Was steckt hinter der gängigen Weisheit, den Temperaturanstieg einer Leiterplatte auf 5/10/20 ° C zu begrenzen?

Bei der Entscheidung über die Leiterbahndicke, die erforderlich ist, um eine bestimmte Strommenge auf einer Leiterplatte zu transportieren, hängt die Antwort davon ab, wie viel Temperaturanstieg Sie akzeptieren möchten. Dies führt den Konstrukteur in die schwierige Situation, zu entscheiden, wie viel Temperaturanstieg angemessen ist. Als Faustregel gilt, dass der Temperaturanstieg nicht mehr als 5 ° C, 10 ° C oder 20 ° C betragen darf, je nachdem, wie konservativ Sie sein möchten. Diese Zahlen scheinen im Vergleich zu den maximalen Temperaturanstiegen von Leistungstransistoren, ICs, Leistungswiderständen oder anderen wärmeableitenden Bauteilen, die 60 + ° C betragen können, bemerkenswert gering zu sein. Was ist die Begründung für diese Zahlen?

Mögliche Gründe, an die ich gedacht habe:

• Maximale Temperatur von Leiterplattenmaterialien. Bei den meisten FR4-Materialien liegt diese Temperatur bei 130 ° C. Selbst bei einer sehr konservativen Umgebungstemperatur (innerhalb des Chassis) von 65 ° C würde dies einen weiteren Temperaturanstieg von 65 ° C ermöglichen.
• Weiterer Temperaturanstieg der Bauteile ist zu berücksichtigen. Wenn ein SMT-MOSFET zum Beispiel einen Temperaturanstieg von 80 ° C erleben würde, würde man ihn wegen der Temperatur der umgebenden Leiterplatte nicht auf 40 ° C über der Umgebungstemperatur starten wollen. Dies scheint jedoch viel zu situationsspezifisch, um als Faustregel zu gelten. Im Fall eines wärmegesunkenen Durchgangsloch-MOSFET ist beispielsweise der Wärmefluss über die Zuleitungen ein Bruchteil des Wärmeflusses über den Kühlkörper, so dass die PCB-Temperatur kein Hauptanliegen sein sollte. Selbst bei SMT-Bauteilen könnte ich eine dünne Leiterbahn haben, die über den größten Teil ihrer Länge viel Wärme abführt, diese Leiterbahn jedoch verbreitert, bevor sie das Bauteil erreicht.
• Wärmeausdehnung von Leiterplattenmaterialien. Wenn sich die Leiterplatte erwärmt, dehnen sich die Materialien aus. Wenn verschiedene Teile der Leiterplatte unterschiedlichen Wärmemengen ausgesetzt sind, kann dies zu einem Durchbiegen der Leiterplatte führen, wodurch Lötstellen beschädigt werden können. Angesichts der Tatsache, dass Leiterplatten aufgrund der Verlustleistung in den darauf montierten Bauteilen regelmäßig höheren Temperaturunterschieden ausgesetzt sind, scheint dies jedoch keine Lösung zu sein.
• Veraltete Standards. Vielleicht wurden die Grenzwerte für 5/10/20 ° C vor Jahren erdacht und gelten nicht mehr für moderne Leiterplattenmaterialien, aber alle haben sie weiter verfolgt, ohne darüber nachzudenken. Beispielsweise waren alte Phenolplattenmaterialien möglicherweise weniger hitzebeständig als moderne Glasfasern.

Um die Frage anders zu formulieren: Ich finde, dass ein Temperaturanstieg von 20 ° C für mein Design zu einschränkend ist. Wenn ich mich stattdessen für einen Temperaturanstieg um 40 ° C entscheide, bin ich dann wahrscheinlich auf kurzfristige oder langfristige Zuverlässigkeitsprobleme gestoßen?

Bonuspunkte für alle, die Standards angeben können, die eine Begründung für die Zahlen enthalten, oder die historische Beweise dafür haben, warum diese Zahlen ausgewählt wurden.

Die Breite der Leiterplatte wird in vielerlei Hinsicht festgelegt, einschließlich des Temperaturanstiegs für den Strom. Andere Faktoren sind Spannungsabfall, Impedanz, Leiterplattenkapazität, Kosten und Packungsdichte.

Der Temperaturanstieg ist jedoch zu Recht eine der Spezifikationen, die nicht überschritten werden dürfen.

Als Faustregel gilt genau das, was Sie die meiste Zeit befolgen sollten. Sie werden immer in der Lage sein, Kantenfälle zu finden, in denen ein höherer Anstieg zulässig ist, wenn Sie sorgfältige Berechnungen durchführen.

Ein Vorteil einer Faustregel ist, dass Ihre Berechnungen nicht zu vorsichtig sein müssen, wenn Sie sie befolgen. Die Regel enthält bereits eine große Fehlerquote.

Eine Besonderheit des Temperaturanstiegs ist, dass er nicht nur zum Strom, sondern zum Quadrat des Stroms proportional ist. Dies verringert die Wichtigkeit der Auswahl eines bestimmten Wertes. Der Strom, der einen Anstieg von 20 ° C bewirkt, ist nicht doppelt so hoch wie der Anstiegsstrom von 10 ° C, sondern nur 1,4-mal so hoch wie der Anstiegsstrom von 10 ° C. Wenn wir den Anstiegsstrom um 10 ° C verdoppeln, erhalten wir einen Anstieg um 40 ° C, der sich unangenehm warm anfühlt.

Warum ein Board cool laufen lassen? Allerlei gute Gründe. Die Kühlung der Komponenten erfordert eine niedrige Umgebungstemperatur. Die Lebensdauer der Komponenten nimmt mit steigender Temperatur sehr schnell ab. Die Marge für den Betrieb an warmen Orten (in einer Autokabine bei hellem Sonnenlicht) ist gut. Debuggen Sie, fahren Sie mit dem Finger über die Rennstrecke, um röstige Komponenten zu finden. Sie werden von den heißen Spuren verwirrt.

Es gibt keinen Grund, ein Board cool zu machen und keinen Grund, sich für einen Anstieg von 10C gegenüber einem Anstieg von 20C zu entscheiden. Es gibt jedoch nur wenige Designer, die sich durch die Einhaltung dieser "Regel" gehemmt fühlen. Es ist selten das, was Grenzen setzt. Wenn wir uns in einem Eckfall befinden, in dem die Spezifikation nicht durch Festhalten an einer willkürlichen Temperaturanstiegszahl erreicht werden kann, berechnen und testen wir alles, um festzustellen, welche Auswirkungen dies auf die Lebensdauer und die Abkühlung höherer Temperaturen haben wird.

laminares Kupfer ist nicht auf seinen spezifischen Widerstand vorgetestet, da es unterschiedliche Temperaturbereiche entwickelt und einen nicht linearen Widerstandsverlauf zeigt. Solche Temperaturen werden angegeben, damit die maximale Temperatur die endgültige thermische Angleichung der Schichten erreicht und die ursprünglichen Leiterplatten-Diagramme für den sehr langfristigen Gebrauch belassen ...