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Leiterplattentechnik Strom und Temperatur – eine komplexe Beziehung

Douglas G. Brooks, Ph.D., Dr. Johannes Adam*

Anbieter zum Thema

ADAM Research Berechnungen und Dienstleist.
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Die Graphen der Designrichtlinie IPC-2152 stehen nun als Gleichungen zur Verfügung und ermöglichen dem Entwickler eine elegante Abschätzung der Leiterbahntemperatur auf Grund der Strombelastung.

Bild 1: Temperaturgebirge um eine stromdurchflossene Leiterbahn(Bild: Adam Research)
Bild 1: Temperaturgebirge um eine stromdurchflossene Leiterbahn
(Bild: Adam Research)

Vor 2009 hatten Baugruppenentwickler, die sich mit Leiterbahntemperaturen beschäftigt haben, nur ein Tool zur Verfügung, nämlich einen mäßig überprüften "vorläufigen" Satz von Kurven zweier Mitarbeiter des National Bureau of Standards aus dem Jahr 1956 (siehe historischer Abriss in [3]).

Diese Kurven wurden immer wieder kopiert und wiederveröffentlicht, bis sie im Militärstandard [1] und schließlich in der IPC Designrichtlinie [2] landeten. Leiterplattenentwickler haben sie seitdem immer weiterverwendet und viele Onlinetools im Web gründen auf ihnen.

Im Jahr 2009 hat das IPC einen neuen Standard, IPC-2152, "Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design" veröffentlicht [3]. Dies ist wohl die erste, am besten erforschte, bestkontrollierte und umfangreichste Untersuchung über Stromstärke und Leitertemperatur in der Geschichte unserer Industrie. Sie ist über 90 Seiten lang und enthält über 75 Diagramme und Tabellen. Es gibt nur zwei Probleme damit: Die Darstellung ist unhandlich und sperrig in der Benutzung und außerdem ist das Temperaturproblem zu komplex, um in eine Sammlung von Graphen komprimiert werden zu können.

Deshalb haben wir für diesen Artikel die Kurven in einen Satz von Gleichungen überführt und sie mit einem thermischen Simulationsmodell überprüft. Weitergehende Ausführungen über Empfindlichkeit der Formeln auf Änderungen anderer Faktoren (z.B. benachbarte Leiterbahnen und Lagen, andere Materialparameter etc.) werden in [4] ausgiebiger diskutiert. Die allgemeine Schlussfolgerung wird aber sein, dass eine thermische Optimierung der Leiterplattenfläche ohne den Einsatz von spezieller thermischer Software schwerlich möglich sein wird.

Originalbeitrag als ePaper oder im pdf-Format lesen

Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 16/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Temperatur- und Kühleffekte von Leiterbahn und Umgebung

Wenn ein Strom (I) durch eine Leiterbahn fließt, wird eine Wärmeleistung gemäß I2R erzeugt. Diese Leistung heizt die Leiterbahn. Gleichzeitig wird sie durch Wärmeleitung in das Board, Konvektion an die umgebende Luft und Wärmestrahlung gekühlt.

Die eingeschwungene Endtemperatur wird erreicht, wenn die Kühlungseffekte genau so groß sind wie die Heizleistung. Der elektrische Widerstand (R) hängt vom Querschnitt (Breite mal Höhe) der Leiterbahn, der Länge sowie vom elektrischen Materialwiderstand des Kupfers und somit von der Temperatur selbst ab. Die Kühlung hängt zusätzlich auch von der wärmeabführenden Grundfläche (Länge mal Breite) der Leiterbahn ab. Es sind damit alle geometrischen, elektrischen und thermischen Variablen untereinander gekoppelt.

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