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Temperatursensitivität der Leiterbahnen

Zudem untersuchten wir die Sensitivität der Temperatur Leiterbahnen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Einflüssen. Dabei wurde der Einfluss folgender Parameter auf die Temperatur untersucht: Leiterbahndicke, Leiterbahnlänge, Temperaturgradient, Zeitdauer bis zur Stabilisierung des Profils, Präsenz von darunterliegenden Kupferlagen und benachbarten Leiterbahnen sowie Leiterplattenbasismaterial.

Anhand des Beispiels Leiterbahnlänge soll hier die Temperatursensitivität dargestellt werden: Das Basismodell war eine Leiterbahn mit einer Länge von 150 mm, einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 2 oz (70 µm). Mit 15 A belastet ergeben sich bei Raumtemperatur im Mittelpunkt 115 °C. Aber die Temperatur an den Einspeisepunkten (vgl. Bild 4) liegt hier nur bei 80 °C. Das liegt an der großen Fläche des Halbraumes, der am Ende der Leiterbahn links und rechts zur Wärmeabgabe zur Verfügung steht. Wenn wir nur die Länge der Leiterbahn verändern, ändern sich die Mittelpunkttemperaturen folgendermaßen:

Leiterbahnlänge 150 mm --- ΔT_max 95 K

Leiterbahnlänge 50 mm --- ΔT_max 80 K

Leiterbahnlänge 25 mm --- ΔT_max 65 K

Je kürzer die Leiterbahn ist, desto größer ist der Anteil der Abschlusshalbkreise an der kühlenden Gesamtfläche und desto niedriger wird die Maximaltemperatur. Im Gegensatz wird eine Leiterbahn, die am Rand der Leiterplatte liegt und aus geometrischen Gründen keine kühlenden Flächen besitzt, etwas wärmer sein.

Aus Platzgründen ist eine genaue Ausführung nicht möglich, deswegen verweisen wir auf die Originalpublikation [7] und das umfangreichere White Paper [4].

Zusamenfassung der Simulationsergebnisse

Die Ergebnisse der Simulationen fassen folgendermaßen zusammen:

• Je höher die Leiterbahntemperatur, desto sensibler reagiert sie auf Parameteränderungen.

• Abgesehen davon, dass mit Polyimid ein gut leitendes Basismaterial benutzt wurde, repräsentieren die IPC Kurven im Allgemeinen "worst case" Scenarios. Unsere Variationen haben immer zu einer niedrigeren Temperatur geführt.

• Komplexe Geometrien, wie die Stege in Wärmefallen oder die Kupferhülsen in Bohrungen haben wir noch nicht betrachtet. Die Heizung folgt zwar dem gleichen I²R-Gesetz aber die Kühlungsbedingungen sind geometrisch komplizierter. Daher raten wir, die IPC Diagramme nicht für diese Art Geometrien "umzubiegen".

Letztendlich gibt es eine alles bestimmende Schlussfolgerung: Die Beziehung zwischen Strom und Temperatur ist sehr komplex, zu komplex, um sie in einem Satz von Formeln oder Kurven abbilden zu können. Da Boardfläche wirklich teuer ist, wollen Entwickler natürlich die feinsten Leiterbahnen realisieren. Die Optimierung des Platzbedarfs unter Berücksichtigung der Temperaturaspekte scheint aus meiner Sicht ohne thermische Simulationen nicht möglich zu sein.

Der Originalartikel wurde veröffentlicht in [7]. Übersetzt und gekürzt von Johannes Adam.

Literaturhinweise:

[1] MIL-STD-275E, “Printed Wiring for Electronic Equipment” p. 34, 31 December, 1984

[2] IPC-2221, “Generic Standard on Printed Board Design” www.IPC.org, 1998

[3] IPC-2152, “Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design” August, 2009, www.IPC.org.

[4] Brooks, D. and Adam, J., “Trace Currents and Temperatures Revisited” bei www.ultracad.com, 2015

[5] TRM von www.adam-research.de

[6] IPC-TM-650, Test Methods Manual, Number 2.5.4.1A “Conductor Temperature Rise Due to Current Changes in Conductors” http://www.ipc.org/test-methods.aspx

[7] Brooks, D., Adam, J., “Trace current temperature relationship” Printed Circuit Design & Fab Circuits Assembly, June Vol. 32 No.6, pp. 22-27, 2015

* Douglas G. Brooks, Ph.D ist President von UltraCAD Design Inc. in Kirkland, WA /USA.

* Dr. Johannes Adam ist Inhaber von ADAM Research in Leimen

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