Warum Ihre Leiterplatte heißer ist als Sie denken (So können Sie...

Das Problem, über das niemand spricht, bis etwas schmilzt

Die meisten Ingenieure passen die Leiterplattenbahnen nach der aktuellen Kapazität an und erklären, dass alles erledigt ist. Die Leiterbahn kann 3 A verarbeiten, Sie verwenden 2,5 A, alles ist in Ordnung. Aber das ist es nicht, denn diese 2,5 A heizen Ihre Leiterbahn auf 40 °C über der Umgebungstemperatur auf, und jetzt geraten Ihre temperatursensitiven analogen Schaltkreise von den Spezifikationen ab. Oder schlimmer noch, Ihre Lötstellen verschlechtern sich langsam, weil sie bei 85 °C statt der von Ihnen angenommenen 60 °C liegen.

Der Anstieg der Spurentemperatur ist eines der Dinge, die einfach erscheinen, bis Sie die Zahlen tatsächlich durchgearbeitet haben. Die Beziehung zwischen Strom, Leitergeometrie und Temperatur ist nichtlinear, die thermische Umgebung spielt eine enorme Rolle, und die IPC-Standards, die jeder nennt, haben Einschränkungen, die nicht immer offensichtlich sind.

Was macht der Taschenrechner eigentlich

Der PCB Trace Temperature Rise Calculator berechnet Ihre Leiterbahnparameter — Strom, Breite, Kupfergewicht, Umgebungstemperatur und Leiterbahnlänge — und gibt Ihnen ein thermisches Bild: wie heiß die Leiterbahn wird, wie viel Leistung sie ableitet und wie der Leiterbahnwiderstand aussieht.

Zu den Ausgängen gehören:

• Temperaturanstieg (ΔT) : Um wie viel Grad über der Umgebungstemperatur wird Ihr Trace laufen
• Maximale Messtemperatur: Die tatsächliche Betriebstemperatur (Umgebungstemperatur + Anstieg)
• Leiterbahnwiderstand: Der Gleichstromwiderstand Ihrer Leiterbahn bei Betriebstemperatur
• Verlustleistung: Die $I^2R$-Verluste heizen alles auf
• Aktuelle Kapazität bei ΔT=10°C: Eine Plausibilitätsprüfung, die zeigt, welcher Strom Sie um 10 °C erhöhen würde

Letzteres ist nützlich für schnelle Vergleiche. Wenn Sie mit 4 A arbeiten und der Rechner angibt, dass Ihre ΔT=10°C-Kapazität 2,1 A beträgt, wissen Sie, dass Sie die Leitung stark belasten.

Die Physik (kurz)

Die Begleitheizung entsteht durch Widerstandsverluste. Der Strom, der durch den endlichen Widerstand der Leiterbahn fließt, führt zur Leistungsableitung:

Der Spurenwiderstand hängt von der Geometrie und der Temperatur ab. Für eine rechteckige Spur:

wobei $\rho$ der spezifische Kupferwiderstand ist (etwa $1.7 \times 10^{-8}$Ω·m bei 20 °C),$ L $die Länge,$ W $die Breite und$ t$die Dicke ist.

Das Kupfergewicht entspricht der Dicke: 1 Unze Kupfer entspricht ungefähr 35 μm (1,4 mil), 2 Unzen entsprechen 70 μm und ½ Unze entspricht 17,5 μm. Dies sind Nennwerte — Ihr Fab House kann auf jeder beliebigen Platine ± 10% betragen.

Hier wird es interessant. Der spezifische Kupferwiderstand steigt mit einer Temperatur von etwa 0,39% pro °C. Eine Leiterbahn, die 50 °C heißer ist als die Raumtemperatur, hat also einen um etwa 20% höheren Widerstand, als Sie anhand der Raumtemperaturwerte berechnen würden. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife: Ein höherer Widerstand bedeutet mehr Verlustleistung, was eine höhere Temperatur und damit einen höheren Widerstand bedeutet. Das System findet ein Gleichgewicht, aber es hat nicht die Temperatur, die man bei einer naiven Berechnung erhalten würde.

Ein wirklich funktionierendes Beispiel

Nehmen wir an, Sie entwerfen eine Motortreiberplatine. Der Motor verbraucht kontinuierlich 3 A, und Sie haben eine 12-Zoll-Leiterbahn (305 mm), die vom Stecker zur H-Brücke verläuft. Die Platine verwendet 1 Unze Kupfer, und Sie haben 50 mil (1,27 mm) für die Leiterbahnbreite vorgesehen. Die Umgebungstemperatur im Gehäuse beträgt 45 °C.

Zeichnen Sie zunächst die Querschnittsfläche nach:

• Breite: 1,27 mm
• Dicke: 35 μm (1 Unze Kupfer)
• Fläche:$1.27 \times 0.035 = 0.0445$ mm² =$4.45 \times 10^{-8}$ m²

Spurenbeständigkeit bei 20 °C:

Verlustleistung (erste Näherung):

Das ist über ein Watt, das in einem schmalen Kupferband verloren geht. Der Temperaturanstieg hängt davon ab, wie gut die Wärme entweichen kann — ob sich die Leiterbahn auf einer inneren Schicht (schlecht), einer äußeren Schicht mit Lötmaske (okay) oder einer äußeren Schicht mit Luftstrom (besser) befindet.

Bei Verwendung der von IPC-2152 abgeleiteten Kurven für eine externe Leiterbahn ergeben 3 A bis 50 mil Leiterbahn in 1 Unze Kupfer einen Temperaturanstieg von etwa 35 °C. Ihr Trace läuft also unter:

Jetzt müssen wir den Temperaturwiderstand korrigieren:

Tatsächliche Verlustleistung:

Das sind 23% mehr Leistung als unsere ursprüngliche Schätzung. In der Praxis machen die Wärmekurven bereits einen Teil davon aus, aber der Punkt ist klar: Der temperaturabhängige Widerstand ist wichtig.

Öffnen Sie den PCB Trace Temperature Rise Calculator und geben Sie diese Werte ein. Sie sehen den Temperaturanstieg, den korrigierten Widerstand und ob Sie Ihr Layout überdenken müssen.

Was wäre, wenn wir die Spur breiter machen würden?

Die Verdoppelung der Leiterbahn auf 100 mil reduziert den Widerstand um die Hälfte und verbessert die thermische Leistung erheblich (mehr Kupferfläche, um sich auszubreiten und Wärme abzustrahlen). Der Temperaturanstieg sinkt auf etwa 12 °C, sodass die Leiterbahn bei 57 °C statt 80 °C liegt. Das ist ein wesentlich angenehmerer Spielraum.

Wenn Sie alternativ 2 Unzen Kupfer mit der ursprünglichen Breite von 50 mil verwenden, erhalten Sie ähnliche Ergebnisse — einen Anstieg von etwa 15 °C. Die Wahl hängt von Ihren Einschränkungen beim Lagenaufbau und Ihrer Kostentoleranz ab.

Die IPC-Standards: Was sie Ihnen sagen und was nicht

IPC-2152 ersetzte die älteren IPC-2221-Karten, die jahrzehntelang von allen verwendet wurden. Die alten Diagramme basierten auf Daten aus den 1950er Jahren — einseitige Platinen, keine Lötmaske, keine Flugzeuge in der Nähe. In einigen Fällen waren sie konservativ, was moderne mehrlagige Leiterplatten anging, in anderen gefährlich optimistisch.

IPC-2152 basiert auf tatsächlichen thermischen Tests moderner Leiterplatten, was gut ist. Der Standard geht jedoch immer noch von Annahmen aus:

• Stille Luft (keine erzwungene Konvektion)
• Isolierte Spuren (keine Wärmequellen in der Nähe)
• Stationäre Bedingungen (keine gepulsten Ströme)
• Spezifische Leiterplattenkonstruktionen

Ihre eigentliche Platine könnte eine Grundplatte 8 Meilen unter der Leiterbahn haben, die als Wärmeverteiler fungiert, oder es könnten drei andere Stromleitungen parallel verlaufen und ihre Wärme der Mischung hinzufügen. Der Rechner gibt Ihnen einen vernünftigen Ausgangswert, aber Sie müssen Ihr technisches Urteilsvermögen anwenden.

Häufige Fehler und Fallstricke

Vias im aktuellen Pfad ignorieren

Eine einzelne Durchkontaktierung weist im Vergleich zu einer breiten Leiterbahn einen erheblichen Widerstand auf. Eine 12-mil-Durchkontaktierung in 1 Unze Kupfer hat vielleicht einen Widerstand von 0,5-1 mΩ — isoliert betrachtet ist das nicht viel, aber wenn 3 A durch sie fließen, sind das 4,5-9 mW pro Durchkontaktierung. Reihen Sie zehn Durchkontaktierungen hintereinander an (was bei schlecht geplanten Layouts der Fall ist), und Sie haben einen lokalisierten Hotspot, der bei Leiterbahnberechnungen nicht auftaucht.

Wir vergessen die thermische Kopplung

Zwei 2-A-Leiterbahnen, die 3 Zoll lang parallel verlaufen, werden jeweils heißer als eine einzelne 2-A-Leiterbahn isoliert. Durch die Wärme, die von einer Spur ausgeht, erhöht sich die lokale Umgebung auf der anderen. Ich habe Platinen gesehen, bei denen der berechnete Temperaturanstieg 25 °C betrug, der tatsächliche Anstieg jedoch aufgrund der angrenzenden Leiterbahnen und Komponenten 40 °C betrug.

Unter Verwendung des nominalen Kupfergewichts

Ihr Kupfergehalt von „1 Unze“ könnte nach dem Ätzen 0,9 Unzen betragen, insbesondere bei Spuren mit feiner Steigung, bei denen der Ätzfaktor in die Seitenwände eindringt. Gehen Sie bei kritischen Strompfaden von 10 bis 15% weniger Kupfer als der Nennwert aus.

Gleiche Behandlung interner und externer Schichten

Interne Leiterbahnen laufen bei gleichem Strom deutlich heißer als externe Leiterbahnen. Sie sind von FR-4 umgeben, einem guten Wärmeisolator. Bei einer internen Leiterbahn kann es zu einem um 50% höheren Temperaturanstieg kommen als bei einer externen Leiterbahn mit derselben Geometrie und Stromstärke. Der Rechner geht in der Regel von externen Leiterbahnen aus. Wenn Sie Strom auf interne Schichten leiten, fügen Sie den Rand hinzu.

Transientes Verhalten wird ignoriert

Der Temperaturanstieg im stationären Zustand setzt einen kontinuierlichen Strom voraus. Wenn Ihre Last gepulst ist — sagen wir, 5 A für 100 ms pro Sekunde —, erreicht die Leiterbahn keine stationäre Temperatur. Es wird zwischen einer niedrigeren und einer höheren Temperatur schwanken. Dies kann für die Zuverlässigkeit sogar schlechter sein als eine stetige Erwärmung aufgrund der thermischen Ermüdung der Lötstellen. Es bedeutet aber auch, dass Sie möglicherweise eine schmalere Spur verwenden können, als es stationäre Berechnungen vermuten lassen, wenn Sie die damit verbundenen thermischen Zeitkonstanten verstehen.

Der Lötmasken-Mythos

Einige Ingenieure glauben, dass eine Lötmaske die Leiterbahn isoliert und sie dadurch heißer laufen lässt. In Wirklichkeit hat eine Lötmaske nur minimale thermische Auswirkungen — sie ist dünn und obwohl sie kein guter Leiter ist, fängt sie die Wärme nicht nennenswert ein. Wichtiger ist, ob Sie freiliegendes Kupfer für die konvektive Kühlung oder eine darunter liegende Massefläche für die leitfähige Verteilung haben.

Wann sollte man sich Sorgen machen (und wann nicht)

Ein Temperaturanstieg von 10 °C auf einer Stromleitung ist in der Regel in Ordnung. 20 °C sind es wert, darauf zu achten. 40 °C oder mehr bedeuten, dass Sie das Wärmemanagement umgestalten oder hinzufügen müssen.

Aber der Kontext ist wichtig. Ein Anstieg um 30 °C, bei dem Ihr Messgerät bei 55 °C (in einer Umgebung von 25 °C) liegt, ist wahrscheinlich in Ordnung. Bei gleichem Anstieg um 30 °C in einem Gehäuse mit 70 °C bei Umgebungstemperatur von 70 °C befinden Sie sich bei 100 °C, was sich den Löttemperaturen nähert und die Elektromigration in Ihrem Kupfer beschleunigt.

Überlegen Sie auch, was sich in der Nähe befindet. Eine heiße Leiterbahn neben einer Präzisionsspannungsreferenz ist selbst dann ein Problem, wenn die Leiterbahn selbst innerhalb der spezifizierten Werte liegt. Eine heiße Leiterbahn in der Mitte eines Leistungsteils, umgeben von anderen Leistungskomponenten? Wahrscheinlich in Ordnung.

Schnelle Faustregeln

Für äußere Spuren in stiller Luft mit 1 Unze Kupfer gelten diese groben Richtlinien für einen Temperaturanstieg von 10 °C:

• 1 A: ~10—15 Meilen breit
• 3 A: ~50-60 Meilen breit
• 5 A: ~120-150 Meilen breit
• 10 A: ~400+ mil breit (Sie möchten wahrscheinlich einen Polygonfluss)

Doppelte Breite für interne Leiterbahnen. Halbiere es, wenn du 2 Unzen Kupfer verwendest. Dies sind ungefähre Zahlen — überprüfen Sie alles, was wichtig ist, immer mit tatsächlichen Berechnungen.

Versuch es

Schnappen Sie sich Ihren Schaltplan, ermitteln Sie die Leiterbahn mit der höchsten Stromstärke und öffnen Sie den PCB Trace Temperature Rise Calculator. Geben Sie die tatsächlichen Zahlen ein — tatsächliche Leiterbahnbreite, aktuelles Kupfergewicht, realistische Umgebungstemperatur. Wenn Sie der Temperaturanstieg überrascht, sind Sie nicht allein. Die meisten Ingenieure unterschätzen die Begleitheizung, bis sie sie mit einer Wärmebildkamera auf einer echten Platine messen.

Es ist besser, das im Taschenrechner herauszufinden als in der Produktion.