Leiterplattenspurbreite und Stromkapazität: IPC-2221 vs IPC-2152
So berechnen Sie die Leiterbahnbreite für einen bestimmten Strom. Vergleicht die Standards IPC-2221 und IPC-2152, erklärt den Temperaturanstieg und deckt Unterschiede zwischen externen und internen Schichten ab.
# IPC-221 gegen IPC-2152: Was sollten Sie verwenden?
IPC-2221 (1998) ist der ältere Standard. Er ist konservativ, basiert auf Messungen von 1954 und verwendet eine einfache empirische Formel:„MATHBLOCK_0“
Wobei *k* = 0,048 für externe Spuren, 0,024 für interne Spuren; *ΔT* ist der Temperaturanstieg (°C); *A* ist die Querschnittsfläche in mil².
IPC-2152 (2009) ist der aktuelle Standard. Er basiert auf modernen Messungen und ist weniger konservativ — er ermöglicht engere Leiterbahnen oder höhere Ströme als IPC-2221 bei gleichem Temperaturanstieg. Bei einer externen Stromleitung von 10 A und einem Anstieg von 10 °C ermöglicht IPC-2152 eine um 30— 40% schmalere Leiterbahn als IPC-2221. Verwenden Sie IPC-2152 für neue Designs. Verwenden Sie IPC-2221 nur, wenn Ihr Kunde es namentlich benötigt.Budget für den Temperaturanstieg
Die Spurentemperatur ist die Summe aus Umgebungstemperatur plus Anstieg:
„MATHBLOCK_1“
Für FR4 liegt die Glasübergangstemperatur (Tg) in der Regel bei 130—170 °C. Bleiben Sie mindestens 20 °C unter Tg. Bei einer Umgebungstemperatur von 70 °C (in einem heißen Gehäuse) liegt Ihre maximale Trace-Temperatur bei ~110 °C, sodass nur 40 °C für den Anstieg übrig bleiben.
Typische Konstruktionsziele:
- Unterhaltungselektronik: Anstieg um 10 °C
- Industriell: Anstieg um 20—30 °C
- Leistungselektronik: Anstieg um 30—40 °C
Externe Schichten im Vergleich zu internen Schichten
Interne Leiterbahnen werden heißer, weil sie die Wärme nicht an die Luft abgeben können — nur durch das PCB-Laminat (schlechter Wärmeleiter, ~0,3 W/m·K gegenüber ~150 W/m·K bei Kupfer). Der IPC-2221 *k*-Faktor von 0,024 für interne Geräte und 0,048 für externe Geräte spiegelt dies direkt wider. Interne Leiterbahnen benötigen bei gleichem Strom- und Temperaturanstieg etwa das Zweifache der Querschnittsfläche.
Gewicht und Querschnitt des Kupfers
| Kupfergewicht | Dicke | Fläche für 1 mm breite Leiterbahn |
|---|---|---|
| ½ oz | 17,5 µm (0,7 mil) | 0,7 mil² pro mil Breite |
| 1 Unze | 35 µm (1,4 mil) | 1,4 mil² pro mil Breite |
| 2 Unzen | 70 µm (2,8 mil) | 2,8 mil² pro mil Breite |
| 3 Unzen | 105 µm (4,2 mil) | 4,2 mil² pro mil Breite |
Widerstand und Spannungsabfall
Prüfen Sie den Spannungsabfall, auch wenn die thermischen Grenzwerte eingehalten werden:
„MATHBLOCK_2“
Widerstandskraft des Kupfers *λ* = 1,72×10Ω·m bei 20 °C, Temperaturkoeffizient *α* = 0,00393/°C.
Für eine 100 mm, 1 mm breite, 1 Unze große Leiterbahn mit 3A:
- R = 0,049 Ω
- V_Drop = 0,15 V
- P_Verlust = 0,44 W
Praktische Tipps
- Gießen Sie Kupfer auf Stromschienen, anstatt Leiterbahnen zu verlegen. Ein 10 mm dickes Kupferguß bei einer Dosierung von 1 Unze reicht für 20 A+ bei einem Anstieg von <5 °C.
- Thermische Durchlässigkeiten unter heißen Spuren verbessern die Wärmeverteilung. Stellen Sie sie in einem Abstand von 0,5—1 mm auf.
- Verifizieren Sie mit einer IR-Kamera an Ihrem ersten Prototyp. Die berechneten Werte gehen von idealen Bedingungen aus — echte Platinen laufen aufgrund der angrenzenden Komponenten und des Luftstroms oft kühler oder heißer.