Ein PCB-Leiterbahnbreiten-Rechner (Trace Width Calculator) ermittelt den minimal erforderlichen Leiterquerschnitt und die Leiterbahnbreite, um einen elektrischen Strom sicher zu führen, ohne eine zulässige Temperaturerhöhung zu überschreiten. Wenn elektrischer Strom durch eine geätzte Kupferleiterbahn fließt, erzeugt der ohmsche Widerstand Joulesche Wärme ($I^2R$). Da übermäßige Erwärmung das Dielektrikum schädigt, Kupferfolien delaminieren kann und thermische Drift in benachbarten Bauteilen hervorruft, ist die rechnerische Auslegung von Strom- und Masseleiterbahnen nach anerkannten Industriestandards — primär IPC-2152 und IPC-2221 — elementarer Bestandteil jedes Schaltungsentwurfs.
Dieser Leitfaden liefert die mathematischen IPC-Formeln, eine übersichtliche Referenztabelle für Außen- und Innenlagen, vollständig durchgerechnete Dimensionierungsbeispiele sowie Kriterien für den Übergang zu Dickkupfer-Leiterplatten.
Was ist ein PCB-Leiterbahnbreiten-Rechner?
Ein Leiterbahnbreiten-Rechner ist ein Dimensionierungswerkzeug, das elektrische und thermische Vorgaben in physikalische Leiterplattenabmessungen übersetzt. Im Gegensatz zu HF-Signalleitungen — deren Breite primär durch die kontrollierte Leitungsimpedanz ($Z_0$, berechnet mit einem Impedanz-Rechner) bestimmt wird — unterliegen Leistungsbahnen, Motoransteuerungen und Wandlerausgänge der thermischen Stromtragfähigkeit.
Das thermische Gleichgewicht stellt sich ein, wenn die elektrische Wärmeerzeugung der Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft, das Basismaterial und benachbarte Kupferflächen entspricht. Die Berechnung basiert auf vier Hauptparametern:
- Dauerstrom ($I$): Der Effektiv- oder Gleichstrom in Ampere (A).
- Zulässige Erwärmung ($\Delta T$): Der erlaubte Temperaturanstieg der Leiterbahn über die Umgebungstemperatur (üblich sind 10 °C bis 20 °C).
- Kupferdicke ($T$): Das Kupfergewicht, üblicherweise 0,5 oz (18 µm), 1 oz (35 µm) oder 2 oz (70 µm).
- Lagenposition: Außenlage (effiziente Konvektion und Wärmeabstrahlung) versus Innenlage (wärmetechnisch durch Prepreg und Kern isoliert).
Wie berechnet man die Leiterbahnbreite? (IPC-2152 vs. IPC-2221)
Historisch stützten sich Entwickler auf IPC-2221 (basierend auf empirischen Kurven der IPC-D-275 aus den 1950er Jahren). 2009 veröffentlichte das Standardisierungsgremium die modernisierte IPC-2152 (Standard for Determining Current-Carrying Capacity in Printed Board Design), die auf realen Messungen moderner Multilayer-Aufbauten und thermischer Kopplung basiert.
Die klassische IPC-2221 Berechnungsformel
Die IPC-2221 bestimmt den erforderlichen Leiterquerschnitt $A$ in Quadrat-Mils ($ ext{mil}^2$):
$$A = \left( rac{I}{k \cdot \Delta T^b} ight)^{ rac{1}{c}}$$
Mit den empirischen Konstanten:
- Für Außenlagen: $k = 0,048$, $b = 0,44$, $c = 0,725$
- Für Innenlagen: $k = 0,024$, $b = 0,44$, $c = 0,725$
Aus dem Querschnitt $A$ und der Kupferdicke $T$ (1 oz $pprox 1,378 ext{ mil}$) ergibt sich die Mindestbreite $W$ in mils:
$$W = rac{A}{T \cdot 1,378}$$
Da der Faktor $k$ für Innenlagen nur halb so groß ist wie für Außenlagen ($0,024$ vs. $0,048$), benötigt eine Innenleiterbahn etwa die doppelte Querschnittsfläche einer Außenleiterbahn, um denselben Strom bei identischer Erwärmung zu führen.
Referenztabelle: Leiterbahnbreite vs. Stromstärke
Berechnete Mindestbreiten nach IPC-Standards für typische Erwärmungen ($\Delta T = 10\ ^\circ ext{C}$ und $20\ ^\circ ext{C}$) bei 1 oz und 2 oz Kupfer:
| Stromstärke (A) | Lagentyp | Kupferdicke | Breite bei $\Delta T = 10\ ^\circ ext{C}$ (mil / mm) | Breite bei $\Delta T = 20\ ^\circ ext{C}$ (mil / mm) | Widerstand ($m\Omega/ ext{cm}$) | Spannungsabfall / 10 cm |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,0 A | Außenlage | 1 oz (35 µm) | 11,8 mil (0,30 mm) | 7,4 mil (0,19 mm) | 16,3 $m\Omega$ | 0,016 V |
| 1,0 A | Innenlage | 1 oz (35 µm) | 30,6 mil (0,78 mm) | 19,1 mil (0,49 mm) | 6,3 $m\Omega$ | 0,006 V |
| 2,0 A | Außenlage | 1 oz (35 µm) | 30,6 mil (0,78 mm) | 19,1 mil (0,49 mm) | 6,3 $m\Omega$ | 0,013 V |
| 2,0 A | Innenlage | 1 oz (35 µm) | 79,5 mil (2,02 mm) | 49,7 mil (1,26 mm) | 2,4 $m\Omega$ | 0,005 V |
| 3,0 A | Außenlage | 1 oz (35 µm) | 52,8 mil (1,34 mm) | 33,0 mil (0,84 mm) | 3,6 $m\Omega$ | 0,011 V |
| 3,0 A | Außenlage | 2 oz (70 µm) | 26,4 mil (0,67 mm) | 16,5 mil (0,42 mm) | 3,6 $m\Omega$ | 0,011 V |
| 5,0 A | Außenlage | 1 oz (35 µm) | 104,6 mil (2,66 mm) | 65,4 mil (1,66 mm) | 1,8 $m\Omega$ | 0,009 V |
| 5,0 A | Außenlage | 2 oz (70 µm) | 52,3 mil (1,33 mm) | 32,7 mil (0,83 mm) | 1,8 $m\Omega$ | 0,009 V |
| 5,0 A | Innenlage | 2 oz (70 µm) | 136,0 mil (3,45 mm) | 85,0 mil (2,16 mm) | 0,7 $m\Omega$ | 0,004 V |
| 10,0 A | Außenlage | 2 oz (70 µm) | 136,1 mil (3,46 mm) | 85,1 mil (2,16 mm) | 0,7 $m\Omega$ | 0,007 V |
| 10,0 A | Innenlage | 2 oz (70 µm) | 353,9 mil (8,99 mm) | 221,2 mil (5,62 mm) | 0,3 $m\Omega$ | 0,003 V |
Praxisnahe Berechnungsbeispiele
Beispiel 1: 1,5 A Sensorleitung auf 1 oz Außenlage ($\Delta T = 10\ ^\circ ext{C}$)
- Parameter: $I = 1,5 ext{ A}$, $\Delta T = 10\ ^\circ ext{C}$, $T = 1 ext{ oz}$ ($1,378 ext{ mil}$), Außenlage ($k = 0,048$).
- Berechnung: $$A = \left( rac{1,5}{0,048 \cdot 10^{0,44}} ight)^{ rac{1}{0,725}} pprox 28,9 ext{ mil}^2$$ $$W = rac{28,9}{1,378} pprox 21,0 ext{ mil} pprox 0,53 ext{ mm}$$
- Design-Entscheidung: Im CAD mit einer Standardbreite von 22 mil bis 25 mil routen, um Fertigungstoleranzen abzudecken.
Beispiel 2: 5 A Schaltreglerausgang auf 2 oz Innenlage ($\Delta T = 20\ ^\circ ext{C}$)
- Parameter: $I = 5,0 ext{ A}$, $\Delta T = 20\ ^\circ ext{C}$, $T = 2 ext{ oz}$ ($2,756 ext{ mil}$), Innenlage ($k = 0,024$).
- Berechnung: $$A = \left( rac{5,0}{0,024 \cdot 20^{0,44}} ight)^{ rac{1}{0,725}} pprox 234,3 ext{ mil}^2$$ $$W = rac{234,3}{2,756} pprox 85,0 ext{ mil} pprox 2,16 ext{ mm}$$
- Design-Entscheidung: Eine diskrete 85-mil-Leiterbahn (2,16 mm) auf einer Innenlage blockiert wertvollen Routingplatz. In der Praxis wird stattdessen eine Kupferfläche (Polygon Pour) angelegt oder der Strom über parallele Lagen mit Durchkontaktierungsfeldern aufgeteilt.
Häufige Fehler bei der Leiterbahndimensionierung
- Gleichbehandlung von Innen- und Außenlagen: Werden Außenlagenwerte auf Innenlagen angewandt, erwärmt sich die Leiterbahn um 30 °C bis 50 °C stärker als berechnet, was zu Delaminierung führen kann.
- Vernachlässigung des Ätzfaktors: 35 µm Basiskupfer weisen nach dem Ätzen oft nur 30 µm bis 33 µm effektive Dicke auf. Planen Sie 10 % bis 15 % Sicherheitszuschlag bei der Breite ein.
- Ignorieren des Spannungsabfalls: Auch wenn eine Leiterbahn thermisch stabil bleibt, kann ein parasitärer Gleichspannungsabfall ($V = I \cdot R$) über 20 cm Leitungslänge die Spannungsregelung empfindlicher ICs beeinträchtigen.
Wann auf Dickkupfer-Technologie umgestellt werden sollte
Wenn die errechnete Leiterbahnbreite 150 bis 200 mil (3,8 mm bis 5,0 mm) übersteigt, stößt herkömmliches Entflechten an Grenzen. Relevante Alternativen:
- Dickkupfer-Leiterplatten (3 oz bis 10 oz): Ermöglichen hohe Stromdichten bei moderaten Leiterbahnbreiten, siehe unsere Dickkupfer-Übersicht und den Dickkupfer-Fertigungsservice.
- Eingebettete Stromschienen (Busbars): Aufgelötete Kupferleisten für Ströme über 50 A.
- Kupferflächen mit Thermovias: Beidseitige Polygone, gekoppelt über dichte Via-Arrays.
Konsultieren Sie unseren Leiterplattendesign-Leitfaden und die IPC-2221 Übersicht.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wie breit muss eine PCB-Leiterbahn für 1A sein?
Für 1A auf einer standardmäßigen 1-oz-Außenlage bei 10 °C Erwärmung wird eine Mindestbreite von ca. 12 mil (0,30 mm) empfohlen. Auf einer Innenlage sollte die Breite auf ca. 30 mil (0,78 mm) erhöht werden.
Worin liegt der Unterschied zwischen IPC-2152 und IPC-2221?
IPC-2221 nutzt historische Tabellen isolierter Leiterbahnen und liefert oft konservative Werte. IPC-2152 basiert auf realen thermischen Messungen und berücksichtigt Leiterplattendicke und benachbarte Kupferflächen.
Verändert die Kupferdicke die erforderliche Leiterbahnbreite?
Ja. Die Stromtragfähigkeit hängt vom Querschnitt (Dicke × Breite) ab. Eine Verdoppelung der Kupferdicke von 1 oz (35 µm) auf 2 oz (70 µm) halbiert die erforderliche Leiterbahnbreite für denselben Strom.
Was ist ein PCB-Leiterbahngrößen-Rechner?
Ein PCB-Leiterbahngrößen-Rechner ist ein Werkzeug, das anhand thermischer IPC-Gleichungen die benötigte Leiterbahnbreite und Kupferdicke für eine gegebene Strombelastung und Lagenkonfiguration berechnet.
Hochstrom-Leiterplatten mit HILPCB fertigen
HILPCB bietet präzise Fertigung und fundierte DFM-Reviews für Hochstrom- und Multilayer-Baugruppen:
- Vollständige Kupferstärken: Von standardmäßigen 1 oz/2 oz bis zu extremem Dickkupfer (3 oz bis 10 oz+).
- Zuverlässige Lagenaufbauprüfung: Pre-Production-Reviews zur Überprüfung von Leiterquerschnitten und Wärmefallen.
- 100 % Qualitätssicherung: Elektrische Prüfung und mikroskopische Schliffbilder zur Absicherung der Kupferdicke.
Laden Sie Ihre Gerber-Dateien in unserem PCB-Fertigungsservice für eine DFM-Prüfung und ein Angebot hoch.
Die Wahl von 1 oz Standardkupfer anstelle von dickem 3 oz Kupfer verhindert Aufschläge für Überätzung und senkt den Leiterplattenpreis.