Wenn sich zu viele Bauteile auf einer Leiterplatte befinden, kann dies zu einer Überlastung führen, die negative Auswirkungen wie eine verminderte elektrische Leistung und eine geringere Wärmeableitung haben kann. Wenn sich also viele Bauteile auf einer PCB-PlatineWie können wir feststellen, ob die Leiterplatte überlastet ist?
Methoden zur Bestimmung der PCB-Überlastung
1. Prüfung der aktuellen Parameter
- Verwenden Sie ein hochpräzises Zangenmessgerät, um den Betriebsstrom kritischer Schaltkreise zu messen.
- Vergleichen Sie mit den Entwurfsparametern:
- Herkömmliche 1,5 mm²-Leiter haben einen sicheren Nennstrom von 16 A (bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C).
- 100mil Leitungsbreite/1OZ Kupferdicke hat eine maximale Stromstärke von 4,5A (basierend auf einem 10°C Temperaturanstieg Standard)
- Bestimmungskriterien: Wenn der gemessene Strom ≥80% des Auslegungswertes beträgt, ist eine Warnung erforderlich
2.Analyse der Temperaturanstiegscharakteristik
- Prüfgerät:Infrarot-Wärmebildkamera (Auflösung ≤ 0,1°C)
- Sicherheitsschwellen:
- PVC-Isoliermaterial: Leitertemperatur ≤ 70°C
- FR-4 Substrat:Lokaler Temperaturanstieg ≤ 20°C (bezogen auf die Umgebungstemperatur)
- Abnormale Indikatoren:Verfärbung/Erweichung der Isolierschicht, Verformung der Lötstelle
3.Überprüfung der Tragfähigkeit
- Berechnungsformel:I = Kx - P / (U - cosφ)
(Kx wird als 0,7-0,8 angenommen, cosφ wird als 0,85 empfohlen)
- Beispiel für eine Überprüfung:
220V/3500W ohmsche Last Stromberechnung ≈ : 15.9A
Erfordert ein passendes 2,5mm² Kabel (Gestaltungsspielraum 20%)
4.Physischer Zustand Diagnose
- Typische Fehlereigenschaften:
- Abblättern der Kupferfolie (Scherspannung übersteigt den Grenzwert)
- Verkohlungsspuren (lokalisierte hohe Temperatur > 300°C)
- Abnormaler Betrieb von Schutzeinrichtungen (≥3 Auslösungen innerhalb von 24 Stunden)
5.Überprüfung der Entwurfsspezifikation
Tabelle zum Abgleich der Schlüsselparameter:
| Aktuelle Anforderung | Anforderung an die Kupferdicke | Mindestlinienbreite | Ergänzende Maßnahmen |
|---|
| ＜5A | 1OZ | 20 Millionen | Einseitiges Fräsen |
| 5-20A | 2OZ | 80 Millionen | Fenster hinzufügen |
| ＞100A | 4OZ | 15mm | Unterstützung für Kupfersammelschienen |
Priorisieren Sie ein schnelles Screening durch Strommessung und Temperaturüberwachung, kombiniert mit einer Lastberechnung und einer Gegenprüfung durch physische Inspektion. Wählen Sie bei Hochleistungs-Leiterplatten in der frühen Entwurfsphase die Leiterbahnbreite und die Kupferdicke streng nach der Tabelle für die Strombelastbarkeit aus und berücksichtigen Sie die Wärmeableitung. Welche Folgen hat eine Überlastung für die Leiterplatte?
Auswirkungen von Überlastung auf PCBs
1. Dreifacher Zerstörungsmechanismus der elektrischen Leistung
- Effekt der Impedanzinstabilität
Signifikante Zunahme des Drahtwiderstands: ΔR = ρ - L - (1/S₁ – 1/S₂) (S ist die Änderung der Querschnittsfläche)
Typischer Fall: Überlastung der Stromleitungen verursacht eine ±15%ige Schwankung der MCU-Versorgungsspannung und löst einen Systemreset aus (aktuelle Messdaten)
- Zusammenbruch der Signalintegrität
Metriken für die Verschlechterung von Hochgeschwindigkeitssignalen:
Schließung des Augendiagramms > 30%
Verzögerungsschräglage ≥ 50 ps
Crosstalk-Rausch-Verhältnis > -12 dB
- 3EMI-Strahlung übersteigt die Normen
EMI-Spitzenpegel auf überlasteten Leitungen steigen um 20-35 dBμV/m
Beispiel für ein verschlechtertes Signal-Rausch-Verhältnis in empfindlichen Schaltungen:
Audio-ADC-Abtastfehlerrate steigt von 0,1% auf 3,2%
2.Thermodynamisches Ausfallspektrum
- Schwellenwerte für Sachschäden Materialtyp Kritische Temperatur Ausfallmodus FR-4-Substrat 130°C Delaminierung und Rissbildung 1 oz Kupferfolie 260°C Schmelzen und Verformung Blei-Zinn-Lot 183°C Flüssigkeitsmigration Lötmaskenfarbe 70°C Karbonisierung und Abschälen
- Typische thermische Fehlerkette
Überstrom → Lokaler Temperaturanstieg > 85°C → Kriechen der Lötstelle → Erhöhter Kontaktwiderstand → Thermisches Durchgehen (positive Rückkopplungsschleife)
3.Risikomatrix auf Systemebene
- Verteilung der Ausfallwahrscheinlichkeit
Leistungsmodul: 68%
Stromschnittstelle: 22%
Signalleitungen: 10%
- Modell der sekundären Schäden
Einflussradius der Wärmestrahlung: R = 3,5 - √P (P ist die Wärmeerzeugungsleistung, Einheit: W)
Gehäuse:Eine 10-W-Wärmequelle verursacht eine Kapazitätsdrift von ±15 % innerhalb von 3 cm um das MLCC
PCB-Überlastsystem-Lösung (Vierdimensionales Optimierungssystem)
1. Lösung zur Verbesserung der elektrischen Leistung
- Derzeitige Tragfähigkeit Verbesserung
- Optimierung der Kupferschicht: 4OZ dickes Kupfer + 15mm breite doppelseitige Verdrahtung (Lösung auf 100A-Niveau)
- Verbesserte Prozesse:
Fensteröffnende Verzinnung von Leitern (Verbesserung der Strombelastbarkeit um 40%)
Kupfer-Sammelschienen-Hilfsstromaufteilung (200A-Anwendungsfall in Industriequalität)
- Leistungsschicht mit vollständigem Kupferplattendesign (Impedanz < 5mΩ)
- Matrix-Vias-Array (12mil-Vias-Gruppe, die sich 20A Strom teilen)
2.Intelligente Wärmemanagementlösung
- Konstruktion der Wärmeableitungsstruktur
- Konfiguration der Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung (＞5W):
Lochgruppe zur Wärmeabfuhr an der Unterseite (Φ0,3mm×50 Löcher)
Platinenrand-Layout + Kühlkörper aus Aluminiumlegierung (60 % Temperaturabfall)
- Spezifikationen für die thermische Auslegung
- Thermische Empfindlichkeit Bauteilabstände ≥8mm
- Gleichmäßige Verteilung der Wärmequellen (Temperaturdifferenzregelung <15°C)
3.High-Density-Layout-Strategie
- Entwurf der Signalintegrität
- Isolierung der digitalen/analogen Schicht (Abschirmung der GND-Zwischenschicht)
- Hochgeschwindigkeits-Signale:
Kontrolle der gleichmäßigen Länge (±50 mil)
Symmetrisches Layout der RF-Komponenten (12 dB Rauschunterdrückung für 5G-Module)
- Lösung zur Hochspannungsisolierung
- >50V Bereiche:
15mm Sicherheitsabstand
2mm Isolierung Schlitzisolierung
4.Fortschrittliche Prozesslösungen
- Spezielles Laminierverfahren
- Sandwich-Kupferschichtstruktur (1,5 mm eingebettete Kupferschicht)
- Anwendung von Hochfrequenzplattenmaterial (Rogers 4350B@1GHz+)
- Thermische Simulation (ΔT < 15°C/cm)
- Signalprüfung (TDR-Impedanzschwankung ≤ 10%)
- DFM-Normen (Linienbreite/Abstand ≥ 4 mil)
| Optimierungsphase | Technische Schlüsselindikatoren |
|---|
| 1. Grundlagen der Stromkapazität | Kupferstärke ≥4OZ + Leiterbahnbreite ≥15mm |
| 2. Wärmemanagement | Reduzierung der Temperatur von Schlüsselkomponenten um ≥30% |
| 3. Signal-Optimierung | Nebensprechunterdrückung 12dB |
| 4. Prozess-Upgrade | Verbesserung der Ausbeute um 27% |
Hinweis: Nach Anwendung dieser Lösung auf ein 5G-Basisstationsmodul wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:
- Um 300% erhöhte Dauerstrombelastbarkeit
- Thermische Ausfallrate um 82% gesunken
- Konformitätsrate der Signalintegrität erreicht 100
Welche Maßnahmen sollten ergriffen werden, um eine Überlastung von Leiterplatten zu verhindern? Die Vermeidung von Leiterplattenüberlastungen erfordert eine gemeinsame Kontrolle des gesamten Entwurfs-, Herstellungs- und Prüfprozesses.
PCB-Überlastungsschutzplan
1. Schutzstrategie in der Entwurfsphase
- Präzise Auslegung der Stromtragfähigkeit
- Aktueller Standard zur Berechnung der Tragfähigkeit:
Mathe
I_{max} = K \cdot \Delta T^{0.44} \cdot W^{0.725}
(K=0,048, ΔT ist der zulässige Temperaturanstieg, W ist die Linienbreite in mils)
- Typische Konfigurationsschemata:
- Konventionelle Anwendungen: 2OZ Kupferdicke + 100mil Leitungsbreite (10A-Klasse)
- Hochstrom-Schemata:4OZ Kupferstärke + beidseitige 15mm Leiterbahnen + Kupferschienen (100A Klasse)
- Entwurf der Energieintegrität
- Entkopplungskondensator-Matrix:
- Hochfrequenzbereich: 0402 10nF Keramikkondensator (ESL < 0,5nH)
- Mittelfrequenzbereich: 0603 100nF Kondensator
- Niederfrequenzbereich: 1206 10μF Tantal-Kondensator
- Verbessertes Wärmemanagement
- Spezifikationen für die Wärmeableitung der Lochanordnung:
- Durchmesser der Löcher: Φ0.3mm
- Achsabstand:0,8 mm
- Wabenförmige Anordnung (Verbesserung der Wärmeableitung um 35 %)
2.Fortgeschrittene Fertigungsverfahren
- Spezielle Verarbeitungstechnologien
- Verfahren mit hoher Strombelastbarkeit:
- VIPPO-Kupferfüllung (40 % weniger Übergangswiderstand)
- Selektive Kupferdicke (4OZ Verdickung in lokalen Bereichen)
- Prozessparameter der Dreifach-Beschichtung:
| Art der Beschichtung | Dicke | Temp. widerstand | Salzsprühnebeltest | Wesentliche Merkmale |
|---|
| Silikon | 0,1 mm | 200°C | 1000 Stunden | Hohe Flexibilität, ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit |
| Polyurethan | 0,15 mm | 130°C | 500 Stunden | Hervorragende Abriebfestigkeit, guter Chemikalienschutz |
3.Prüf- und Überwachungssystem
- Normen für Produktionsprüfungen
- ICT-Testaufgaben:
- Impedanztest (±5% Toleranz)
- Isolationswiderstand (≥100MΩ)
- Spannungsfestigkeitsprüfung (500V DC/60s)
- Intelligentes Überwachungssystem
- Echtzeit-Überwachungsparameter:
- Stromdichte (≤4A/mm²)
- Hotspot-Temperatur (≤85℃)
- Schwingungsspektrum (<5g RMS)
4.Wichtige Design-Spezifikationen
| Aktuelle Bewertung | Kupferdicke | Min. Leiterbahnbreite | Maximaler Temperaturanstieg | Design-Empfehlungen |
|---|
| ≤5A | 1 Unze (35μm) | 50 mil (1,27 mm) | ≤10°C | Einschichtiges Routing |
| 20A | 2 Unzen (70μm) | 3mm | ≤15°C | Thermisches Via-Array |
| 100A+ | 4 Unzen (140μm) | 15mm | ≤20°C | Kupferschienen mit Flüssigkeitskühlung |
5.Hochzuverlässige Lösungen
- Schutz nach Militärstandard
- Symmetrischer Laminataufbau (≤5% Impedanzabweichung)
- Stickstoffgefüllte Verpackung (Sauerstoffgehalt <100ppm)
- Dreistufiger Warnmechanismus:
Stufe 1: Akustischer und optischer Alarm, wenn die Temperatur 85°C überschreitet
Stufe 2: Automatische Frequenzreduzierung, wenn der Strom den Grenzwert überschreitet
Stufe 3: Schmelzsicherung (Auslösezeit < 50 ms)
Zusammenfassung
Überlastungsprobleme bei Leiterplatten führen zu einer Verschlechterung der elektrischen Leistung, zu thermischen Ausfällen und zu Risiken für die Systemstabilität und müssen während des gesamten Entwurfs-, Herstellungs- und Prüfprozesses kontrolliert werden. Durch präzise Berechnungen der Strombelastbarkeit (z. B. 4 oz Kupferdicke + 15 mm Leiterbahnbreite für 100 A), fortschrittliches thermisches Design (wabenförmige Wärmeableitungslöcher, die den Temperaturanstieg um 35 % reduzieren), strenge Prozesskontrolle (VIPPO-Kupferfüllung, die den Widerstand um 40 % reduziert) und intelligente Überwachung (Strom-/Temperaturwarnungen in Echtzeit) kann die Zuverlässigkeit von Leiterplatten erheblich verbessert werden.