Leiterbahn / Strombelastbarkeit

Im Folgenden werden die Einflussfaktoren auf die Strombelastbarkeit von Leiterplatten im Zusammenhang mit der Wärmeentwicklung auf den Leiterbahnen benannt, um  praktische Hinweise für die Umsetzung zu geben. Bei diesem komplexen Thema können wir Ihnen nur ein grundsätzliches Dimensionierungsgefühl vermitteln, wenn es ganz Genau werden soll verwenden Sie bitte entsprechende Spezial-Software, welche Leiterbild, Lagenaufbau und Zeit berücksichtigen kann. (s. TRM www.adam-research.de)

Vorgeschichte

Die Design-Richtlinie IPC-2221 (Vorgängerdokument: MIL-STD 275) ist die Standarddatenquelle für die Gleichstrom-Temperaturbelastbarkeit von Leiterbahnen. Die Messungen dazu stammen vom National Bureau of Standards (NBS) aus den 1950er Jahren und beziehen sich auf eine 1,6mm dicke Leiterplatte mit einer geradlinigen strombelasteten Leiterbahn (Dicke 35µm) sowie einer 35um Cu-Vollfläche auf der Rückseite. Sie berücksichtigen nicht das umgebende Medium (Luftdruck, Bewegung) oder die Layoutdichte.

In den 1960er Jahren gibt die amerikanische Zeitschrift Design News abgeänderte Empfehlungen heraus. Mitte der 80er kommt in Deutschland die DIN IEC 326 heraus, welche sich dem Thema annimmt. Die ermittelten Werte sind mit allen Vor- und Nachteilen denen der Design News recht ähnlich.

Die angegebenen Tabellen können also nur zur groben Abschätzung der Temperaturentwicklung  verwendet werden.

Wärmeentwicklung auf Außenlagen

Die folgenden Diagramme dienen der Abschätzung der Wärmeentwicklung auf einzelnen Außenlagen, abhängig von Strom und Leiterbahnbreite- bzw. dicke. Sie gelten für Leiterplatten mit Leiterbild auf einer Seite, 1.6 - 3.2mm Nenndicke und Kupfer als Leiterwerkstoff. Zusätzliche Metallisierungen wie Nickel, Gold oder Zinn bleiben unberücksichtigt.
(Grafik laut DIN IEC 326).

Leiterbahndicke 18µm

Leiterbahn 18µm Strombelastbarkeit

Leiterbahndicke 35µm

Leiterbahn 35µm Strombelastbarkeit

Leiterbahndicke 70µm

Leiterbahn 70µm Strombelastbarkeit

Leiterbahndicke 105µm

Leiterbahn 105µm Strombelastbarkeit

Maximale Stromstärke bei gewünschter Erwärmung von 20K / 20°C

Beispiel für2 Lagen Leiterplatte, 35µm Cu, Erwärmung um 20K (°C)
Leiterbreite max Stromstärke
Leiterbreite100µmmax Stromstärke0,6 A
Leiterbreite200µmmax Stromstärke1,0 A
Leiterbreite300µmmax Stromstärke1,3 A
Leiterbreite400µmmax Stromstärke1,5 A
Leiterbreite500µmmax Stromstärke1,8 A
Leiterbreite600µmmax Stromstärke2,0 A

Die Berechnung der Werte ist eine Näherung aus den abgeleiteten Formeln der IPC 2221 (s. unten). Leichte Abweichung zu den Grafiken weiter oben (laut DIN IEC 326) sind der Komplexität des Themas geschuldet. Eine grobe Abschätzung sollte damit aber möglich sein.

Formeln zur Berechnung der maximalen Stromstärke

Die von uns verwendete Formeln basieren auf den Erkenntnissen von Oliver Betz (www.oliverbetz.de) und sind eine Näherung aus den Formeln der IPC*, Design News und Dr. Johannes Adam.

I[A] = K  x h[mm]^0,5 x b[mm]^0,64 x ΔT[K]^0,5

I = Stromstärke
K = fester Faktor (2 Lagen: K = 3,3; 4 Lagen: K = 3,6)
b = Breite der Leiterbahn
h = Höhe der Leiterbahn
ΔT = Temperaturerhöhung in Kelvin (= Temperaturerhöhung in Grad °Celsius)

Bitte beachten: Trotz sorgfältiger Prüfung der Formeln kann keinerlei Garantie für die Richtigkeit übernommen werden!


Die originale* Formel der IPC:

I[A] = 9,6 x A[mm²]^0,68 x ΔT[K]^0,43

A = b x h der Leiterbahn

Die originale Formel der Design News:
I[A] = 6,4 x A[mm²]^0,69 x ΔT[K]^0,45

* In der original IPC-Dokumentation werden keine Formeln angegeben werden, diese wurden abgeleitet z.B. von Donald Brooks.

Weitere Hinweise

Durch das unvermeidbare Unterätzen  in der Leiterplattenproduktion, verändert sich die maximale Strombelastbarkeit der Leiter nicht proportional zum (rechnerischen) Leiterquerschnitt, da durch das Unterätzen der Leiter vom idealen rechteckigen Querschnitt abweicht.

Verdoppeln wir den Leiterquerschnitt durch eine höhere Kupferschichtdicke ohne die Leiterbreite zu verändern, so erhöht sich die maximale Strombelastbarkeit des Leiters nur um ca. 30% - 40%.

Um eine höhere Strombelastbarkeit zu erreichen, empfehlen wir nicht nur die Dicke der Kupfergrundkaschierung des Basismaterials zu beachten, sondern besser die Leiterbreite zu vergrößern. Dadurch wird eine bessere Wärmeableitung und somit wirkungsvollere Steigerung der Strombelastbarkeit  erreicht. Die Leiterplatte wird zudem günstiger zu produzieren.

Bei der Konzentration auf die Temperaturerhöhung (ΔT) des Leiters, kann die Länge der Leiterbahn meist(!) vernachlässigt werden. Laut dem Stefan-Boltzmann-Gesetz verhält sich die entstehende Wärmemenge (J) sowie die abgegebene Wärme direkt proportional zur Oberfläche, d.h. je mehr Wärme durch die Länge eines Leiters entsteht umso mehr Wärme kann abgegeben werden.

In Spezialfällen (sehr kurze Leiter, nahe an Wärmespreizern wie Stecker, etc.) greift diese Regel nicht und der Leiter bleibt kühler.

Die Orientierung der Leiter hat anscheinend einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Erwärmung: stehend erlaubt etwa 5% mehr Strom als liegend.

Innenliegende Leiter sind praktisch gleich belastbar wie außenliegende (hier irrte die IPC-2221).

Bei kritischen Anwendungen oder transienten Strömen empfiehlt sich im Vorfeld des Prototypenbaus eine rechnergestützte Optimierung mittels Simulation.

Tools und Software

Dr. Johannes Adam (früher Flomerics) bietet eine einfach zu benutzende 3D-Simulationssoftware für Leiterplatten an (TRM), ferner Berechnungen und Dienstleistungen im Bereich Elektronikkühlung und Wärmemanagement: www.adam-research.de

Weitere Tools, wie z.B. die Berechnung des Widerstands von Vias finden Sie hier: http://www.preis-ing.de/index.php/de/extras/alle-berechnungen/berechnung-widerstand-von-vias

Grundlagenwerke

Dr. Johannes Adam Neues von der Strombelastbarkeit von Leiterbahnen

Friar, Michael E. and McClurg, Roger H., "Printed Circuits and High Currents", Design News, vol. 23 no. 25, 1968-12-06

Hoynes d.s., NBS Report 4283 "Characterization of Metal-Insulator Laminates", von 1956.

IPC-2221A (Vorgängerdokument: IPC-D-275 bzw. MIL-STD 275) >> Neuauflage in der IPC-2152

DIN IEC 326, gedruckte Schaltungen, Leiterplatten, Gestaltung und Anwendung von Leiterplatten, Ausgabe 3/85