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Thermal

Anstieg der PCB-Spurentemperatur

Berechnen Sie den Anstieg der PCB-Kupferleiter-Temperatur unter Laststrom mit IPC-2152

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Formel

ΔT=(I/(k×Wb))(1/c)—IPC−2152ΔT = (I / (k × W^b))^(1/c) — IPC-2152

Referenz: IPC-2221B Appendix B (external layers)

ΔT— Temperaturanstieg gegenüber der Umgebungstemperatur (°C)
I— Strom verfolgen (A)
k— IPC-2221-Konstante (extern: 0,048)
b— IPC-2221-Exponent (0,44)
c— IPC-2221 Querschnittsexponent (0,725)

Wie es funktioniert

Der PCB Trace Temperature Calculator berechnet den stationären Temperaturanstieg für stromführende Leiterbahnen — unverzichtbar für Leistungselektronik, Motortreiber und LED-Schaltungen, bei denen eine Überhitzung der Leiterbahnen zum Ausfall der Lötstelle und zur Delaminierung der Leiterplatte führt. Anhand dieser Daten überprüfen Wärmetechniker, ob die Designs unter der Glasübergangstemperatur von FR4 (Tg = 130-180 °C) bleiben, wobei angemessene Sicherheitsabstände eingehalten werden.

Gemäß IPC-2152 (ersetzt die veralteten IPC-2221-Daten aus den 1950er Jahren) folgt der Temperaturanstieg der empirischen Formel: DeltaT = (I/(k x A^b)) ^ (1/c), wobei k=0,048 für externe Spuren, 0,024 für interne Spuren, A die Querschnittsfläche in mils^2 und b=0,44, c=0,725 ist. Interne Leiterbahnen sind bei gleichem Strom 40-50% heißer als externe, da die Konvektionskühlung durch das umgebende Dielektrikum blockiert wird.

Aktuelle Temperatur = Umgebungstemperatur + DeltaT. Bei einem Temperaturanstieg von 20 °C bei 25 °C Umgebungstemperatur werden 45 °C erreicht; bei 85 °C erreicht die Fahrzeugumgebung 105 °C — was sich der Lötmittelrücklauftemperatur (183-220 °C) nähert und die langfristige Zuverlässigkeit gefährdet. Gemäß IPC-9701A halbiert jeder Temperaturanstieg um 10 °C die Lebensdauer der Lötverbindung aufgrund thermischer Wechselbeanspruchung.

Der spezifische Kupferwiderstand steigt gemäß ASTM B193 um 0,393% /C. Eine Leiterbahn bei 75 °C (50 °C über der Referenztemperatur von 25 °C) hat einen um 20% höheren Widerstand als bei Raumtemperatur berechnet. Dadurch entsteht eine positive Rückkopplung, die bei hohen Strömen zu thermischem Durchlaufen führen kann. Bei Konstruktionsberechnungen sollte die Temperatur im ungünstigsten Fall als Widerstandswert verwendet werden.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Überprüfen Sie eine 1,5 mm breite, 2 Unzen Kupfer (70 um) lange interne Leiterbahn, die 4 A durchgehend auf einer 4-lagigen Platine bei einer Umgebungstemperatur von 55 °C enthält. Die zulässige Höchsttemperatur beträgt 105 °C.

Lösung gemäß IPC-2152:

  1. Querschnittsfläche: A = 1,5 mm x 70 um = 105.000 um^2 = 163 mils^2
  2. Interne Schichtkonstante: k = 0,024
  3. Temperaturanstieg: DeltaT = (4/(0,024 x 163^0,44)) ^ (1/0,725)
  4. Berechne: 163^0,44 = 9,1; 0,024 x 9,1 = 0,218; 4/0,218 = 18,3; 18,3^1,38 = 46,5 C
  5. Aktuelle Temperatur: T = 55 C + 46,5 C = 101,5 C
  6. Marge: 105C — 101,5C = 3,5C — unzureichender Spielraum!
Lösung: Entweder (1) die Leiterbahn auf 2 mm verbreitern (reduziert den Anstieg auf 35 °C), (2) 3 Unzen Kupfer verwenden (reduziert den Anstieg auf 32 °C) oder (3) die Leiterbahn auf die äußere Schicht verschieben (reduziert den Anstieg auf 23 °C aufgrund der konvektiven Kühlung).

Praktische Tipps

  • ✓Ziel ist ein Anstieg von 10 °C für konservatives Design, 20 °C für kompakte Leiterplatten, maximal 30 °C für kostenoptimierte Konsumgüter — gemäß den Empfehlungen von IPC-2152, Tabelle 6-1.
  • ✓Fügen Sie Kupferguss um die Stromleitungen hinzu — die thermische Streuung verbessert die effektive Kühlung um 15 bis 25% pro thermischer Simulationsstudie, wodurch der Temperaturanstieg bei gleichem Strom reduziert wird.
  • ✓Für Automobile (85 °C Umgebungstemperatur): Verwenden Sie externe Schichten mit 2 Unzen Kupfer für Stromleitungen — bietet eine doppelte Stromkapazität im Vergleich zu 1 Unze internen Schichten bei gleichem Temperaturanstieg.

Häufige Fehler

  • ✗Bei Verwendung von IPC-2221-Diagrammen, die auf Militärdaten der 1950er Jahre basieren, wird die aktuelle Kapazität um 20-40% unterschätzt. IPC-2152 (2009) verwendet moderne thermische Modellierung, die durch Tests validiert wurde, und ist Industriestandard.
  • ✗Die Berechnung bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, wenn das Produkt bei 55-85 °C betrieben wird — gemäß IPC-9701A beschleunigt eine hohe Betriebstemperatur die Lötermüdung erheblich. Addieren Sie immer die tatsächliche Umgebungstemperatur zum berechneten Temperaturanstieg.
  • ✗Ignoriert die thermische Belastung der inneren Schicht — interne Leiterbahnen sind laut IPC-2152 um 40 bis 50% heißer als externe, da die Wärme durch das Dielektrikum geleitet werden muss, anstatt sich in die Luft zu konvektieren. Die Größe der internen Stromleitungen ist um 50 bis 100% breiter.

Häufig gestellte Fragen

Abhängig von der Anwendung gemäß IPC-2152: Unterhaltungselektronik steigt aufgrund von Zuverlässigkeitsanforderungen in der Regel um 20—30 °C; in der Industrie um 10—20 °C; in der Automobil-/Luft- und Raumfahrt maximal 10 °C. Die Lötstelle ist die entscheidende Einschränkung: Jeder Zyklusbereich von 10 °C verdoppelt den Ermüdungsschaden gemäß IPC-9701A. Halten Sie die Gesamttemperatur (Umgebungstemperatur + Anstieg) unter 105 °C, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Gemäß IPC-2152 skaliert die aktuelle Kapazität auf A^0,725, wobei A die Querschnittsfläche ist. Eine Verdoppelung der Breite (gleiche Dicke) erhöht die Kapazität um das 2^0,725 = 1,65-fache (65%), nicht um das 2-fache, da breitere Leiterbahnen auch eine größere Oberfläche für die Kühlung haben. Bei gleichem Temperaturanstieg: 1 mm Leiterbahn bei 2 A; 2 mm Leiterbahn bei 3,3 A; 3 mm Leiterbahn bei 4,5 A.
Ja — Die IPC-2152-Formeln verwenden direkt die Querschnittsfläche. 1 Unze Kupfer (35 um) bei 1 mm Breite hat A = 35.000 um^2; 2 Unzen (70 um) bei gleicher Breite haben A = 70.000 um^2, was die Stromkapazität um das 1,65-fache erhöht. Dickeres Kupfer verbessert auch die Wärmeverteilung und bietet einen zusätzlichen Kapazitätsbonus von 5-10% pro thermischer Modellierung.
Gemäß IPC-2152: (1) Umgebungstemperatur — addiert sich direkt zum berechneten Anstieg; (2) Angrenzende Leiterbahnen — thermische Kopplung erhöht 5—15 °C; (3) Kupfer — verbessert die Wärmeverteilung um 15-25%; (4) Lötmaske — fängt Wärme ein, fügt 5-10 °C hinzu; (5) Leiterplattenmaterial — FR4 leitet Wärme besser als Polyimid. Berücksichtigen Sie für diese Faktoren eine Marge von 20-30%.
Gemäß den Entwurfsrichtlinien von IPC-2152: (1) Während des ersten Entwurfs — Größe der Leiterbahnen für den erwarteten Strom; (2) Nach dem Layout — Überprüfung der tatsächlichen Leiterbahnlängen und der Kupferverteilung; (3) Nach jedem Stromanstieg; (4) Für die Produktion — Messen Sie die tatsächliche Temperatur an Prototypen mit einer IR-Kamera oder Thermoelementen. Die Berechnung erfolgt unter ungünstigsten Betriebsbedingungen.

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