Normen für den Leiterplattendesigner

Allgemeine Wärmebetrachtung von Leiterbahnen unter IPC-2221 oder IPC-2152

• Fließt Strom durch eine Leiterbahn, so heizt sie sich wegen des Ohmschen Widerstands auf. Gewisse Grenztemperaturen, z.B. die [[Technische Eigenschaften von FR4 | Glastemperatur von FR4,]] dürfen aber nicht überschritten werden. [[Media:Neues_von_der_Strombelastbarkeit_von_Leiterbahnen_J.Adam_www.multi-cb.eu.pdf| Quelle Auszug vom GMM-Fachbericht 44, Februar 2004.]]
• Die Designrichtlinie '''IPC-2221''' (=IPC-D-275=MILSTD-275) wird von Vielen als '''Grundlage für die Abschätzung''' der '''Leitertemperatur''' verwendet.

IPC-2221

• In früheren Versionen der IPC-2221 wurde dort eine einfache Grafik zur Ermittelung der Leiterbahnbreite in Abhängigkeit des Stromes und der Leiterbahndicke gezeigt.  Diese war aber viel zu ungenau.
• 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 zur Strombelastbarkeit von Leiterbahnen können also nur zur groben Abschätzung der Temperaturentwicklung verwendet werden.
• So wurde vom IPC die IPC-2152 entwickelt, die sich nur mit dem Thema der Stromtragfähigkeit von Leiterbahnen befasst und eine Reihe von Grafiken beinhaltet, mit Berechnung des Bahnquerschnittes und der Leiterbahndicke als Parameter zur Grafik.
• Quellen: [[https://www.multi-circuit-boards.eu/leiterplatten-design-hilfe/oberflaeche/leiterbahn-strombelastbarkeit.html Multi-cb]], [[https://wiki.fed.de/index.php/IPC-2221A FED-Wiki zur IPC-2221A]], [[Media:Strombelastbarkeit-Leiterbahnen Nach IPC-2221.pdf| PDF-Tabelle zur Strombelastbarkeit von Leiterbahnen nach IPC-2221]]
• [[Media:IPC-2221B-DE -Inhaltsverzeichnis.pdf|IPC-2221B-DE -Inhaltsverzeichnis]] --> [[Media:Emailanfrage beim FED.pdf|Infos zur Bezugsquelle]]

IPC-2152

• (Gültig ab 1. Juni 2010) Die lang erwartete deutsche Übersetzung der IPC-2152 umfasst rund 100 Seiten und enthält Berechnungen, Hinweise, Ergebnisse und aktuelle Parameter zur Stromtragfähigkeit von Leiterplatten. 
• ''Da die bislang angewendeten Werte der IPC-2221 aus den 50er Jahren nicht mehr tauglich waren'', stellt diese Neufassung ein wichtiges Hilfsmittel für Anwender in der Leiterplattenentwicklung und -fertigung dar. 
• Der vorgestellte Auszug aus dem Inhaltsverzeichnis illustriert die behandelten Themen: 
• Einführung in die Leiterdimensionierung sowie Konstruktionsrichtlinien und Diagramme dazu, 
• Anhang mit Aspekten zur Temperaturerhöhung und zur Stromtragfähigkeit, 
• Vorstellung von Leiterplattenmaterialien und geometrischen Abmessungen und anderes mehr. 
• Exemplarisch dargestellt werden Diagramme zur Leiterdimensionierung auf Innen- und Außenlagen in Luft und Vakuum sowie Hinweise zur Dimensionierung der Verbindungslöcher und zum Hochfrequenzverhalten.

Quellen

• https://www.tib.eu/en/search/id/tema%3ATEMA20100204367/Deutsche-%C3%9Cbersetzung-der-IPC-2152-Stromtragf%C3%A4higkeit/ TIB,
• http://ipc.org/de/ContentPage.aspx?Pageid=IPC-2152-DE-Richtlinie-zur-Bestimmung-der-Strombelastbarkeit-von-Leiterplattenkonstruktionen-jetzt-auf-Deutsch-verfugbar IPC,
• https://www.elektronikpraxis.vogel.de/neue-ipc-richtlinie-2152-zur-stromtragfaehigkeit-von-leiterplatten-beim-fed-erhaeltlich-a-245159/ Elektronik Praxis,
• https://wiki.fed.de/index.php/Liste_Strombelastbarkeit FED-Wiki
• Media:IPC-2152-Inhaltsverzeichnis.pdf|IPC-2152-Inhaltsverzeichnis]] , [[Media:Emailanfrage beim FED.pdf|Infos zur Bezugsquelle

TRM plus thermische Analyse

• TRM ist PDN (power distribution network) plus thermische Analyse ist eine Kalkulationshilfe
• [https://www.adam-research.de| ADAM Research] bietet mit seiner Software TRM ein Berechnungstool der Sonderklasse. Die Leiterbahnerwärmung durch Strom (Strombelastbarkeit) und die Baugruppenerwärmung durch Bauteile können mit physikalischer Präzision aber ohne akademischen Ballast rechnerisch vorhergesagt werden. Das Tool ist unter der Führung eines Softwareassistenten perfekt für jeden Layouter und Baugruppenentwickler geeignet. Die Benutzerführung ist optional auf deutsch.
• Die TRM-Software berücksichtigt im Prinzip alle Multilayeraufbauten, SMD-Bauteile, embedded Components, Inlays, Stromschienen, Dickkupfer, Kleber, gepluggte, ungepluggte, blind und burried Vias, solange es sich um eine starre Flachbaugruppe handelt. Auch Kühlkörper und Cold Plates können aufgesetzt werden.
• Für eine Berechnung der Strombelastbarkeit oder die Temperatursimulation werden gebraucht:
• Lagenaufbau
• Leiterbild der Lagen, z.B. im Gerberformat,
• Bohrbild der plattierten und unplattierten Bohrungen, z.B. im Gerber- oder Excellonformat,
• Pins/Pads an denen Strom zu- oder abgeführt wird und die Stromstärke,
• Bauteile und deren Verlustleistung,
• äußeren Bedingungen , z.B. freie Konvektion oder Lüfter, Vakuum, Wandstrahlung.
• Der Rest läuft in Minutenschnelle fast von allein. Als Ergebnis erhalten Sie berechnete Thermogramme (x-y Auflösung ca. 100 bis 300 mu) für alle Lagen, einen Atlas der Stromdichte , des Potentials (also auch den Spannungsabfall) und der temperaturabhängigen Stoffwerte. Sie werden dann sehr schnell sehen wo es Engstellen gibt, an denen zwar die Stromdichte hoch ist aber die Leiterbahn als Kühlkörper dient, und, daß es z.B. Wärmefallen gibt wo sowohl Strom- als auch Wärmestau herrscht. Bei transienter Simulation können Sie virtuelle Thermoelemente setzen und die zeitlichen T-Kurven aufnehmen. Sowohl die Verlustleistung, als auch die Ströme können gepulst sein.
• Verifiziert wurde das Tool, lt. Angaben von [https://www.adam-research.de/software/| ADAM Research], von der Firma Robert Bosch GmbH und der TU-Dresden.
• Quelle: [https://www.adam-research.de| ADAM Research]

PCB-Investigator

• http://www.pcb-investigator.com/plugins/physics-thermal-analysis-current-simulation PCB-Investigator Physics ist das perfekte Werkzeug um das physikalische Verhalten von Leiterplatten noch während der Entwicklungsphase zu simulieren.
• Auf diese Weise können thermische Hotspots, kritische Leitungswiderstände und zu große Spannungsabfälle noch vor dem ersten Prototyp identifiziert, gefunden und behoben werden!
• Mit den eingebauten Editierfunktionen von [http://www.pcb-investigator.com/plugins/physics-thermal-analysis-current-simulation PCB-Investigator Physics] ist es mit nur wenigen Klicks sogar möglich, das Layout oder den Lagenaufbau zu optimieren, um das beste physikalische Verhalten zu erreichen!
• Sparen Sie wertvolle Zeit und Prototypkosten mit PCBi-Physics!

Um Informationen über das physikalische Verhalten einer Leiterplatte während des Betriebs zu erhalten, bietet Ihnen PCB-Investigator Physics folgende Simulationen:

• Die Temperaturerhöhung ausgelöst durch die Verlustleistung der Bauteile und hohe Ströme
• Die Stromdichte, z.B. bei Kupferengstellen oder in Bohrungen
• Der Spannungsverlust und der Leitungswiderstand zwischen beliebigen Pins auf der Leiterplatte
• Animation der tatsächlichen Stromflussrichtung

Quelle:  www.pcb-investigator