2152-Standard zum wichtigsten Standard für die Bemessung von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte entwickelt. Dieser ist durchaus für das Wärmemanagement von Leiterplatten relevant. Allerdings wurde sich erst vor kurzem auf eine korrekte Formel für die Größe von Leiterbahnen geeinigt. Angesichts der vielen verschiedenen Layout-Möglichkeiten auf jeder Leiterplatte sind die ursprünglichen Diagramme in IPC-2221B bekanntermaßen nicht für jedes Design anwendbar. Der neue IPC-2152-Standard zeigt Ergebnisse an, die die Beziehung zwischen den folgenden Größen zusammenfassen:

• Thermische Leitfähigkeit
• Leiterplatten-Stärke
• Entfernung zu einer Lage in der Nähe sowie Lagenfläche
• Kupfergewicht
• Leiterbahnbreite
• Erwarteter oder erforderlicher Temperaturanstieg gegenüber der Umgebungstemperatur
• Interne vs. externe Leiterbahnen

Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Diagrammen für interne und externe Leiterbahnen zusammengefasst. Es gibt jedoch keine explizite Formel, die zur Berechnung des erwarteten Temperaturanstiegs in einer Leiterbahn verwendet werden kann. Es ist allerdings möglich, Daten aus dem Diagramm zu entnehmen und daraus ein Modell mit gemischten Exponenten zu entwickeln. Genau das haben Wissenschaftler bei SMPS.us getan. Ich habe ihre Interpolationsformel unten wiedergegeben. Die resultierende Master-Gleichung wird verwendet, um die Querschnittsfläche der Leiterbahn für einen gewünschten Temperaturanstieg oberhalb der Umgebungstemperatur (ΔT) und die entsprechende Stromstärke (I) zu berechnen:

Diese Formel ist im folgenden Rechner zur Bestimmung von Leiterbahnbreiten implementiert.

IPC-2152-Rechner

Die nachstehende Anwendung ermöglicht es, die erforderliche Leiterbahnbreite (in mil) für einen bestimmten Eingangsstrom und Temperatur unkompliziert zu berechnen. Geben Sie hierzu einfach Ihre gewünschten Grenzwerte für den Temperaturanstieg und den entsprechenden Betriebsstrom (RMS) ein. Wenn eine Fläche vorhanden ist, wird ein Korrekturfaktor angewendet, um die erforderliche Kupferfläche und -breite zu bestimmen.

Ergebnisse

Grenzen von IPC-2152-Rechnern

Die meisten IPC-2151-Rechner sind nur gültig, wenn der Abstand der Leiterbahnen mehr als 1 Zoll (2,54 cm) beträgt. Jeder, der schon einmal eine echte Leiterplatte konstruiert hat, weiß, dass das für Signalspuren nicht praktikabel ist – insbesondere wenn sie auf derselben Ebene wie eine große Stromschiene platziert werden (z. B. beim Lagenaufbau SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR). Die Temperatur von eng beieinander liegenden parallelen Leiterbahnen ist ggf. höher als die einer einzelnen Leiterbahn, obwohl sie mit demselben Strom betrieben werden. Eine Möglichkeit, eng beieinander liegende Leiterbahnen zu berücksichtigen, besteht darin, sie als eine einzige Leiterbahn zu behandeln. Zur Bestimmung der kombinierten Querschnittsfläche und des Temperaturanstiegs wird hierbei der kombinierte Strom verwendet.

Außerdem berücksichtigt der Rechner keine der standardmäßigen Wärmemanagementtechniken, die oft bei Leiterplatten verwendet werden. Beispielsweise:

• Auf Komponenten montierte Kühlkörper
• Wärmeableitung oder -erzeugung in aktiven Komponenten
• Konvektionskühlung entlang der Plattenoberfläche
• Konduktionskühlung im Gerätegehäuse

Ist IPC-2152 noch relevant?

Vor kurzem hatte ich das Vergnügen, mit Mike Jouppi über die Präzision und praktische Anwendbarkeit von IPC-2152 zu diskutieren. Mike ist Experte für thermische Messungen auf Leiterplatten. Laut Mikes Erfahrungen überschätzen die Angaben der IPC-2152-Nomographen und -Gleichungen tendenziell die Leiterbahnbreite oder Polygonbreite, die erforderlich ist, um den Temperaturanstieg innerhalb einer bestimmten Grenze zu halten. Genau hierüber habe ich kürzlich mit Mike in einer Folge des Altium OnTrack Podcast gesprochen.

Eine Überschätzung der Leiterbahnbreite ist an sich nicht immer schlecht. Wenn Sie beispielsweise prüfen wollen, ob ein als Stromschiene verwendetes Polygon, kühl bleibt: Solange die Polygonbreite deutlich größer ist als das mit IPC-2152 ermittelte Ergebnis, können Sie sicher sein, dass es keine thermischen Probleme entwickeln wird. Beachten Sie also diese Punkte im Zusammenhang mit IPC-2152. Denn diese können dazu führen, dass man als Designer seine Platte „überkonstruiert, obwohl das evtl. gar nicht erforderlich ist.

Weitere Ressourcen zur Berechnung der Erhitzung von Leiterbahnen

Abschließend ist noch zu sagen, dass die IPC-2152-Ergebnisse auf Originaldaten und -methoden von IPC-2221 basieren. Die Norm selbst enthält sogar Zahlen zur internen und externen Leiterbahnbreite von IPC-2221. Diese Standards sind ein guter Ausgangspunkt, wenn Sie Ihren eigenen Rechner entwickeln und versuchen möchten, jene Daten zu einer ähnlichen Master-Gleichung zusammenzufassen.

Wenn Sie keinen Zugang zu einem Simulator – insbesondere zu einem thermischen 3D-Solver – haben, müssen Sie verschiedene Diagramme und Rechner verwenden, um die Gleichgewichtstemperatur für einen bestimmten Durchschnittsstrom zu schätzen. In der folgenden Linkliste haben wir einige Ressourcen für die manuelle Berechnung der Erhitzungsgrenzwerte für Leiterbahnen, Stromgrenzwerte und des Temperaturanstiegs anhand des Wärmewiderstands und der Wärmeleitfähigkeit zusammengefasst:

• 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

Diese Ressourcen zu thermischen Funktionen werde ich weiter aktualisieren, während wir unsere Web-Apps weiterentwickeln und sie für Altium Designer-Benutzer verfügbar machen.

Eines der neuesten Updates des Altium Designers^® umfasst einen automatischen Erhitzungsberechner für Leiterbahnen. Dieser erlaubt es den Stromgrenzwert gemäß des IPC-2221-Standards abzuschätzen. Zwar sind die Bestimmungen von IPC-2221 und IPC-2152 noch immer nicht eindeutig geklärt sind. Trotz allem können Sie beide Tools verwenden, um eine Schätzung der Leiterbahnbreite zu erhalten und so sicherstellen, dass Ihr Design zuverlässig ist. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben, bietet Ihnen die Altium 365^™-Plattform die ideale Umgebung, um Dateien für Hersteller freizugeben, Projekte mit anderen zu teilen und unkompliziert mit verschiedenen Akteuren zusammenzuarbeiten. Schauen Sie sich die neuesten Funktionen des Altium Designers hier an.

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.