PCB-Durchkontaktierungsstrom-Rechner
Basierend auf IPC-2221 – berechnen Sie, wie viel Strom eine durchkontaktierte Bohrung führen kann, welchen Widerstand und Spannungsabfall sie aufweist, oder ermitteln Sie umgekehrt die erforderliche Bohrungsgröße und Anzahl paralleler Durchkontaktierungen für Ihr Versorgungsnetz.
| Bohrung (mm) | Bohrung (mil) | Fläche (mm²) | Imax. / Durchkontaktierung (A) | Widerstand (mΩ) | Durchkontaktierungen für I |
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Strombelastbarkeit: I = k · ΔT0.44 · A0.725 (IPC-2221), wobei A in mil² angegeben wird, k = 0.048 für äußere Leiter und 0.024 für innere Leiter gilt. Eine Durchkontaktierung ist von FR-4 umgeben und leitet Wärme schlecht ab, daher ist der Koeffizient für innere Leiter (k = 0.024) die sichere Standardeinstellung.
Widerstand: R = ρ·L / A, wobei ρ₂₀ = 1.72×10⁻⁸ Ω·m mit einem Temperaturkoeffizienten von 0.00393/°C gilt und L die Länge der Durchkontaktierung ist (bei einer durchgehenden Bohrung ≈ Leiterplattendicke). Spannungsabfall und Verlustleistung werden mit I / N pro Durchkontaktierung berechnet.
Umrechnungen: 1 mil = 0.0254 mm = 25.4 µm · 1 oz/ft² = 35 µm Oberflächen kupfer (die Wandmetallisierung wird separat angegeben) · Δ°F = Δ°C × 9/5 · °F = °C × 9/5 + 32.
Hinweise: ① IPC-6012 Klasse 2 verlangt eine durchschnittliche Wandmetallisierung von ≥ 20 µm (≥ 25 µm für Klasse 3); bei Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis ist die Metallisierung in der Mitte der Bohrung dünner – lassen Sie die fertige Mindestdicke von Ihrem Leiterplattenhersteller bestätigen. ② Parallele Durchkontaktierungen teilen den Strom nicht gleichmäßig: Dieses Werkzeug wendet bei N > 1 einen Reduktionsfaktor von 0.75 für die Stromaufteilung an, sodass die Gesamtkapazität = Ipro Durchkontaktierung × N × 0.75 beträgt. ③ Aspektverhältnisse über 8:1 (Leiterplattendicke / Bohrungsdurchmesser) lassen sich nur schwer gleichmäßig metallisieren. ④ IPC-2221 ist bewusst konservativ; IPC-2152 oder eine thermische Simulation liefert bei Hochstromauslegungen genauere Ergebnisse. ⑤ Die Ergebnisse berücksichtigen keine gefüllten / verschlossenen Durchkontaktierungen, keine thermischen Entlastungen und keine Lötstopplackeffekte – nur als Auslegungshilfe; vor der Produktion durch Messungen überprüfen.
Häufig gestellte Fragen
Welchen Standard und welche Formel verwendet dieser Rechner?
IPC-2221. Eine Standard-Durchkontaktierung ist ein hohler Kupferzylinder; ihr leitender Querschnitt ist daher die ringförmige Wandfläche: A = π · t · (D + t), wobei D der fertige Bohrungsdurchmesser und t die Dicke der Wandmetallisierung ist. Die Stromformel lautet I = k · ΔT^0.44 · A^0.725, wobei A in mil² angegeben wird, k = 0.048 für äußere Leiter und 0.024 für innere Leiter gilt und ΔT den zulässigen Temperaturanstieg bezeichnet. Der Rechner gibt außerdem Widerstand, Spannungsabfall und Verlustleistung an und kann für einen Zielstrom den erforderlichen Mindestbohrungsdurchmesser berechnen.
Warum ist das thermische Modell für innere Leiter die Standardeinstellung?
Weil eine Durchkontaktierung von FR-4 und nicht von Luft umgeben ist. FR-4 ist ein Wärmeisolator. Die im Via entstehende Wärme kann sich daher nur in das Laminat und die angrenzenden Kupferflächen ausbreiten; sie kann nicht wie bei einer Leiterbahn an der Oberfläche an die Umgebung abgegeben werden. Der interne Koeffizient k = 0.024 ist daher die konservative Wahl — der externe Wert k = 0.048 würde die prognostizierte Belastbarkeit ungefähr verdoppeln. Wählen Sie „Extern“ nur, wenn das Via tatsächlich dem Luftstrom ausgesetzt oder mit einer großen Kühlfläche verbunden ist.
Was ist wichtiger: der Bohrungsdurchmesser oder die Galvanisierungsdicke?
In der Regel die Galvanisierungsdicke. Der Querschnitt beträgt A = π · t · (D + t), und die Wand des Vias ist sehr dünn — bei einer Bohrung von 0.3 mm und einer Galvanisierung von 25 µm beträgt die Kupferfläche nur 0.0255 mm². Das ist deutlich weniger als bei einer 0.3 mm breiten Leiterbahn auf der Oberfläche mit 1 oz Kupfer. Eine Verdopplung der Galvanisierungsdicke verdoppelt die Fläche nahezu; eine Vergrößerung der Bohrung bringt pro Platinenfläche deutlich weniger. IPC-6012 Klasse 2 verlangt im Durchschnitt 20 µm Kupfer im Bohrungszylinder (25 µm für Klasse 3); bei Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis ist die Kupferschicht in der Mitte des Bohrungszylinders dünner. Bestätigen Sie daher immer die fertige Mindestdicke bei Ihrem Leiterplattenhersteller.
Wie wird der Widerstand eines Vias berechnet, und spielt die Platinenstärke eine Rolle?
R = ρ·L/A, wobei ρ der spezifische Widerstand von Kupfer ist (1.72×10⁻⁸ Ω·m bei 20 °C, korrigiert für die Betriebstemperatur), L die Länge des Vias — bei einer durchkontaktierten Bohrung ungefähr die Platinenstärke — und A der galvanisierte Querschnitt. Ein typisches Via mit 0.3 mm Durchmesser und 25 µm Galvanisierung durch eine 1.6 mm starke Platine hat einen Widerstand von etwa 1.08 mΩ. Die Platinenstärke verändert nicht die Strombelastbarkeit, die vom Querschnitt abhängt, erhöht aber den Widerstand, den Spannungsabfall und die Verlustleistung. Außerdem steigt das Aspektverhältnis: Bei mehr als 8:1 lässt sich der Bohrungszylinder nur schwer gleichmäßig galvanisieren.
Wie viele parallel geschaltete Vias brauche ich für ein Netz mit hohem Strom?
Teilen Sie den Strom nicht einfach durch die Belastbarkeit eines einzelnen Vias. Fertigungstoleranzen und Layout-Asymmetrien führen zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung. Daher berücksichtigt dieser Rechner bei mehr als einem Via einen Reduktionsfaktor von 0.75 für die Stromaufteilung: Gesamtkapazität = Strom pro Via × N × 0.75. Ein Via mit 0.3 mm Durchmesser und 25 µm Galvanisierung, ausgelegt auf etwa 0.95 A bei einem Temperaturanstieg von 10 °C, benötigt beispielsweise 8 Vias, um 5 A mit einer Marge von +10% zu führen. Verteilen Sie die Vias gleichmäßig entlang des Strompfads, statt sie zu gruppieren, und achten Sie darauf, dass die Leiterbahnen zu den einzelnen Vias ausreichend breit sind.
Welchen Temperaturanstieg und welche Sicherheitsmarge sollte ich verwenden?
10 °C mit einer Marge von +10% ist die empfohlene Standardeinstellung. Ein Temperaturanstieg von 5 °C ist für geschlossene Gehäuse, hohe Umgebungstemperaturen und hochzuverlässige Platinen konservativer; 20–30 °C sind nur bei intermittierender Belastung akzeptabel. Die Marge erhöht den Auslegungsstrom, bevor der Rechner die minimale Bohrung oder die Anzahl der Vias ermittelt. Das Ergebnis berücksichtigt die Marge also bereits. Wählen Sie für eine kontinuierliche Volllast in einem heißen Gehäuse +20%.
Berücksichtigt der Rechner gefüllte Vias, Microvias und IPC-2152?
Nein — er modelliert ein herkömmliches hohles, durchkontaktiertes Via. Mit Kupfer gefüllte oder leitfähig verschlossene Vias haben einen größeren effektiven Querschnitt und können mehr Strom führen. Laser-Microvias sind blind und deutlich kürzer. Geben Sie daher als Via-Länge die Dicke der Dielektrikumlage und nicht die gesamte Platinenstärke ein. IPC-2221 ist ein älteres, bewusst konservatives empirisches Modell; IPC-2152 und thermische Simulationen stimmen bei modernen Lagenaufbauten besser mit Messungen überein. Betrachten Sie das Ergebnis als sichere Untergrenze und überprüfen Sie Strompfade mit hoher Belastung, indem Sie einen Testcoupon mit Strom beaufschlagen oder Wärmebildaufnahmen machen. LEADHUI kann Testcoupons mit Ihrem Produktions-Lagenaufbau herstellen.