Kleine Stromschiene - Wärmeentwicklung berechnen

Der Kalkulator bei Digikey meint, Leiterbahnen auf Innenlagen müssten mehr als doppelt so breit sein wie auf Außenlagen. IPC-2152-2009 meint, ganz im Gegenteil, "Internal and external conductors operate very close to the same temperature rise for the same applied current and cross- sectional area". Das könnte daran liegen, dass FR4 ein guter Wärmeleiter ist -- verglichen mit Luft.

Oliver Betz erlaubt, abhängig von der Geometrie, sogar schmalere Bahnen in den Innenlagen. Man die Nachkommastellen bei solchen Kalkulatoren oder Tabellen also getrost vergessen. Die Ergebnisse hängen auch stark von der Umgebung ab, z.B. wie warm werden benachbarte Bahnen, wie weit sind die entfernt, gibt es große Kupferflächen in den Innenlagen, wie dick sind die einzelnen FR4/Prepreg Lagen... 70µ statt 35µ Kupfer halbiert zwar den Widerstand, bringt aber praktisch nicht mehr Oberfläche, aber man darf trotzdem einfach mit dem Querschnitt rechnen, weil es noch genug andere Unbekannte gibt.

IPC-2152 stellt sich praktisch selbst in Frage: "With such a broad range of PB construction, materials, and operating environments, a single conductor-sizing chart cannot be expected to describe the temperature rise of a conductor as a function of current for all PB designs. Fine line and space, heavy copper, single-layer PBs and multilayer PBs all constitute different configurations in which conductors with the same cross-sectional area vary from 10 to 100 °C or more for the same amount of applied current."

Detlef R. schrieb:

Nun zur eigentlichen Frage: Kann ich die Dimensionen der Leiterbahnen grob berechnen unter dem Aspekt, dass sie maximal 80 Grad warm werden dürfen?

hhinz hat dir den Weg gezeigt.

Ich möchte nur dazu sagen, dass eine Leiterbahn, die sich auf knapp 80° erwärmt, wird viel zu viel Spannungsabfall haben. Bei z.B 10cm Länge und 0.3mm Breite mit 35μ Dicke (das erfüllt deine Bedingungen) fehlt dir am Leitungsende schon fast ein halbes Volt!

Gut, bei 24V ist das eher ein kleines Problem; bei den Versorgungsleitung für die Corespannung von moderneren Prozessoren und FPGAs mit Spannungen <1V, oft nur 3% Toleranz und meist hohem Strombedarf ist das nicht mehr tragbar.

Für einfache Platinen (nur wenige Leiterbahnen mit höherem Strom und Leiterbahnen auf den Außenlagen) kannst Du Dich bedenkenlos nach den Werten des digikey Rechners richten.

Den Spannungsabfall immer auch im Blick haben, nicht nur die Erwärmung.

Da du das anscheinend zum ersten mal machst, meine Grundtregel lautet: "Leiterbahnen so dick wie möglich, und nur so dünn wie nötig."

D.h. man wählt die Leiterbahnbreite nicht so, das die gerade noch passt. Sondern so, das der Platz auch genutzt wird. Das ist ein gaaanz großer Bereich, das ist mir bewusst. Und ja, eine Signalleitung mit 2mA muss auch nicht 5mm breit werden.

Als grobe Orientierung: Bei Durchstecktechnik (THT, DIPxx, Stecker,.) sind die Pads eh größer, also Signale ca. 0,5mm, Versorgungen gerne größer, 0,8mm-1mm.

Bei "normalem" SMD (SO8, .. 0805 und größer,..) 0,4mm für Signale und 0,6-0,8mm für Versorgung

Bei Finepitch (TQFP, SSOP, TSOP,...) würd ich mich am kleinsten Package orientieren. Also (0,25mm) 0,3mm-0,4mm für Signale. Versorgung etwas größer.

Von BGA oder 0603 würd ich als ersten Versuch abraten, es sei denn du hast jemanden der dir das Zeigen kann und schon mehrfach! gemacht hat.

Je größer bedeutet vor allem auch mechanisch robuster. Sonst lösen sich gerne auch die Pads ab, wenn man nicht so gut löten kann.

Benjamin K. schrieb:

"Leiterbahnen so dick wie möglich, und nur so dünn wie nötig."

Auf "dick" und "dünn" hat man wenig Einfluss, das macht der LP-Hersteller. Man kann aber im CAD leicht an "breit" und "schmal" drehen...

Wenn sich Leiterbahnen im regulären Betrieb nennenswert erwärmen, hat der Entwickler seine Hausaufgaben nicht gemacht. (Oder absurde Vorgaben von BWLern haben ihn daran gehindert, es richtig machen zu können...)