Leiterbahnbreite auf der Leiterplatte berechnen
Berechnen Sie die minimale Leiterbahnbreite für einen vorgegebenen Strom nach der IPC-2221-Formel. Geben Sie Strom, Temperaturerhöhung, Kupferdicke und Lagentyp ein und erhalten Sie die Breite in mil und mm.
Kupferleiterbahn für Ihren Strom bemessen
Formel für die Leiterbahnbreite
Dabei bedeuten:
- \(A\) — erforderlicher Leiterbahnquerschnitt (mil²)
- \(I\) — maximaler Dauerstrom (A)
- \(\Delta T\) — zulässige Temperaturerhöhung über der Umgebungstemperatur (°C)
- \(k\) — Lagenkonstante: \(k = 0.048\) für Außenlagen (luftgekühlt), \(k = 0.024\) für Innenlagen (eingebettet)
- \(W\) — minimale Leiterbahnbreite (mil)
- \(t\) — Kupferdicke (mil; 1 oz/ft² ≈ 1,37 mil ≈ 34,8 µm)
Es handelt sich um die generalisierten Kurven des IPC-2221-Standards für Kupferleiterbahnen. Die erste Gleichung liefert den Querschnitt, der nötig ist, damit die Temperaturerhöhung höchstens \(\Delta T\) beträgt; die zweite rechnet diesen Querschnitt für die tatsächlich vorhandene Kupferdicke in eine Breite um.
Leiterbahnbreite — Rechenbeispiel
Beispiel: Eine Außenlage mit 1 oz/ft² Kupfer soll dauerhaft 2 A führen, bei einer maximalen Temperaturerhöhung von 10 °C.
\[ k \, \Delta T^{0.44} = 0.048 \times 10^{0.44} \approx 0.1322 \]
\[ A = \left( \frac{2}{0.1322} \right)^{1/0.725} \approx (15.13)^{1.379} \approx 42.4 \text{ mil}^2 \]
\[ W = \frac{42.4}{1.37} \approx 30.9 \text{ mil} \approx 0.786 \text{ mm} \]
Ergebnis: Die Leiterbahn muss mindestens 30,9 mil (0,786 mm) breit sein; der Querschnitt beträgt rund 42,4 mil² (0,0273 mm²).
So bedienen Sie den Leiterbahnbreiten-Rechner
- Geben Sie den Strom (I) ein, den die Leiterbahn dauerhaft führen soll, in Ampere. Rechnen Sie mit dem ungünstigsten Maximalstrom, nicht mit dem typischen Wert.
- Legen Sie die Temperaturerhöhung (ΔT) fest, die Sie zulassen können — üblich sind 10–20 °C für allgemeine Anwendungen und weniger für empfindliche oder dicht bestückte Platinen.
- Geben Sie die Kupferdicke der Lage ein und wählen Sie die Einheit: oz/ft² (Kupfergewicht) oder µm. Standardmäßige Außenlagen haben 1 oz/ft² ≈ 35 µm.
- Wählen Sie den Lagentyp: Außenlage (luftgekühlt) oder Innenlage (eingebettet). Innenlagen geben Wärme schlechter ab und benötigen breitere Leiterbahnen.
- Lesen Sie die minimale Leiterbahnbreite in mil und mm sowie den erforderlichen Querschnitt ab. Im Block mit den Berechnungsdetails sehen Sie die verwendeten Konstanten.
Was ist die Leiterbahnbreite und warum ist sie so wichtig?
Eine Kupferleiterbahn auf einer Platine ist ein Leiter mit einem endlichen Widerstand. Fließt Strom hindurch, wandelt dieser Widerstand elektrische Leistung in Wärle um, und die Leiterbahn erwärmt sich, bis ihre Wärmeverluste im Gleichgewicht mit der erzeugten Wärme stehen. Ist die Leiterbahn für den Strom zu schmal, wird sie heiß: Lötstellen altern, benachbarte Bauteile heizen sich auf, Klebstoff und Laminat können verfärben, und im Extremfall kann das Kupfer selbst wie ein Schmelzdraht durchbrennen.
Die Leiterbahnbreite ist damit eine thermische Entwurfsentscheidung. Eine breitere oder dickere Leiterbahn hat einen größeren Querschnitt, einen geringeren Widerstand und eine bessere Wärmeausbreitung — sie erwärmt sich bei gleichem Strom also weniger. Der IPC-2221-Standard hat Jahrzehnte an Messdaten in zwei Kurven zusammengefasst, die Strom, Temperaturerhöhung und Querschnittsfläche zueinander in Beziehung setzen — genau diese Formeln setzt dieser Rechner um. Bei gleichem Querschnitt halbiert eine Verdopplung der Kupferdicke die erforderliche Breite; deshalb spezifizieren stromstarke Platinen oft 2 oz Kupfer oder mehr, statt extrem breite Leiterzüge zu verwenden.
Das Ergebnis ist eine minimale Breite, kein Zielwert. In der Praxis sollten Sie auf die nächste in der Leiterzuggliste Ihres CAD-Programms verfügbare Breite aufrunden und Spielraum für Fertigungstoleranzen einplanen. Beachten Sie auch, dass die Leiterbahnbreite Leiterbahnen mit definierter Impedanz beeinflusst — führt die Leiterbahn schnelle Signale, kann die Impedanz statt des Stroms die Breite vorgeben; Sie sollten dann beide Randbedingungen prüfen. Was den Spannungsfall angeht, folgt der Leiterbahnwiderstand dem Ohmschen Gesetz: Eine lange, dünne Leiterbahn, die Ampere führt, kann auf ihrem Weg eine erstaunliche Spannung verlieren.
Annahmen und Grenzen
- Empirische Grundlage IPC-2221: Die Formeln sind eine Kurvenanpassung an Messdaten und liegen unter den Bedingungen der Originaltests bei etwa ±10–20 % Genauigkeit. Betrachten Sie das Ergebnis als Richtwert, nicht als Garantie.
- Stationärer Strom: Die Rechnung geht von einem dauerhaften Gleich- oder Effektivstrom aus. Kurze Impulse und transiente Spitzen können auch deutlich schmalere Leiterbahnen verkraften, weil die Wärmekapazität des Kupfers die Temperaturerhöhung begrenzt — für gepulste Lasten ist eine separate transiente Analyse nötig.
- Einzelne Leiterbahn: Das Modell nimmt eine einzelne Leiterbahn bei gleichmäßiger Temperatur an. Kupferflächen, Masseflächen, benachbarte warme Bauteile, erzwungene Luftkühlung sowie gekapselte oder gestapelte Platinen verändern die tatsächliche Temperaturerhöhung — bei dichten Layouts meist nachteilig.
- 10 °C oder 20 °C Erhöhung: Die gewählte Temperaturerhöhung ist ein Kompromiss. Ein kleineres ΔT verlängert die Lebensdauer der Platine und hält die Bauteile kühler, erfordert aber spürbar breitere Leiterbahnen; 10 °C sind konservativ, 20 °C sind bei kostengetriebenen Designs üblich.
- Vias und Pads: Der Strom muss auch durch Vias fließen. Ein Via hat nur einen begrenzten Kupferzylinderquerschnitt; prüfen Sie bei stark belasteten Pfaden die Stromtragfähigkeit der Vias separat oder schalten Sie mehrere Vias parallel.
- Verwandte Bemessungsaufgaben: Wird der Strom über Drähte von der Platine geführt, übernimmt der Drahtquerschnitts-Rechner die Kabelseite, und der Rechner für Mikrostreifen-Übersprechen auf der Platine behandelt den Abstand benachbarter Leiterzüge.
Kupferdicke — Umrechnungstabelle
| Kupfergewicht | Dicke (µm) | Dicke (mil) |
|---|---|---|
| 0,5 oz/ft² | 17,4 | 0.68 |
| 1 oz/ft² | 34,8 | 1.37 |
| 2 oz/ft² | 69,6 | 2.74 |
| 3 oz/ft² | 104,4 | 4.11 |
| 4 oz/ft² | 139,2 | 5.48 |
Die meisten Standardplatinen haben 1 oz/ft² auf den Außenlagen und 0,5 oder 1 oz/ft² auf den Innenlagen. Die richtige Dicke einzugeben ist entscheidend: Eine 0,5-oz-Lage braucht bei gleichem Strom die doppelte Breite einer 1-oz-Lage.
Häufig gestellte Fragen
Wie berechne ich die Leiterbahnbreite von Hand?
Mit den IPC-2221-Formeln. Bestimmen Sie zuerst den erforderlichen Querschnitt: \(A = (I / (k \, \Delta T^{0.44}))^{1/0.725}\) mit \(k = 0.048\) für Außenlagen bzw. \(k = 0.024\) für Innenlagen. Teilen Sie dann durch die Kupferdicke in mil, um die Breite in mil zu erhalten: \(W = A / t\). Beispiel: 3 A auf einer Außenlage mit 1 oz/ft² und 10 °C Erhöhung erfordern rund 82 mil² Kupfer, das entspricht etwa 60 mil (1,5 mm).
Welche Leiterbahnbreite brauche ich für übliche Ströme wie 1 A, 3 A oder 10 A?
Für eine Außenlage mit 1 oz/ft² und einer Temperaturerhöhung von 10 °C gelten grob: 1 A erfordert etwa 15 mil (0,38 mm), 3 A etwa 60 mil (1,5 mm) und 10 A etwa 180 mil (4,6 mm). Innenlagen brauchen ungefähr die doppelte Breite, weil die Wärme nicht an bewegte Luft abgegeben werden kann. Prüfen Sie stets mit Ihrem tatsächlichen Kupfergewicht und Ihrer zulässigen Temperaturerhöhung nach — beide Größen verschieben das Ergebnis deutlich.
Welche Temperaturerhöhung ist für eine Leiterbahn normal bzw. sicher?
Eine Erhöhung von 10 °C über der Umgebungstemperatur ist die konservative Wahl und Standard für langlebige oder dicht bestückte Platinen. 20 °C sind in preisgünstigen Consumer-Produkten üblich, und 30–40 °C finden sich in leistungsstarken Designs, deren Umgebung das mitmacht. Die zulässige Erhöhung ist ein Kompromiss: Ein kleineres ΔT bedeutet kühlere, zuverlässigere Platinen, aber spürbar breitere Leiterbahnen. Beachten Sie, dass IPC-2221 von 25 °C Umgebungstemperatur ausgeht; ziehen Sie bei einem heißen Gehäuse Ihre tatsächliche Umgebungstemperatur ab.
Wie rechne ich oz/ft², µm und mil für die Kupferdicke ineinander um?
Kupfergewicht und Dicke hängen so zusammen: 0,5 oz/ft² ≈ 17,4 µm ≈ 0,68 mil, 1 oz/ft² ≈ 34,8 µm ≈ 1,37 mil und 2 oz/ft² ≈ 69,6 µm ≈ 2,74 mil. Denken Sie daran: 1 mil = 25,4 µm = 0,0254 mm. Beachten Sie, dass die fertige Kupferdicke auf Außenlagen die Galvanik mit einschließt — eine Außenlage mit 1 oz Endkupfer ist oft dicker als die Ausgangsfolie. Rechnen Sie mit der fertigen Dicke.
Warum braucht eine Innenlage eine breitere Leiterbahn als eine Außenlage?
Innenliegende Leiterbahnen stecken im FR-4-Laminat, das Wärme deutlich schlechter leitet als Luft mit Konvektion. Da die IPC-2221-Konstante für Innenlagen \(k = 0.024\) nur halb so groß ist wie der Außenlagenwert 0.048, braucht eine Innenlage bei gleichem Strom und gleicher Temperaturerhöhung rund den doppelten Querschnitt — und damit etwa die doppelte Breite. Deshalb werden stromstarke Verbindungen meist auf Außenlagen geführt oder über Kupferflächen auf Innenlagen realisiert.
Gilt IPC-2221 auch für kurze Stromimpulse und transiente Spitzen?
Nein. Die IPC-2221-Kurven gehen von dauerhaftem, stationärem Strom aus. Kurze Impulse — Anlaufströme von Motoren, kapazitives Laden, kurzzeitige Fehlerströme — können auch deutlich schmalere Leiterbahnen verkraften, weil die Wärmekapazität des Kupfers die Energie aufnimmt, bevor sich die Leiterbahn erwärmt. Für Impulse kürzer als etwa eine Sekunde ist eine transiente thermische Analyse (oder ein spezieller Impulsstrom-Rechner) nötig; IPC-2221 überschätzt die erforderliche Breite in diesem Fall einfach.
Welche Fehler werden bei der Bemessung von Leiterbahnen am häufigsten gemacht?
Die häufigsten Fehler sind: mit dem typischen statt dem maximalen Strom rechnen; das Basis-Kupfergewicht statt der fertigen Dicke eingeben; vergessen, dass Innenlagen etwa die doppelte Breite brauchen; der Spannungsfall auf langen Leiterbahnen ignoriert wird — der Widerstand summiert sich und kann dem Verbraucher die Spannung abknöpfen; und vergessene Vias, deren schmale Kupferzylinder starke Ströme oft stärker begrenzen als die Leiterbahn selbst. Und: Runden Sie die berechnete Breite immer nach oben auf, nie nach unten, um die ±10–20 % Genauigkeit der IPC-2221-Kurvenanpassung abzudecken.