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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 × W^b))^(1/c) — IPC-2152

Referenz: IPC-2152 Table 5-1 (external layers)

ΔT— Temperature rise above ambient (°C)
I— Trace current (A)
k— IPC-2221 constant (external: 0.048)
b— IPC-2221 exponent (0.44)
c— IPC-2221 cross-section exponent (0.725)

Wie es funktioniert

Die Berechnung des Temperaturanstiegs auf Leiterplatten für Kupferspuren ist ein entscheidender Aspekt der Leistungsintegrität und des Wärmemanagements im Elektronikdesign. Der IPC-2221-Standard bietet eine umfassende Methode zur Bestimmung, wie viel Wärme in einer Kupferbahn erzeugt wird, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Das grundlegende Prinzip basiert auf der Beziehung zwischen Stromdichte, Leiterquerschnittsfläche und Wärmeableitung. Wenn Strom durch eine Leiterbahn fließt, kommt es zu einer Widerstandserwärmung, die zu einem Temperaturanstieg führt. Dieser Temperaturanstieg hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Leiterbahngeometrie, dem Kupfergewicht, der Umgebungstemperatur und der Stromstärke. Die Norm enthält empirische Formeln, die Ingenieuren helfen, die thermische Leistung vorherzusagen und zu steuern. So wird ein zuverlässiger Betrieb des Stromkreises gewährleistet und mögliche Ausfallarten aufgrund übermäßiger Erwärmung werden vermieden.

Bearbeitetes Beispiel

Stellen Sie sich eine 1-Unzen-Kupferspur auf einer Standard-FR-4-Leiterplatte mit einer Breite von 1 mm vor, die 2 A Strom überträgt. Berechnen Sie zunächst anhand der IPC-2221-Formel die Querschnittsfläche (35 μm dick für 1 Unze Kupfer). Bei der Berechnung des Temperaturanstiegs wird die Strombelastbarkeit anhand der Querschnittsfläche und der Materialeigenschaften der Leiterbahn bestimmt. In diesem Szenario würde der erwartete Temperaturanstieg etwa 15 bis 20 °C über der Umgebungstemperatur liegen. Die Techniker würden überprüfen, ob dieser Temperaturanstieg für die jeweilige Komponente und Anwendung innerhalb der akzeptablen Grenzen bleibt, sodass kein Risiko einer thermischen Verschlechterung oder Leistungseinbußen besteht.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie für Berechnungen immer die neueste IPC-2221-Standardrevision
  • ✓Erwägen Sie ein zusätzliches Wärmemanagement für Hochstromleitungen
  • ✓Verwenden Sie thermische Simulationssoftware, um manuelle Berechnungen zu validieren

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren von Kupfergewicht und Leiterbahnbreite bei thermischen Berechnungen
  • ✗Unter der Annahme einer linearen Wärmeableitung über alle Leiterplattenmaterialien
  • ✗Vernachlässigung der Umgebungstemperatur und der Kühlbedingungen

Häufig gestellte Fragen

In der Regel wird ein Temperaturanstieg von 10 bis 30 °C als sicher angesehen, abhängig von den spezifischen Leiterplattenmaterial- und Komponentenanforderungen.
Breitere Leiterbahnen haben einen geringeren Widerstand und können bei geringerem Temperaturanstieg mehr Strom übertragen, wodurch die thermische Leistung und Zuverlässigkeit verbessert werden.
Nein, das Kupfergewicht wirkt sich erheblich auf die Berechnung aus. Passen Sie die Formeln immer an das spezifische Kupfergewicht (oz/sqft) an.
Die Umgebungstemperatur, das Leiterplattenmaterial, die Leiterbahnlänge und die Nähe zu anderen wärmeerzeugenden Komponenten wirken sich alle auf die Spurentemperatur aus.
Führen Sie Berechnungen während des ersten Entwurfs und bei allen wesentlichen Konstruktionsänderungen durch, insbesondere für stromkritische Schaltkreise.

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