Zusammenhang zwischen Kupferdicke, Leiterbahnbreite und Stromtragfähigkeit

Theoretisch wird die Stromtragfähigkeit einer Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) durch den Querschnitt der Leiterbahn und den Temperaturanstieg bestimmt. Außerdem ist der Querschnitt der Leiterbahn direkt proportional zur Leiterbahnbreite und zur Kupferdicke. Nun stellt sich die Frage: Gilt diese Regel auch für die Beziehung zwischen Stromtragfähigkeit und Leiterbahnquerschnitt, das heißt, ist die Stromtragfähigkeit der Leiterbahn direkt proportional zu ihrem Querschnitt? Bei demselben Temperaturanstieg von 10 °C kann eine 10‑mil‑Leiterbahn mit 1 oz Kupfergewicht maximal einen Strom von 1 A führen, und wir sind uns sicher, dass eine 50‑mil‑Leiterbahn einen Strom von mehr als 1 A führen kann. Wie hoch genau ist dann der maximale Strom, den sie führen kann – 5 A, basierend auf einer einfachen Multiplikationsrechnung? In Wirklichkeit ist es weitaus komplizierter. Gemäß MIL‑STD‑275 wird uns mitgeteilt, dass der maximale Strom, den eine 50‑mil‑Leiterbahn aushalten kann, 2,6 A beträgt.

Nichtsdestotrotz wurde die obige Tabelle nach und nach durch die IPC-2221 „Generic Standard on Printed Board Design“ als Referenz ersetzt, auf deren Grundlage einLeiterplatteist genau konzipiert.

Einheit zur Messung der Kupferdicke

Bevor eine echte Diskussion geführt werden kann, ist es notwendig, eine Einheit nachzuschlagen, die für die Kupferdicke verwendet wird: Unze (oz). Sie wird allgemein als Einheit zur Gewichtsmessung anerkannt, aber im Leiterplattendesign wird sie zur Messung der Kupferdicke eingesetzt. Bei der Umrechnung der Kupferdicke in Unzen müssen einige Regeln beachtet werden. Da die Spezifikationen von Kupfer anhand des Kupfergewichts pro Quadratfuß gemessen werden, bezieht sich die üblicherweise erwähnte 1 oz tatsächlich darauf, dass jeder Quadratfuß dieses Kupfers 1 oz wiegt. In solchen Fällen gilt: Je dicker das Kupfer ist, desto mehr wiegt es, da das Kupfergewicht direkt proportional zu seiner Dicke ist. Daher kann die Kupferdicke durch die Gewichtseinheit Unze dargestellt werden. Darüber hinaus kann die Unze auch in Einheiten von Millimetern oder Mil umgerechnet werden. Einige gängige Umrechnungen sind nachfolgend aufgeführt:
0,5oz = 0,0007inch = 0,7mils = 0,018mm
1.0oz = 0,0014inch = 1,4mils = 0,035mm
2,0oz = 0,0034inch = 2,8mils = 0,070mm

Zusammenhang zwischen Querschnittsfläche der Leiterplatten-Kupferfolie, maximaler Stromtragfähigkeit und Temperaturanstieg

Basierend auf der Erläuterung in Abschnitt 6.2 der IPC-2221, also den Anforderungen an leitfähige Materialien, kann die Stromtragfähigkeit weiter in zwei Typen unterteilt werden: interne Leiter und externe Leiter. Die maximale Stromtragfähigkeit interner Leiter ist als die Hälfte derjenigen externer Leiter definiert. Tabelle 6-4 in IPC-2221 zeigt die Beziehung zwischen Kupferfolien-Querschnittsfläche, Temperaturanstieg und maximaler Stromtragfähigkeit bei externen und internen Leitern.

Außerdem wurde auf Grundlage der obigen Tabellen eine vereinfachte Formel zusammengefasst:Ich= KΔT0,44A0,75

In dieser Formel ist K ein Korrekturfaktor. Er entspricht 0,024 für interne Leiter und 0,048 für externe Leiter. ΔT ist die maximale Temperaturdifferenz und bezeichnet die Temperaturdifferenz zwischen dem erhitzten Kupfer und der Umgebungstemperatur; ihre Einheit ist Grad Celsius (°C). A bezeichnet die Querschnittsfläche der Kupferleiterbahn; ihre Einheit ist Quadratmil (mil²).Ichbezieht sich auf die aktuelle Stromtragfähigkeit mit der Einheit Ampere (Amp).

Dank der Entwicklung der Elektroniktechnologie stehen Leiterplattenentwicklern einige Online-Leiterbahnrechner zur Verfügung. Es ist ein so praktisches Werkzeug, dass, sobald der erforderliche Strom und das Kupfergewicht eingegeben sind, die entsprechenden Leiterbahnbreiten für Innenleiter und Außenleiter bereitgestellt werden.Leiterbahnbreiten-RechnerundANSI IPC-2221A Leiterbahnbreiten-Rechner für Leiterplattengehören zu den soeben vorgestellten Werkzeugen.

Elemente zur Bestimmung der maximalen Stromtragfähigkeit

Obwohl eine einfache Formel direkt zur Berechnung der maximalen Stromtragfähigkeit verwendet werden kann, sind praktische Fälle nicht so einfach und direkt. Das liegt daran, dass die Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen neben dem Querschnitt und der Temperaturerhöhung auch von anderen Faktoren wie der Anzahl der Bauteile, Pads und Vias abhängt.

Bei Leiterbahnen mit vielen verteilten Pads weist die verzinnte Leiterbahn eine deutlich höhere Stromtragfähigkeit auf als gewöhnliche Leiterbahnen. Es ist keine Seltenheit, dass Ingenieure Leiterplatten vorfinden, bei denen eine Leiterbahn zwischen Pads durchgebrannt ist, weil ein hoher Strom hindurchfließt. Der Grund für ein solches Unglück liegt darin, dass zu viel Lotpaste auf Bauteilen oder Pins zu einer vergrößerten Querschnittsfläche führt, während an der Leiterbahn zwischen den Pads keine Änderung vorgenommen wird. Infolgedessen kann es, sobald die Stromversorgung eingeschaltet wird oder eine nachträgliche Änderung an der Leiterbahn vorgenommen wird, zu einem sehr großen transienten Stromstoß oder sogar zum Durchbrennen einer Leiterbahn zwischen den Pads kommen.

Eine der Lösungen für dieses Problem liegt in der Vergrößerung der Leiterbahnbreite. Wenn eine Leiterbahn nicht verbreitert werden darf, kann auf Leiterbahnen, die dazu neigen, durchzubrennen, Lötstopplack aufgetragen werden und Lötpaste sollte aufgedruckt werden inSMT (Oberflächenmontagetechnologie)Verfahren. Nach dem Reflow-Löten wird die Leiterbahnbreite zunehmen, sodass auch die Stromtragfähigkeit steigt.

Kurz gesagt: Obwohl die Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen anhand der von der IPC bereitgestellten Tabellen oder einer Formel ermittelt werden kann, gelten diese nur für die Berechnung gerader Leiterbahnen. In der realen Leiterplattenfertigung oder -bestückung müssen jedoch Staub- oder Verunreinigungseinflüsse sorgfältig berücksichtigt werden, da Verschmutzungen möglicherweise zum teilweisen Unterbrechen von Leiterbahnen führen können. Daher muss bei der Auslegung der maximalen Stromtragfähigkeit – unabhängig von der verwendeten Methode – ein Sicherheitsfaktor hinzugefügt werden, um eine Überlastung zu verhindern.

Darüber hinaus muss den Wendungen von Leiterbahnen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Wenn in einer Leiterbahn ein spitzer Winkel auftritt, kann dies zu einem nicht gleichmäßigen Übergang führen, was möglicherweise nur geringen Einfluss auf einen kleinen Strom oder eine Leiterbahn mit großer Breite hat. Wenn es jedoch um eine geringe Stromtragfähigkeit geht, können Probleme auftreten.

Die Stromtragfähigkeit von Leiterplatten ist ein Aspekt, der bei der Entwicklung effektiver und zuverlässiger Schaltungen berücksichtigt werden muss. Allerdings reichen theoretische Berechnungen allein möglicherweise nicht aus, um in der Praxis fundierte Entscheidungen zu treffen. Deshalb ist die Verwendung von Industriestandards wie IPC-2221 notwendig, damit Ihre Leiterplatte unter realen Betriebsbedingungen wie vorgesehen funktioniert.

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