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PCB-Leiterbahnbreitenrechner

Willkommen beim PCB-Leiterbahnbreitenrechner! Dieses Tool hilft Ihnen dabei, die optimale Breite einer Kupferleiterbahn für Ihr PCB-Design zu bestimmen, damit diese einen bestimmten Strom sicher leiten kann, ohne den gewünschten Temperaturanstieg zu überschreiten. Durch Eingabe Ihrer Leiterbahnlänge können wir auch wichtige elektrische Parameter wie Widerstand, Spannungsabfall und Leistungsverlust schätzen, die für eine effiziente Schaltungsleistung entscheidend sind.

Bitte beachten Sie, dass diese Ergebnisse auf den Standardformeln der IPC-2221 basieren und Schätzungen sind. Die tatsächliche Leistung kann je nach Ihrer individuellen Anwendung variieren. Für interne Schichten benötigen Sie wahrscheinlich breitere Leiterbahnen als für Oberflächenleiterbahnen. Wählen Sie daher unbedingt die für Ihre Designanforderungen geeignete Berechnung aus.

Ergebnisse interne Lage:

Erforderliche Leiterbahnbreite (W):

Widerstand:

Spannungsabfall:

Leistungsverlust:

Ergebnisse externe Lage:

Erforderliche Leiterbahnbreite (W):

Widerstand:

Spannungsabfall:

Leistungsverlust:

Den IPC-2221-Standard verstehen

Der IPC-2221 (und seine aktualisierte Version, IPC-2221A) ist der branchenweit anerkannte Standard für das PCB-Design. Er enthält empirische Formeln zur Berechnung der Leiterbahnbreite auf der Grundlage der folgenden Faktoren:

Strombelastbarkeit: Der maximale Strom, den eine Leiterbahn ohne Überhitzung führen kann.
Temperaturanstieg: Der Temperaturanstieg aufgrund des durch die Leiterbahn fließenden Stroms.
Kupferdicke: Dickere Kupferschichten können mehr Strom führen.
Schichttyp: Äußere Schichten leiten Wärme effektiver ab als innere Schichten.

Die Strombelastbarkeit bezieht sich auf den maximalen Strom, den ein Leiter (z. B. eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte) sicher führen kann, ohne übermäßige Wärme zu erzeugen oder Schäden zu verursachen. Sie hängt hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab:

Leitermaterial: Verschiedene Leitermaterialien haben unterschiedliche spezifische Widerstände. Kupfer ist beispielsweise ein häufig verwendetes Leitermaterial in Leiterplatten, da es einen relativ geringen spezifischen Widerstand hat und somit größere Ströme mit einem kleineren Querschnittsbereich leiten kann.
Querschnittsfläche des Leiters: Je größer die Querschnittsfläche, desto geringer der Widerstand des Leiters und desto größer der Strom, den er leiten kann. Das liegt daran, dass eine größere Querschnittsfläche mehr Wege für den Elektronenfluss bietet, wodurch die Kollision zwischen Elektronen und Atomen verringert und somit der Widerstand gesenkt wird.
Wärmeableitungsbedingungen: Gute Wärmeableitungsbedingungen können die vom Leiter erzeugte Wärme effektiv ableiten und so seine Strombelastbarkeit verbessern. Beispielsweise können bei der Leiterplattenkonstruktion Wärmeableitungsschichten und thermische Durchkontaktierungen hinzugefügt werden, um die Wärmeableitung zu verbessern.

Wenn Strom durch einen Leiter fließt, entsteht aufgrund des Widerstands des Leiters Wärme, wodurch die Temperatur des Leiters ansteigt. Der Temperaturanstieg bezieht sich auf die Erhöhung der Temperatur des Leiters im Verhältnis zur Umgebungstemperatur. Die Höhe des Temperaturanstiegs hängt hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab:

Stromstärke: Nach dem Joule'schen Gesetz $Q = I^{2} Rt$ (wobei $Q$ die Wärme, $I$ der Strom, $R$ der Widerstand und $t$ die Zeit ist) gilt: Je größer der Strom, desto mehr Wärme wird erzeugt und desto höher ist der Temperaturanstieg.
Leiterwiderstand: Je höher der Widerstand, desto mehr Wärme wird bei gleichem Strom erzeugt, was zu einem höheren Temperaturanstieg führt.
Wärmeableitungsbedingungen: Gute Wärmeableitungsbedingungen ermöglichen eine schnellere Wärmeableitung und reduzieren so den Temperaturanstieg.

IPC - 2221 Formeln:

Gemäß der Norm IPC-2221 lauten die Schlüsselformeln wie folgt:

Querschnittsfläche:

A = \frac{I}{k \cdot ΔT b}

Variablen:

A: Querschnittsfläche (mm²)
I: Stromstärke (Ampere)
k: Materialkonstante
0,024 für Innenlagen
0,048 für Außenlagen
ΔT: Temperaturerhöhung (°C)
b: Empirischer Exponent (0,44 für ΔT ≤ 100 °C)

Erforderliche Spurbreite (W):

W = \frac{A}{T \cdot 1.378}

Variablen:

W: Leiterbahnbreite (mils)
A: Querschnittsfläche aus Formel 1 (mm²)
T: Kupferdicke (oz/ft²)
1.378: Umrechnungsfaktor für imperiale Einheiten

Leiterbahnbreite für Innenlagen:

W = \frac{0.048 \cdot I^{0.44} \cdot T^{0.725}}{{ΔT}^{0.44}}

Leiterbahnbreite für Außenlagen:

W = \frac{0.024 \cdot I^{0.44} \cdot T^{0.725}}{{ΔT}^{0.44}}

Widerstand:

R = ρ \cdot \frac{L}{T \cdot W} \cdot [1 + α \cdot (t e m p - 25)]

Variablen:

R: Leiterbahnwiderstand (Ω)
ρ: Spezifischer Widerstand von Kupfer
- 1,72×10⁻⁸ Ω·m (Standard)
- 2,44×10⁻⁸ Ω·m bei 100 °C
L: Leiterbahnlänge (Meter)
T: Kupferdicke
- 1 oz/ft² = 0,0347 mm
- 2 oz/ft² = 0,0694 mm
W: Leiterbahnbreite (Meter)
α: Temperaturkoeffizient
- 0,00393/°C für Kupfer
- ≈ 3900 ppm/°C
temp: Betriebstemperatur (°C)

Spannungsabfall:

V = I \cdot R = I \cdot \frac{ρ \cdot L}{A}

Variablen:

V: Spannungsabfall (Volt)
I: Stromstärke (Ampere)
ρ: Spezifischer Widerstand von Kupfer
- 1,72×10⁻⁸ Ω·m bei 20 °C
- Temperaturbereinigter Wert angezeigt
L: Leiterbahnlänge
- In Metern (SI-Einheiten)
- 1 Zoll = 0,0254 m

Stromausfall:

P = I^{2} \cdot R

Variablen:

P: Verlustleistung
- Einheit: Watt (W)
- Kritisch für das Wärmemanagement
- Maximalwert abhängig vom Leiterplattenmaterial
I: Stromstärke
- Einheit: Ampere (A)
- Effektivwert (RMS) für Wechselstromkreise
- Berücksichtigung des Spitzenwerts erforderlich
R: Leiterbahnwiderstand
- Einheit: Ohm (Ω)
- Berechnet durch: $R = \frac{ρ \cdot L}{T \cdot W}$
- Temperaturabhängige Eigenschaft

Umgebungsbedingungen:

W_{adj} = W \cdot {(1 + \frac{RH}{100})}^{0.25}

Variablen:

W_adj: Angepasste Leiterbahnbreite
W: Basisbreite aus Formel 2
RH: Relative Luftfeuchtigkeit (%)
0.25: Exponent für Umwelteinflüsse

Ableitung der IPC-2221-Gleichung

IPC – 2221 ist ein allgemeiner Standard für das Design von Leiterplatten (PCB). Die Formel zur Berechnung der Leiterbahnbreite basiert auf experimentellen Daten und theoretischen Analysen.

Grundprinzip

Die Herleitung dieser Gleichung basiert auf dem Prinzip des thermischen Gleichgewichts des Leiters, d. h. die vom Leiter erzeugte Wärme entspricht der abgegebenen Wärme. Wenn der Leiter das thermische Gleichgewicht erreicht hat, bleibt der Temperaturanstieg stabil.

Ableitungsprozess

Schritt 1: Wärmeerzeugung

Nach dem Joule'schen Gesetz wird die pro Zeiteinheit erzeugte Wärme $P_{gen}$ , wenn ein Strom $I$ durch einen Leiter mit dem Widerstand $R$ fließt, durch folgende Formel angegeben:

P_{gen} = I^{2} R

Schritt 2: Wärmeabgabe

Die Wärmeabgabe erfolgt hauptsächlich durch Konvektion und Strahlung. Bei PCB-Leiterbahnen ist Konvektion die Hauptmethode der Wärmeabgabe. Die Leistung der konvektiven Wärmeabgabe $P_{diss}$ kann wie folgt expressed werden:

P_{diss} = h A Δ T

wobei $h$ der Konvektions-Wärmeübergangskoeffizient, $A$ die Wärmeabgabefläche des Leiters und $Δ T$ die Temperaturerhöhung ist.

Schritt 3: Thermisches Gleichgewicht

Wenn das thermische Gleichgewicht erreicht ist, entspricht die erzeugte Wärme der abgegebenen Wärme, sodass gilt:

P_{gen} = P_{diss}

Durch Einsetzen der Ausdrücke für $P_{gen}$ und $P_{diss}$ erhalten wir $I^{2} R = h A Δ T$ .

Widerstandsberechnung

Der Widerstand des Leiters $R$ wird mit folgender Formel berechnet:

R = ρ \frac{l}{A_{c}}

wobei $ρ$ der spezifische Widerstand des Leiters, $l$ die Länge des Leiters und $A_{c}$ die Querschnittsfläche des Leiters ist.

Schritt 5: Berechnung der Leiterbahnbreite

Durch Einsetzen von $R$ in die Gleichung des thermischen Gleichgewichts und nach einer Reihe von Anpassungen an experimentelle Daten und Korrekturen erhält man die Formel zur Berechnung der Leiterbahnbreite $W$ nach IPC-2221.

Für Leiterbahnen auf Innenlagen:

W = \frac{0.048 \times I^{0.44} \times T^{0.725}}{{Δ T}^{0.44}}

Für Leiterbahnen auf Außenlagen:

W = \frac{0.024 \times I^{0.44} \times T^{0.725}}{{Δ T}^{0.44}}

wobei $W$ die Leiterbahnbreite (in Zoll), $I$ die Stromstärke (in Ampere), $T$ die Kupferfoliendicke (in Unzen pro Quadratfuß) und $Δ T$ die Temperaturerhöhung (in Grad Celsius) ist.

Faktoren, die die Spurbreite beeinflussen

Der Standard IPC-2221 bildet zwar eine solide Grundlage, doch sind noch weitere Faktoren zu berücksichtigen:

Umgebungsbedingungen:

Höhe: In höheren Lagen ist die Luft dünner, wodurch die Wärmeableitung verringert wird.
Gehäuse: Leiterbahnen in geschlossenen Räumen können möglicherweise nicht so effektiv gekühlt werden.
Konforme Beschichtungen: Diese Beschichtungen können die Leiterbahn isolieren und die Wärmeübertragung beeinträchtigen.

Materialeigenschaften:

Widerstandsfähigkeit: Verschiedene Kupferlegierungen haben unterschiedliche elektrische Widerstandsfähigkeiten.
Leiterbahngeometrie: Breite und kurze Leiterbahnen sind effizienter bei der Stromführung.

Designziele:

Signalintegrität: Schmale Leiterbahnen können in Hochfrequenzschaltungen zu Impedanzfehlanpassungen führen.
Stromintegrität: Dicke Leiterbahnen sind unerlässlich, um Spannungsabfälle in Stromversorgungsnetzen zu minimieren.

Wie nutzt man den Rechner effektiv?

Bestimmen Sie Ihre Designanforderungen: Legen Sie den maximalen Strom, den Temperaturanstieg und die Betriebsumgebung fest.
Eingabeparameter: Geben Sie die Werte in den Rechner ein. Verwenden Sie den Modus „Erweitert“ für detaillierte Berechnungen.
Überprüfen Sie die Ergebnisse: Überprüfen Sie die Leiterbahnbreite und die elektrischen Parameter. Passen Sie die Eingaben bei Bedarf an.
Validierung durch Ihren Hersteller: Lassen Sie die Ergebnisse von Ihrem Leiterplattenhersteller bestätigen, um die Herstellbarkeit sicherzustellen.

Einen Leiterbahnbreitenrechner nutzen, ohne Kupfer zu knapp auszulegen

Ein Leiterbahnbreitenrechner schätzt den erforderlichen Kupferquerschnitt für einen vorgegebenen Strom und eine zulässige Temperaturerhöhung. Das Ergebnis hängt vom Strom, der fertigen Kupferdicke, der Innen- oder Außenlage und den thermischen Annahmen des gewählten Modells ab. Es ist ein Ausgangswert und keine automatische Freigabe: Gehäusetemperatur, benachbarte Kupferflächen, Ebenen, Vias, Einschaltdauer, Fertigungstoleranzen und zulässige Leitertemperatur können die notwendige Breite erheblich verändern.

Ungünstigsten Strom eingeben: Dauer- oder Effektivstrom passend verwenden und kurze Spitzen gesondert auf Erwärmung und Sicherungswirkung prüfen.
Tatsächliche Lage wählen: Innen- und Außenleiter geben Wärme unterschiedlich ab; ihre Ergebnisse sind nicht austauschbar.
Fertige Kupferdicke einsetzen: Grundfolie und Galvanik beim Hersteller bestätigen, statt nur das Nenngewicht anzunehmen.
Elektrische Folgen nachrechnen: Widerstand aus Länge und Temperatur bestimmen und Spannungsverlust sowie Verlustleistung bewerten.
Technische Reserve vorsehen: kritische Versorgungen mit IPC-Hinweisen, Thermoanalyse, Prototypmessungen und Fertigungsgrenzen absichern.

Häufig gestellte Fragen

F: Kann ich den Rechner für Hochspannungsdesigns verwenden?

A: Ja, aber beachten Sie auch Sicherheitsstandards wie IPC-2221 für Kriechstrecken und Luftstrecken.

F: Was ist, wenn meine Leiterplatte mehrere Schichten hat?

A: Verwenden Sie den Rechner für jede Schicht separat und berücksichtigen Sie dabei die thermischen Eigenschaften jeder einzelnen Schicht.

F: Wie genau sind die Ergebnisse?

A: Der Rechner liefert Schätzwerte. Führen Sie bei kritischen Konstruktionen immer thermische Simulationen durch.

PCB-Leiterbahnbreitenrechner

Den IPC-2221-Standard verstehen

IPC - 2221 Formeln: