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)

Strombelastbarkeit von Leiterbahnen nach IPC-2221

Maximale Strombelastbarkeit [A] in Abhängigkeit zur Temperaturerhöhung in Grad [°]

2 Lagen - 35µm Kupfer

Leiterbahn 10°20°30°40°50°60°
Leiterbahn0.1mm 4mil10°0.4A20°0.6A30°0.8A40°0.9A50°1.0A60°1.1A
Leiterbahn0.2mm 8mil10°0.7A20°1.0A30°1.2A40°1.4A50°1.6A60°1.7A
Leiterbahn0.3mm 12mil10°0.9A20°1.3A30°1.6A40°1.8A50°2.0A60°2.2A
Leiterbahn0.4mm 16mil10°1.1A20°1.5A30°1.9A40°2.2A50°2.4A60°2.7A
Leiterbahn0.5mm 20mil10°1.3A20°1.8A30°2.2A40°2.5A50°2.8A60°3.1A
Leiterbahn0.6mm 24mil10°1.4A20°2.0A30°2.4A40°2.8A50°3.1A60°3.4A
Leiterbahn0.7mm 28mil10°1.6A20°2.2A30°2.7A40°3.1A50°3.5A60°3.8A
Leiterbahn0.8mm 32mil10°1.7A20°2.4A30°2.9A40°3.4A50°3.8A60°4.1A
Leiterbahn0.9mm 36mil10°1.8A20°2.6A30°3.2A40°3.7A50°4.1A60°4.5A
Leiterbahn1.0mm 40mil10°2.0A20°2.8A30°3.4A40°3.9A50°4.4A60°4.8A
Leiterbahn1.5mm 60mil10°2.5A20°3.6A30°4.4A40°5.1A50°5.7A60°6.2A
Leiterbahn2.0mm 80mil10°3.0A20°4.3A30°5.3A40°6.1A50°6.8A60°7.5A
Leiterbahn3.0mm 120mil10°3.9A20°5.6A30°6.8A40°7.9A50°8.8A60°9.7A
Leiterbahn4.0mm 160mil10°4.7A20°6.7A30°8.2A40°9.5A50°10.6A60°11.6A
Leiterbahn5.0mm 200mil10°5.5A20°7.7A30°9.5A40°10.9A50°12.2A60°13.4A
Leiterbahn6.0mm 240mil10°6.1A20°8.7A30°10.6A40°12.3A50°13.7A60°15.1A
Leiterbahn7.0mm 280mil10°6.8A20°9.6A30°11.7A40°13.6A50°15.2A60°16.6A
Leiterbahn8.0mm 320mil10°7.4A20°10.4A30°12.8A40°14.8A50°16.5A60°18.1A
Leiterbahn9.0mm 360mil10°8.0A20°11.3A30°13.8A40°15.9A50°17.8A60°19.5A
Leiterbahn10.0mm 400mil10°8.5A20°12.1A30°14.8A40°17.0A50°19.1A60°20.9A

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

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.

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.

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://preis-ing.de/extras/alle-berechnungen-im-schnellzugriff/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