Leiterplattenspurbreite: IPC-2221 vs IPC-2152

# IPC-221 gegen IPC-2152: Was sollten Sie verwenden?

Sie messen also Spuren und fragen sich, welchem Standard Sie folgen sollen. Hier ist der Deal: IPC-2221 kam 1998 auf den Markt, aber es basiert tatsächlich auf Messungen von 1954. Ja, 1954. Die Formel ist einfach und konservativ:

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Der Faktor k beträgt 0,048 für äußere Spuren (die Spuren, die auf der oberen oder unteren Schicht der Luft ausgesetzt sind) und 0,024 für interne Spuren, die im Stapel vergraben sind. ΔT ist Ihr Temperaturanstieg in °C, und A ist die Querschnittsfläche in mil². Es funktioniert, aber nach modernen Maßstäben ist es zu vorsichtig.

IPC-2152 tauchte 2009 auf und hat das Spiel verändert. Sie führten tatsächlich neue Experimente mit modernen Leiterplattenmaterialien und Lagenaufbauten durch, anstatt sich auf Daten aus der Eisenhower-Ära zu verlassen. Das Ergebnis? Sie können schmalere Leiterbahnen für denselben Strom verwenden oder mehr Strom durch dieselbe Leiterbahnbreite leiten. Bei einer externen Leiterbahn von etwa 10 A mit einem Anstieg von 10 °C können Sie mit IPC-2152 eine Leiterbahn verwenden, die etwa 30— 40% schmaler ist als die Anforderungen von IPC-2221. Das ist echter Platz auf der Platine, den du zurückbekommst. Verwenden Sie für neue Designs IPC-2152. Zeitraum. Der einzige Grund, sich für IPC-2221 zu entscheiden, ist, wenn Sie es mit einem Kunden oder einer Zertifizierungsstelle zu tun haben, die den IPC-2221 in ihren Anforderungen ausdrücklich namentlich erwähnt. Andernfalls verschwenden Sie nur Platz für Kupfer und Platine.

Budget für Temperaturanstieg

Deine Spur existiert nicht im luftleeren Raum (naja, es sei denn, du arbeitest mit Weltraumgeräten). Die tatsächliche Temperatur, die sie erreicht, ist die Umgebungstemperatur plus dem Anstieg, den Ihr Strom verursacht:

FR4, das die meisten von uns verwenden, hat eine Glasübergangstemperatur (Tg), die je nach Qualität irgendwo zwischen 130 °C und 170 °C liegt. Du willst wirklich nicht in die Nähe von Tg kommen — das Board wird weich und merkwürdige Dinge passieren mechanisch. Bleib mindestens 20 °C darunter, mehr, wenn du kannst.

Hier wird es knifflig. Angenommen, Sie entwerfen etwas, das zusammen mit anderen wärmeerzeugenden Dingen in ein Gehäuse passt. Ihre Umgebung könnte 70 °C betragen, nicht die 25 °C, an die Sie normalerweise denken. Wenn der Tg deines Boards 130 °C beträgt und du den Sicherheitsabstand von 20 °C einhältst, liegt deine maximale Leiterbahntemperatur bei etwa 110 °C. Somit hast du nur noch ein Budget von 40 °C für den Temperaturanstieg, mit dem du arbeiten kannst. Nicht viel Kopffreiheit.

Die meisten Ingenieure verfolgen je nach Anwendung diese Ziele:

• Unterhaltungselektronik: Anstieg um 10 °C — sorgt dafür, dass sich das Gerät kühl anfühlt und die Zuverlässigkeit maximiert
• Industriegeschäfte: Temperaturanstieg um 20—30 °C — immer noch angemessen, die Komponenten sind dafür ausgelegt
• Leistungselektronik: Anstieg um 30—40 °C — du übertreibst es, aber manchmal brauchst du jeden Millimeter Platz auf der Platine

Das sind keine harten Regeln, sondern nur das, was in der Praxis funktioniert. Ich habe Stromversorgungsdesigns gesehen, die auf kurzen Leiterbahnsegmenten einen Temperaturanstieg von 50 °C hinnehmen, weil die thermische Masse gering ist und es keine Rolle spielt. Kontext ist alles.

Externe oder interne Ebenen

Hier werden die Leute oft überrascht. Interne Leiterbahnen — die Leitungen, die in Ihrem Stapel zwischen den Schichten liegen — sind deutlich heißer als externe Leiterbahnen, die denselben Strom übertragen. Warum? Wärmeableitung.

Durch äußere Spuren kann Wärme direkt in die Luft abgeführt werden (oder in Ihre Wärmebildkamera, wenn Sie herausfinden, warum etwas schmilzt). Interne Spuren sind von FR4 umgeben, einem schlechten Wärmeleiter. Wir sprechen von 0,3 W/m·K für FR4 gegenüber etwa 150 W/m·K für Kupfer. Wärme muss durch mehrere Schichten aus Glasfaser und Epoxid geleitet werden, um entweichen zu können, und das widerwillig.

Die IPC-2221-Formel erfasst dies mit dem Faktor k: 0,024 für intern, 0,048 für extern. Das ist ein zweifacher Unterschied. In der Praxis benötigen interne Leiterbahnen ungefähr die doppelte Querschnittsfläche, um denselben Strom bei gleichem Temperaturanstieg zu übertragen. Wenn Sie eine externe Leiterbahn mit 20 mm berechnet haben, planen Sie 40 Meilen (oder mehr) ein, wenn Sie sie intern verlegen müssen.

Die meisten Ingenieure versuchen, Hochstrompfade nach Möglichkeit auf externen Schichten zu platzieren. Wenn Sie die Stromversorgung unbedingt über eine interne Schicht leiten müssen, gehen Sie großzügig mit der Breite um. Ich habe genug Boards getestet, bei denen jemand annahm, dass intern und extern gleichwertig sind — das sind sie nicht, und deine Nase wird es dir sagen, wenn du es einschaltest.

Gewicht und Querschnitt des Kupfers

Das Kupfergewicht ist eine dieser Spezifikationen, die einfach erscheinen, bis Sie mit der Mathematik beginnen. Die Industrie verwendet Unzen pro Quadratfuß, was wunderbar unintuitiv ist. Folgendes bedeutet das tatsächlich für Ihre Spurendimensionen:

Standardgehäuse für Leiterplatten verarbeiten standardmäßig 1 Unze Kupfer. Es ist billig, allgemein bekannt und funktioniert für die meisten Dinge. Aber schauen Sie sich diese Tabelle an — wenn Sie von 1 Unze auf 2 Unzen wechseln, verdoppelt sich Ihre Querschnittsfläche bei gleicher Leiterbahnbreite. Das bedeutet, dass Sie (ungefähr) den doppelten Strom übertragen können, ohne die Leiterbahn zu erweitern. Oder Sie können die Leiterbahnbreite bei gleicher Stromkapazität halbieren.

Für Stromversorgungen und Motorsteuerungen spezifiziere ich normalerweise 2 Unzen Kupfer. Die Kostenerhöhung ist minimal, es sei denn, Sie produzieren große Serien, und das gibt Ihnen viel mehr Flexibilität beim Routing. Achten Sie nur auf die minimale Leiterbahnbreite und den Mindestabstand — dickeres Kupfer lässt sich schwerer sauber ätzen, sodass es in Ihrer Fabrik vorkommen kann, dass die Leiterbahnen mit 2 Unzen Kupfer auf 4 mm Leiterbahnen zurückgeschoben werden.

Widerstand und Spannungsabfall

Hier ist etwas, das Menschen beißt: Selbst wenn Ihre Spur thermisch gesund bleibt, haben Sie möglicherweise immer noch ein Problem. Der Spannungsabfall ist real und proportional zum Widerstand:

§2 §

Der spezifische Kupfer-Widerstand*α beträgt 1,72×10½-Ω·m bei 20 °C und er steigt mit der Temperatur an — der Koeffizient α* beträgt 0,00393 pro °C. Dieser Begriff in Klammern erklärt, dass der Widerstand steigt, wenn sich die Leiterbahn erwärmt.

Lassen Sie uns ein reales Beispiel durcharbeiten. Sie haben eine 100 mm lange und 1 mm breite Leiterbahn, die aus handelsüblichem 1 Unze Kupfer besteht. Du drückst 3A durch. Die Querschnittsfläche beträgt 1 mm × 0,035 mm = 3,5×10². Stecken Sie die Zahlen ein:

• R = (1,72×10× 0,1)/(3,5×10) = 0,049 Ω
• V_drop = I × R = 3 A × 0,049 Ω = 0,15 V
• P_Verlust = I² × R = 9 × 0,049 = 0,44 W

Das sind 0,15 V, die über Ihre Leiterbahn fallen. Wenn Sie eine 3,3-V-Leitung verwenden, haben Sie gerade 4,5% Ihres Spannungsbudgets verloren, bevor Sie die Last überhaupt erreicht haben. Bei einer 5-V-Schiene ist das erträglicher, aber bei allem, was Präzision oder Niederspannung angeht, ist das ein Problem.

Die Verlustleistung beträgt 0,44 W, was nicht nach viel klingt, aber sie verteilt sich über einen kleinen Bereich. Das verursacht den Temperaturanstieg, den wir zuvor berechnet haben. Lange Hochstromleitungen müssen breiter sein, sonst müssen Sie auf 2 Unzen Kupfer umsteigen. Manchmal beides.

Praktische Tipps

Okay, genug Theorie. Folgendes funktioniert tatsächlich, wenn du Bretter auslegst:

Gießen Sie Kupfer auf Stromschienen, anstatt Leiterbahnen zu verlegen. Ernsthaft. Ein 10 mm breiter Kupferguss mit einer Stärke von 1 Unze kann problemlos 20 A oder mehr bei einem Anstieg von weniger als 5 °C verarbeiten. Es hat einen niedrigeren Widerstand, eine niedrigere Induktivität und Sie müssen sich nicht um die Berechnung der Breiten für jedes Segment kümmern. Überfluten Sie einfach das Gebiet und machen Sie Schluss. Ich sehe Leute, die 100-Milli-Stromleitungen verlegen, obwohl sie ein Polygon gießen und mit weniger Aufwand eine bessere Leistung erzielen könnten. Verwenden Sie thermische Durchkontaktierungen unter heißen Leiterbahnen, um die Wärme zu verteilen. Wenn Sie eine Hochstromleiterbahn auf einer externen Schicht haben, legen Sie eine Reihe von Durchkontaktierungen darunter ab, um die Wärme in die internen Kupferschichten zu leiten und sie zu verteilen. Platzieren Sie sie alle 0,5 bis 1 mm entlang der Leiterbahn. Verwenden Sie 10- oder 12-mm-Durchstechflaschen — größer ist besser für die Wärmeübertragung. Dies ist besonders wichtig, wenn die Leiterbahn lang ist oder wenn Sie das Routing in der Nähe von thermischen Grenzwerten durchführen. Die internen Kupferflächen dienen als Kühlkörper. Überprüfen Sie alles mit einer IR-Kamera an Ihrem ersten Prototyp. Ich kann das nicht genug betonen. Bei all diesen Berechnungen wird von idealen Bedingungen ausgegangen: gleichmäßige Stromverteilung, keine benachbarten Wärmequellen, spezifischer Luftstrom, perfekte Verkupferungsdicke. Echte Bretter sind unordentlicher. Diese Spur läuft vielleicht kühler, weil sich in der Nähe eine Grundplatte befindet, die als Kühlkörper fungiert, oder sie läuft heißer, weil sie neben einem linearen Regler liegt, der 2 W abgibt. Die IR-Kamera sagt dir die Wahrheit. Flir stellt einen Telefonanschluss her, der für die meisten Arbeiten gut genug ist. Ich habe so viele Probleme mit meinem festgestellt, dass es sich beim ersten Projekt von selbst bezahlt gemacht hat.

Eine weitere Sache: Wenn Sie etwas mit starker Stromstärke tun — Motorantriebe, Netzteile, Batterieladung —, sollten Sie in Erwägung ziehen, Ihr Autohaus bei Ihrem ersten Durchlauf eine Querschnittsanalyse durchführen zu lassen. Sie schneiden Ihre Leiterplatte durch und messen die tatsächliche Kupferdicke und Leiterbahngeometrie. Die Dicke der Beschichtung variiert, und diese 1 Unze Kupfer kann tatsächlich 0,9 Unzen oder 1,1 Unzen betragen, je nachdem, wie das Beschichtungsbad an diesem Tag lief. Bei kritischen Konstruktionen ist es wichtig, die tatsächlichen Abmessungen zu kennen.

Berechnen Sie Ihre Leiterbahnabmessungen mit unserem PCB Trace Width Calculator — er zeigt die Ergebnisse von IPC-2221 und IPC-2152 nebeneinander an, sodass Sie den Unterschied erkennen und eine fundierte Entscheidung treffen können. Geben Sie den Strom, den Temperaturanstieg und das Kupfergewicht ein und Sie erhalten die Leiterbahnbreite, die Sie benötigen. Das geht viel schneller, als von Hand zu rechnen, und es ist einfach, verschiedene Szenarien auszuprobieren, um herauszufinden, was für Ihr Layout am besten geeignet ist.