Die Wahl der richtigen Leiterbahnbreite ist eine der kritischsten Entscheidungen im PCB-Design. Zu schmal, und Ihre Leiterbahn überhitzt, schmilzt oder wird zur Sicherung. Zu breit, und Sie verschwenden Platinenplatz, der für Routing oder Bauteile genutzt werden könnte. Dieser Leitfaden deckt alles ab, was Sie über PCB-Leiterbahnbreiten-Berechnungen wissen müssen.
1. Warum Leiterbahnbreite wichtig ist
Jede PCB-Leiterbahn hat einen elektrischen Widerstand, und wenn Strom durch diesen Widerstand fließt, erzeugt er Wärme (P = I²R). Die Leiterbahn muss breit genug sein, um:
- Den erforderlichen Strom zu führen ohne übermäßige Erwärmung
- Unter einem sicheren Temperaturanstieg zu bleiben (typischerweise 10-20°C über Umgebungstemperatur)
- Impedanzanforderungen zu erfüllen für Hochgeschwindigkeitssignale
- Die Fertigung zu überstehen ohne Defekte oder Brüche
- Transiente Ströme zu bewältigen (Anlauf, Motorstillstand, Kurzschluss)
Kritische Warnung
Eine zu kleine Leiterbahn kann wie eine Sicherung wirken und bei Überstrom schmelzen, was zu Platinenausfall oder Brand führen kann. Fügen Sie Ihren Berechnungen immer einen Sicherheitsabstand hinzu.
2. IPC-Standards erklärt (IPC-2221 vs IPC-2152)
Zwei Haupt-IPC-Standards regeln die Leiterbahnbreiten-Berechnungen. Zu verstehen, wann man welchen verwendet, ist für professionelle Designs unerlässlich.
IPC-2221: Der klassische Standard
IPC-2221 (Generischer Standard für Leiterplattendesign) ist seit 1998 der Industriestandard. Seine Leiterbahnbreiten-Tabellen stammen aus Militärspezifikationen (MIL-STD-275) aus den 1950er-60er Jahren.
IPC-2221 Formel (Außenlagen):
I = 0.048 × ΔT^0.44 × A^0.725
IPC-2221 Formel (Innenlagen):
I = 0.024 × ΔT^0.44 × A^0.725
Wobei:
- I = Strom in Ampere
- ΔT = Temperaturanstieg über Umgebungstemperatur in °C
- A = Querschnittsfläche in mils² (Breite × Dicke)
IPC-2152: Der moderne Standard
IPC-2152 (Standard zur Bestimmung der Strombelastbarkeit im Leiterplattendesign) wurde 2009 auf Basis umfangreicher Tests des Naval Surface Warfare Center veröffentlicht. Er umfasst:
- Moderne FR-4-Materialien und Fertigungsprozesse
- Auswirkungen von Kupferflächen in der Nähe von Leiterbahnen
- Umweltfaktoren (Luftstrom, Gehäuse)
- Genauere Vorhersagen für heutige PCBs
Welchen Standard verwenden?
Für die meisten Hobby- und kommerziellen Projekte wird IPC-2221 immer noch weit verbreitet verwendet und liefert konservative Schätzungen. Verwenden Sie IPC-2152, wenn Sie genauere Vorhersagen benötigen, insbesondere für Hochstrom-Designs oder Platinen mit Kupferfüllungen.
3. Die Leiterbahnbreiten-Formel
Um die Leiterbahnbreite zu berechnen, müssen wir die IPC-2221-Formel nach Breite auflösen. Hier ist die schrittweise Ableitung:
Schritt 1: Erforderliche Querschnittsfläche berechnen
A = (I / (k × ΔT^0.44))^(1/0.725)
Schritt 2: Leiterbahnbreite berechnen
Breite (mils) = A / (Dicke × 1.378)
Wobei:
- k = 0.048 für Außenlagen
- k = 0.024 für Innenlagen
- Dicke in oz/ft² (1 oz = 1.378 mils)
Vereinfachte Formel für 1oz Kupfer
Für den häufigen Fall von 1oz Kupfer mit 10°C Temperaturanstieg:
Außenlage: Breite (mils) ≈ I^1.378 × 10.5
Innenlage: Breite (mils) ≈ I^1.378 × 21
Diese Näherung ist innerhalb von 10% genau für Ströme von 0,5A bis 10A.
4. Vollständige Leiterbahnbreiten-Tabellen
Diese Tabellen bieten Schnellreferenzwerte basierend auf IPC-2221. Verwenden Sie sie als Ausgangspunkt und überprüfen Sie dann mit einem Rechner.
Außenlage - 1oz Kupfer (35μm / 1.4 mils)
| Strom | 10°C Anstieg | 20°C Anstieg | 30°C Anstieg |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 5 mil (0.13mm) | 3 mil (0.08mm) | 2.5 mil (0.06mm) |
| 1A | 10 mil (0.25mm) | 7 mil (0.18mm) | 5 mil (0.13mm) |
| 2A | 30 mil (0.76mm) | 20 mil (0.51mm) | 15 mil (0.38mm) |
| 3A | 50 mil (1.27mm) | 35 mil (0.89mm) | 25 mil (0.64mm) |
| 4A | 80 mil (2.03mm) | 55 mil (1.40mm) | 40 mil (1.02mm) |
| 5A | 110 mil (2.79mm) | 75 mil (1.91mm) | 60 mil (1.52mm) |
| 7A | 175 mil (4.45mm) | 120 mil (3.05mm) | 95 mil (2.41mm) |
| 10A | 300 mil (7.62mm) | 200 mil (5.08mm) | 160 mil (4.06mm) |
Innenlage - 1oz Kupfer (35μm / 1.4 mils)
| Strom | 10°C Anstieg | 20°C Anstieg | 30°C Anstieg |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 15 mil (0.38mm) | 10 mil (0.25mm) | 8 mil (0.20mm) |
| 1A | 35 mil (0.89mm) | 22 mil (0.56mm) | 17 mil (0.43mm) |
| 2A | 90 mil (2.29mm) | 60 mil (1.52mm) | 45 mil (1.14mm) |
| 3A | 160 mil (4.06mm) | 105 mil (2.67mm) | 80 mil (2.03mm) |
| 4A | 240 mil (6.10mm) | 160 mil (4.06mm) | 125 mil (3.18mm) |
| 5A | 330 mil (8.38mm) | 220 mil (5.59mm) | 175 mil (4.45mm) |
Wichtiger Hinweis
Innenlagen erfordern ungefähr 2-3x breitere Leiterbahnen als Außenlagen für denselben Strom. Dies liegt daran, dass Innenlagen keine Luftkühlung haben und vollständig auf Leitung durch das PCB-Substrat angewiesen sind.
5. Kupfergewicht und -dicke
Das Kupfergewicht (gemessen in oz/ft²) beeinflusst direkt die Strombelastbarkeit. Schwereres Kupfer = mehr Querschnittsfläche = mehr Strom.
Kupfergewicht-Umrechnungstabelle
| Gewicht (oz) | Dicke (mils) | Dicke (μm) | Dicke (mm) | Strom-Multiplikator |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 0.7 mil | 17.5 μm | 0.0175 mm | 0.6x |
| 1 oz (Standard) | 1.4 mil | 35 μm | 0.035 mm | 1.0x (Basislinie) |
| 2 oz | 2.8 mil | 70 μm | 0.070 mm | 1.65x |
| 3 oz | 4.2 mil | 105 μm | 0.105 mm | 2.2x |
| 4 oz | 5.6 mil | 140 μm | 0.140 mm | 2.7x |
Profi-Tipp: Wann schweres Kupfer verwenden
Erwägen Sie 2oz Kupfer für Leistungselektronik, Motorsteuerungen oder jedes Design mit >3A. Die Kostensteigerung beträgt typischerweise 10-20%, aber Sie erhalten deutlich schmalere Leiterbahnen und bessere thermische Leistung. JLCPCB bietet 2oz Kupfer als Standardoption an.
6. Innen- vs. Außenlagen
Die Position Ihrer Leiterbahn beeinflusst ihre Strombelastbarkeit dramatisch. Zu verstehen warum, hilft Ihnen bessere Designentscheidungen zu treffen.
Außenlagen (Ober- und Unterseite)
- Bessere Kühlung - Direkter Kontakt mit Luft ermöglicht konvektive Wärmeableitung
- Kann ~2x mehr Strom führen als äquivalente Innenleiterbahnen
- Vom Gehäuse beeinflusst - Stehende Luft in Gehäusen reduziert die Kapazität um 10-20%
- Kupferflächen helfen - Angrenzende Kupferfüllungen wirken als Wärmeverteiler
Innenlagen
- Eingeschlossene Wärme - Kein direkter Luftkontakt, Wärme muss durch FR-4 geleitet werden
- Geringere Kapazität - Ungefähr 50% der Außenlagen-Kapazität
- Thermische Durchkontaktierungen helfen - Fügen Sie Vias hinzu, um Wärme zu Außenlagen zu leiten
- Ebenennähe spielt eine Rolle - Leiterbahnen in der Nähe von Strom-/Masse-Ebenen kühlen besser
7. Temperaturanstiegs-Überlegungen
Der Temperaturanstieg (ΔT) gibt an, wie viel heißer die Leiterbahn im Vergleich zur Umgebung wird. Dies ist ein kritischer Designparameter.
Wahl des Temperaturanstiegs
| ΔT | Anwendungsfall | Kompromisse |
|---|---|---|
| 10°C | Konservativ, Verbraucherelektronik, hohe Zuverlässigkeit | Breiteste Leiterbahnen, zuverlässigste |
| 20°C | Industriell, mittlere Leistung, gute Balance | ~30% schmalere Leiterbahnen als 10°C |
| 30°C | Platzbeschränkt, kurze Betriebsdauer | ~45% schmaler, reduzierte Zuverlässigkeit |
| >30°C | Nicht empfohlen | Risiko von Delamination, Bauteilschäden |
Umgebungstemperatur-Überlegungen
Vergessen Sie nicht die Umgebungstemperatur! Wenn Ihr Gerät in einer heißen Umgebung arbeitet:
Maximale Leiterbahntemperatur = Umgebung + ΔT
Beispiel:
- Umgebung: 50°C (heißes Gehäuse)
- ΔT: 20°C (aus Berechnung)
- Leiterbahntemperatur: 70°C
FR-4 Glasübergang (Tg): 130-180°C (sicher!)
Grenzen nahegelegener Bauteile: Prüfen Sie IC-Spezifikationen (typischerweise 85-105°C max)
8. Wie man einen Leiterbahnbreiten-Rechner verwendet
Online-Leiterbahnbreiten-Rechner automatisieren die IPC-2221-Formel. So verwenden Sie sie effektiv.
Erforderliche Eingaben
- Strom (Ampere) - Verwenden Sie Ihren maximal erwarteten Strom, einschließlich Transienten
- Kupfergewicht (oz) - Normalerweise 1oz, sofern nicht anders angegeben
- Temperaturanstieg (°C) - Beginnen Sie mit 10°C für konservatives Design
- Leiterbahn-Lage - Extern (oben/unten) oder Intern
- Leiterbahnlänge (optional) - Für Spannungsabfall-Berechnungen
Schritt-für-Schritt-Beispiel
Entwerfen wir eine Leiterbahn für eine 12V-Motorsteuerung mit 3A Spitzenstrom:
Gegeben:
- Strom: 3A (Motorspitzenstrom)
- Kupfer: 1oz (Standard-PCB)
- Temperaturanstieg: 10°C (konservativ)
- Lage: Extern (obere Lage)
- Leiterbahnlänge: 50mm
Rechner-Ausgabe:
- Erforderliche Breite: 50 mil (1.27mm)
- Widerstand: 0.035Ω
- Spannungsabfall: 0.105V (0.9% von 12V)
- Verlustleistung: 0.315W
Empfohlene Rechner
- Saturn PCB Toolkit - Kostenlose Windows-Software mit umfassenden Tools
- 4PCB Trace Width Calculator - Einfaches Online-Tool
- EEWeb Calculator - Browser-basiert mit beiden IPC-Standards
- Altium Designer - Integrierter Rechner (lizenziert)
9. Praktische Design-Beispiele
Beispiel 1: USB-betriebenes Gerät
Anforderung: USB 2.0 Stromversorgung (500mA max)
Berechnung:
- Strom: 0.5A
- 1oz Kupfer, extern, 10°C Anstieg
- Ergebnis: 5 mil (0.13mm)
Empfehlung: Verwenden Sie mindestens 10 mil (0.25mm)
Grund: Fertigungszuverlässigkeit, Spannungsabfall-Reduzierung
Beispiel 2: 5V/2A Netzteil
Anforderung: 5V-Schiene für Entwicklungsboard
Berechnung:
- Strom: 2A kontinuierlich
- 1oz Kupfer, extern, 10°C Anstieg
- Ergebnis: 30 mil (0.76mm)
Empfehlung: Verwenden Sie 40 mil (1.0mm)
Grund: Reserve für Transienten, zukünftige Erweiterung
Beispiel 3: Motorsteuerung (Hoher Strom)
Anforderung: 24V/10A Motorsteuerung
Berechnung:
- Strom: 10A kontinuierlich (15A Stillstand)
- 2oz Kupfer, extern, 20°C Anstieg
- Ergebnis für 10A: 115 mil (2.9mm)
- Ergebnis für 15A (Stillstand): 200 mil (5.1mm)
Empfehlung:
- Verwenden Sie Kupferfüllungen für Strompfade
- Fügen Sie thermische Durchkontaktierungen hinzu, um Wärme zu verteilen
- Erwägen Sie 4oz Kupfer für extremen Strom
Beispiel 4: Batteriebetriebenes IoT-Gerät
Anforderung: 3.7V LiPo, 100mA Durchschnitt, 500mA Spitze (WiFi TX)
Berechnung:
- Design für Spitze: 500mA
- 1oz Kupfer, extern, 10°C Anstieg
- Ergebnis: 5 mil (0.13mm)
Empfehlung: Verwenden Sie 8 mil (0.2mm) für alle Stromleiterbahnen
Grund: Fertigungstoleranz, geringerer IR-Abfall für Batterielebensdauer
10. Häufige Fehler, die vermieden werden sollten
Fehler #1: Signal-Leiterbahnbreite für Strom verwenden
Problem: VCC mit 6 mil Leiterbahnen routen, weil "es nur eine Verbindung ist"
Lösung: Berechnen Sie die Leiterbahnbreite immer basierend auf Strom, nicht Funktion. Eine 1A-Stromleitung benötigt 10+ mils.
Fehler #2: Rückpfad ignorieren
Problem: Breite VCC-Leiterbahn, aber dünne GND-Leiterbahn
Lösung: Der Rückpfad (normalerweise GND) führt denselben Strom. Dimensionieren Sie beide Leiterbahnen gleich oder verwenden Sie eine Massefläche.
Fehler #3: Transienten nicht berücksichtigen
Problem: Design für 2A Durchschnitt, wenn Motor bei 8A blockiert
Lösung: Design für Worst-Case-Strom: Einschaltstromstoß, Motorblockierung, Kurzschlussschutz-Auslösestrom.
Fehler #4: Verengung an Durchkontaktierungen
Problem: 50 mil Leiterbahn, die sich an Via-Verbindung auf 10 mil reduziert
Lösung: Verwenden Sie mehrere Vias parallel oder größere Via-Pads. Die Verengung wird zum Stromflaschenhals.
Fehler #5: Innenlagen vergessen
Problem: 5A auf Innenlage mit gleicher Breite wie extern routen
Lösung: Innenlagen benötigen ~2x die Breite. Verwenden Sie Außenlagen für Hochstrompfade, wenn möglich.
Fehler #6: Spannungsabfall ignorieren
Problem: Lange 10 mil Leiterbahn verursacht 0.5V Abfall auf 3.3V-Schiene
Lösung: Berechnen Sie Spannungsabfall für lange Leiterbahnen: V = I × R. Halten Sie Abfall unter 2-3% der Schienenspannung.
11. Best Practices und Faustregeln
Schnellreferenz-Regeln
- 1.10 mils pro Ampere - Schnelle Näherung für 1oz Kupfer, extern, 10°C Anstieg
- 2.Doppelt für innen - Innenlagen benötigen 2x die Leiterbahnbreite
- 3.50% Marge hinzufügen - Immer mit Sicherheitsmarge für Transienten designen
- 4.Kupferfüllungen verwenden - Für Ströme über 3A, erwägen Sie Polygonfüllungen statt Leiterbahnen
- 5.Spannungsabfall prüfen - Lange Leiterbahnen oder niedrige Spannungen benötigen breitere Leiterbahnen für IR-Abfall
- 6.Rückpfad beachten - GND-Leiterbahnen führen den gleichen Strom wie Strom
Wann Kupferfüllungen statt Leiterbahnen verwenden
- Strom übersteigt 5A kontinuierlich
- Signifikante Wärmeableitung erforderlich
- Mehrere parallele Lasten teilen sich eine Stromschiene
- Platz ist nicht eingeschränkt
- EMI/EMC-Anforderungen benötigen solide Ebenen
Thermische Via-Strategie
Für Hochstrom-Designs helfen thermische Vias, Wärme von Innenlagen abzuleiten:
- Platzieren Sie Vias entlang der Leiterbahnlänge, nicht nur an Endpunkten
- Verwenden Sie 0,3mm Bohr-Vias, 0,6mm Pad - Standard und günstig
- Abstand: 1-2mm auseinander entlang der Leiterbahn
- Mit Kupferfüllung auf der gegenüberliegenden Seite verbinden, um als Kühlkörper zu wirken
12. JLCPCB Fertigungsgrenzen
Beim Design für JLCPCB (oder ähnliche Low-Cost-Hersteller), beachten Sie diese Grenzen:
| Parameter | Standard (Kostenlos) | Erweitert ($$$) |
|---|---|---|
| Minimale Leiterbahnbreite | 6 mil (0.15mm) | 3.5 mil (0.09mm) |
| Minimaler Leiterbahnabstand | 6 mil (0.15mm) | 3.5 mil (0.09mm) |
| Kupfergewicht | 1oz / 2oz | Bis zu 6oz |
| Via-Bohrgröße | 0.3mm Minimum | 0.15mm Minimum |
| Maximale Platinendicke | 2.0mm | 4.0mm |
EasyEDA Integrations-Tipp
Bei Verwendung von EasyEDA mit JLCPCB werden die Designregeln automatisch auf JLCPCBs Standardfähigkeiten eingestellt. Überprüfen Sie Design → Design Rule Check, um zu verifizieren, dass Ihre Leiterbahnbreiten die Fertigungsanforderungen erfüllen, bevor Sie bestellen.
Zusammenfassung: Leiterbahnbreiten-Auswahl-Flussdiagramm
- Maximalen Strom bestimmen - Transienten, Anlauf, Worst-Case einschließen
- Kupfergewicht wählen - 1oz Standard, 2oz für >3A
- Temperaturanstieg auswählen - 10°C konservativ, 20°C typisch
- Lage identifizieren - Extern bevorzugt für hohen Strom
- Mit IPC-2221 berechnen - Tabellen oder Rechner verwenden
- Sicherheitsmarge hinzufügen - Minimum 50%, mehr für kritische Pfade
- Spannungsabfall prüfen - Für lange Leiterbahnen oder niedrige Spannungen
- DRC verifizieren - Sicherstellen, dass Hersteller-Minima erfüllt werden
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