Warum ist die Leiterbahnbreite wichtig? Die Berechnung der Leiterbahnbreite ist eine der wichtigsten Überlegungen beim PCB-Routing. Die Breite komplexer Leiterbahnen wirkt sich direkt auf Leistung , Zuverlässigkeit und Sicherheit der Schaltung aus. Deshalb orientieren sich PCB-Designer bei der Berechnung der Leiterbahnbreite an professionellen Industriestandards. Die am häufigsten verwendeten Standards sind IPC. In diesem Blogbeitrag zeigen wir Ihnen, wie berechnet man die leiterbahnbreite einer leiterplatte anhand zweier wichtiger IPC-Standards (IPC-2221 und IPC-2152) berechnen und wie Sie zwischen ihnen wählen.
Was ist der IPC-Standard?
IPC-Standards sind eine Reihe branchenweit anerkannter Richtlinien, die vom IPC (Institute of Printed Circuits), einem globalen Branchenverband der Elektronikindustrie, entwickelt wurden. Diese Standards dienen der Entwicklung und Herstellung elektronischer Geräte und Leiterplatten, um Produktqualität, Zuverlässigkeit und Konsistenz zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser Standards kann die Kommunikationslücke zwischen Designern und Herstellern verringern.
Im Leiterplattendesign sind IPC-2221 und IPC-2152 zwei wichtige Normen, die einen Rahmen für die Entwicklung zuverlässiger und sicherer Leiterplatten bieten. Sie sind in der Elektronikindustrie weithin anerkannt und werden von Leiterplattendesignern und -ingenieuren als Referenz verwendet.
Wie berechnet man die Leiterbahnbreite einer Leiterplatte basierend auf der Verwendung von IPC 2221?
Der IPC 2221-Standard ist eine Branchenrichtlinie für generisches PCB-Design und hilft PCB-Designern, schnell die erforderliche Leiterbahnbreite für eine sichere Stromführung zu bestimmen. Der IPC-2221-Standard definiert die Strom-Temperatur-Beziehung mit einer Formel, die Querschnittsfläche und Leiterbahnbreite ausgeben kann.
IPC 2221 empirische Formel:
Ordnen Sie die Formel neu an, um die Formel für die Querschnittsfläche (A) zu erhalten:
Bedecken Sie A mit der Leiterbahnbreite basierend auf:
A = Leiterbahnbreite (W) × Kupferdicke (T).
Die Kernformel für die Leiterbahnbreite (W) sollte also lauten:
I = Strom in Ampere
ΔT = Zulässiger Temperaturanstieg in °C
A = Querschnittsfläche der Leiterbahn (mil²)
k, b, c = Konstanten, die sich für innere und äußere Schichten unterscheiden
| Trace-Typ | k | B | C |
| Extern | 0,048 | 0,44 | 0,725 |
| Intern | 0,024 | 0,44 | 0,725 |
Wichtig ist, dass die Einheiten konsistent bleiben. Wird der Querschnitt in Mil gemessen, verwenden Sie Mil für die Breite und Dicke der Leiterbahn. Die Leiterbahndicke wird üblicherweise durch ihr Gewicht in der Einheit oz/ft² gemessen.
1 oz/ft² Kupfer ≈ 1,37 mil ≈ 35 µm
1 mil = 0,0254 mm
Parameter erfassen
Messen Sie den maximalen Strom (I) , den die Leiterbahn führen kann. Höhere Ströme erfordern breitere Leiterbahnen, um Überhitzung zu vermeiden. Die maximale Stromstärke hängt vom Leitermaterial (Kupfer hat einen geringeren spezifischen Widerstand als Aluminium, was eine höhere Strombelastbarkeit bedeutet), dem Querschnitt (dickerer Leiter bedeutet geringeren Widerstand und höhere Strombelastbarkeit), den Kühlbedingungen (reduzierter Temperaturanstieg) und anderen wichtigen Faktoren ab.
ΔT ist die zulässige Temperatur, die über die Umgebungstemperatur ansteigen darf. Dies hilft Ihnen, einen sicheren Grenzwert festzulegen. Der konkrete Temperaturanstieg wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter spezifische Anwendungsanforderungen, Leiterbahnmaterialien, offene oder geschlossene Umgebung und Kupferdicke. Die typische ΔT-Wahl liegt je nach spezifischen Anforderungen zwischen 10 °C und 40 °C. 10 °C ist der gängigste Wert für Universalleiterplatten.
Die Kupferdicke hat direkten Einfluss auf den Leiterbahnwiderstand und die Strombelastbarkeit. Gemäß der Formel R=ρL/A (ρ (Kupferwiderstand = 1,68×10−8 Ω⋅m1,68×10−8Ω⋅m.), L = Leiterlänge, A (Querschnittsfläche = Breite × Dicke) bedeutet dickeres Kupfer einen geringeren Widerstand und eine höhere Strombelastbarkeit. Gängige Kupferdicken für Leiterplatten sind 0,5 oz, 1 oz, 2 oz, 3 oz und mehr.
Realistisches Beispiel
Bei Auswahl der nächsten Parameter für den IPC-2221-Rechner:
Strom (I): 2A
Temperaturanstieg (ΔT): 10℃
Kupferdicke (T): 1 oz (1,37 mil)
Leiterbahnebene: Extern
Querschnittsfläche :
Leiterbahnbreite:
W= 150mil²/1,37mils≈110 mils(≈2,8mm)
Die auf dem IPC 2221-Standard basierende Formel für die Leiterbahnbreite berücksichtigt hier nur die Parameter Querschnittsfläche (Kupferdicke), Stromstärke und Temperaturanstieg. Die Berechnung der Leiterbahnbreite kann anhand verschiedener wichtiger Faktoren wie Widerstand, Durchgangslöchern, Differenzialpaaren oder hochdichten Designs weiter definiert werden. Aus verschiedenen Gründen variiert die Formel für die Leiterbahnbreite.
Wie berechnet man die Leiterbahnbreite einer Leiterplatte basierend auf der Verwendung von IPC 2152?
IPC 2152, auch „Standard zur Bestimmung der Strombelastbarkeit im Leiterplattendesign“ genannt, ist ein umfassender Industriestandard. Er bietet Richtlinien zur Bestimmung der geeigneten internen und externen Leiterbahnbreite basierend auf Stromstärke und zulässigem Temperaturanstieg. Er zeigt außerdem, wie wichtige Faktoren wie Kupferdicke, Leiterplattenumgebung, Luftstrombedingungen und Material die Berechnung der Leiterbahnbreite beeinflussen.
Wählen Sie die richtige IPC 2152-Tabelle, um den genauen Querschnitt bzw. die Leiterbahnbreite anhand der bestätigten Parameter zu ermitteln. IPC2152 enthält Kurvenscharen: X-Achse: Querschnitt/Leiterbahnbreite (mils oder mm); Y-Achse: Stromstärke (A); Kurven: Unterschiedliche Temperaturanstiege. Suchen Sie die Parameter in der Tabelle und lesen Sie den Querschnitt der Leiterbahn ab. Berechnen Sie anschließend die Leiterbahnbreite anhand der Formel W = A/T. Achten Sie bei der Umrechnung darauf, dass A und T in denselben Einheiten (mil² und mils bzw. mm² und mm) angegeben sind.
Die wichtigsten Diagramme sind Abbildung 4-1, Abbildung 4-2 und weitere Diagramme für unterschiedliche Kupfergewichte. Abbildung 4-1 wird für Außenschichten mit besserer Wärmeableitung verwendet, und Abbildung 4-2 für Innenschichten mit schlechterer Wärmeableitung.
Wie erhält man Zugriff auf die maßgeblichen IPC2152-Diagramme? Die zuverlässigste Quelle ist der Kauf des offiziellen, urheberrechtlich geschützten IPC-2152-Standarddokuments auf der IPC-Website . Das Dokument enthält detaillierte Diagramme und Richtlinien zur Bestätigung von Querschnitt und Leiterbahnbreite.
IPC 2221 VS IPC 2152: Welches verwenden?
IPC 2221, veröffentlicht 2003, ist ein älterer Standard als IPC 2152 aus dem Jahr 2009. Er basiert auf empirischen Kurven aus Laboren an einfachen Platinen und befasst sich daher immer mit einfachem PCB-Design. Er eignet sich jedoch nicht für hochdichte Platinen oder komplexe thermische Situationen. IPC 2152 hingegen ist ein fortschrittlicherer Standard, der auf umfangreichen empirischen Tests basiert. Daher ist er praktisch, um moderne und präzisere PCB-Anforderungen mit experimentellen Daten und Simulationen zu erfüllen, wie z. B. Hochstrom-PCBs (Motortreiber).
Was die Genauigkeit betrifft, bietet IPC 2221 nur eine einfache Formel für die Leiterbahnbreite basierend auf Stromstärke und Temperaturanstieg, was zu einem konservativeren Ergebnis für die Leiterbahnbreite führt. IPC 2152 ist detaillierter und berücksichtigt mehr reale Faktoren wie Leiterbahnlayout und Umgebungstemperatur, was zu genaueren Berechnungen führt.
In Bezug auf den Temperaturanstieg behandelt IPC 2221 den Wärmeanstieg linear, wobei ein einziger Parameter im zulässigen Temperaturanstieg berücksichtigt wird. IPC 2152 berücksichtigt jedoch mehrere Faktoren, die den Temperaturanstieg beeinflussen können, wie z. B. Leiterbahnmaterialien, Lagenanzahl, Kupferdicke, realistische Umgebungstemperatur und mehr. Dies führt zu einem präziseren und im Allgemeinen geringeren Leiterbahnbreitenergebnis.
| Besonderheit | IPC-2221 | IPC-2152 |
| Formel | I = k * (ΔT)^b * A^c | Detaillierte Diagramme und Rechner basierend auf Daten und Simulationen |
| Zweck | Allgemeines PCB-Design, einfache Berechnung der Leiterbahnbreite | Modernes, detailliertes PCB-Design, genaue Leiterbahnbreite und Strombelastbarkeit |
| Basis | Empirische Formel aus Labortests | Experimentelle Daten + thermische Simulation |
| Temperaturanstieg | Einzelnes ΔT für zulässigen Anstieg | Berücksichtigt Wärmeleitung, Umgebungs- und Mehrschichteffekte |
| Trace-Standort | Intern vs. Extern (einfacher Faktor) | Intern, Extern, Plus-Schichttiefe, Kupferverteilung, Proximity-Effekte |
| Genauigkeit | Konservativ, Spuren können überdimensioniert sein | Präzise, optimiert für reale Bedingungen |
| Anwendungsfall | Einfache Platinen, Design im Frühstadium | Hochstromfähige, dichte, mehrschichtige, professionelle Platinen |
| Umgebungsbedingungen | Eingeschränkte Berücksichtigung | Verschiedene Umgebungsbedingungen |
Abschluss
Sie benötigen umfassende Kenntnisse zur Berechnung der Leiterbahnbreite von Leiterplatten nach den Standards IPC-2221 und IPC-2152. Der IPC-2221-Rechner bietet eine vereinfachte, formelbasierte Methode für konservative Leiterbahnbreitenergebnisse, die für einfache Leiterplatten geeignet ist. IPC-2152 bietet eine detailliertere und fortschrittlichere Methode basierend auf realistischen Tests für präzisere und modernere Ergebnisse. Das Verständnis beider Standards bietet Ihnen Flexibilität bei der sicheren Leiterplattengestaltung. MOKOPCB hebt diese Überlegungen zum Leiterbahndesign hervor und fertigt hochpräzise Leiterplatten mit fortschrittlichen Fertigungsmöglichkeiten. Kontaktieren Sie uns gerne – unser Team stellt sicher, dass jede Leiterplatte die optimale Leistung für Ihre Projekte liefert.
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