Schauen Sie sich eine beliebige Leiterplatte genau an. Sie werden die dünnen, glänzenden Linien bemerken, die sich wie eine Miniatur-Straßenkarte über die Oberfläche ziehen. Diese sind nicht nur zur Zierde da. Es handelt sich um Kupferleiterbahnen. Und sie sind für die Funktion Ihrer Platine absolut entscheidend.
Kupferleiterbahnen sind nicht nur glänzende Linien. Sie sind die Lebensadern Ihrer Schaltkreis. Jedes Signal. Jedes bisschen Strom. Alles fließt durch sie – von empfindlichen ICs bis hin zu stromhungrigen Treibern.
Das Verlegen einer Kupferleitung ist jedoch kein Ratespiel. Man kann nicht einfach eine Leitung ziehen und hoffen, dass sie hält. Zu dünn? Überhitzt. Zu breit? Platz- und möglicherweise Geldverschwendung.
Hier kommt die Technik ins Spiel. Sie müssen die Größe jeder einzelnen Spur anhand der Strombelastung, des Kupfergewichts und der Wärmemenge bestimmen, die Sie tolerieren können.
Es ist ein Kompromiss. Breite, Dicke und Temperaturanstieg hängen alle zusammen. Ignorieren Sie einen Punkt, riskieren Sie einen Ausfall. Mit der richtigen Lösung läuft Ihre Platine kühler, sicherer und länger.
Wie macht man es also richtig? Genau das untersuchen wir: Wie Kupferdicke, Leiterbahnbreite, Stromstärke und Temperaturanstieg beim PCB-Design zusammenhängen.
Kupferdicke und ihre Rolle
Kupfer ist nicht gleich Kupfer, zumindest nicht auf Leiterplatten. Die Dicke Ihrer Kupferleiterbahnen hat direkten Einfluss darauf, wie viel Strom sie sicher übertragen können. Die meisten Standardplatinen verwenden 1 oz Kupfer, was einer Dicke von etwa 1.4 mil (oder 35 μm) entspricht. Bei höheren Strömen reicht das jedoch möglicherweise nicht mehr aus. Hier kommen schwerere Kupferstärken ins Spiel – 2 oz, 3 oz und bei Bedarf sogar noch mehr.
Warum ist die Dicke so wichtig? Ganz einfach: Dickere Leiterbahnen können mehr Strom leiten, ohne zu überhitzen. Sie reduzieren außerdem den Widerstand, was zu einer höheren Effizienz führt. Allerdings gibt es auch einen Nachteil: Dickeres Kupfer benötigt mehr Platz und kostet mehr. Und bei mehrlagigen Leiterplatten ist der Platz knapp.
Hier ist eine allgemeine Referenz:
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Kupfergewicht (oz/ft²)
|
Dicke (mil)
|
Dicke (μm)
|
|
0.5 g
|
0.7 Tausend
|
~18 µm
|
|
1 g
|
1.4 Tausend
|
~35 µm
|
|
2 g
|
2.8 Tausend
|
~70 µm
|
|
3 g
|
4.2 Tausend
|
~105 µm
|
Fazit: Die Kupferdicke ist nicht nur eine Spezifikation, sondern ein Leistungsfaktor. Setzen Sie sie weise ein. So läuft Ihre Platine kühler und sauberer. Sparen Sie hier, und Sie riskieren verbrannte Leiterbahnen und fehlgeschlagene Prototypen.
So berechnen Sie die Leiterbahnbreite von Leiterplatten
Jetzt geht es an die eigentliche Designarbeit. Eine der kritischsten Aufgaben beim PCB-Layout? Herauszufinden, wie breit jede Leiterbahn sein muss. Es geht nicht nur darum, Leitungen zwischen den Pads zu platzieren. Jede Leiterbahn muss Strom leiten, ohne zu überhitzen.
Das Ziel ist einfach: Wählen Sie eine Breite, die der aktuellen Belastung standhält und gleichzeitig den Temperaturanstieg in sicheren Grenzen hält. Wie Sie sehen werden, ist die Mathematik dahinter jedoch nicht immer so einfach.
Es gibt zwei Hauptfaktoren:
1. Strombelastbarkeit
2. Akzeptabler Temperaturanstieg
Die Leiterbahnbreite hängt von beiden ab. Generell gilt: Höherer Strom = breitere Leiterbahn.
Die tatsächliche Zahl variiert jedoch, je nachdem, ob die Spur intern (innerhalb der Platine) oder extern (auf der Oberfläche) ist und wie viel Temperaturanstieg Sie tolerieren können.
Hier ist die Gleichung, angepasst aus IPC-2221 (dem alten Standard):
Breite (mil) = (Strom (A) / (K × ΔT^b))^(1/c)
Kennzahlen:
• k = 0.048, b = 0.44, c = 0.725 für Außenschichten
• ΔT ist der Temperaturanstieg in Celsius
Klingt kompliziert? Damit sind Sie nicht allein. Deshalb verlassen sich die meisten Ingenieure heute auf Leiterbahnbreitenrechner für Leiterplatten nach IPC-2152.
Leiterbahnbreitenrechner für Leiterplatten
Anstatt Zahlen manuell zu berechnen, verwenden die meisten Designer einen Online-Leiterbahnrechner oder einen PCB-Leiterbahnbreitenrechner. Diese Tools erledigen die ganze Rechenarbeit im Hintergrund. Sie geben einfach Folgendes ein:
• Gewünschter Strom
• Temperaturanstieg
• Kupfergewicht (in oz)
• Ob intern oder extern
Das Tool zeigt Ihnen die minimale Leiterbahnbreite an. Einige Rechner ermöglichen sogar die Anpassung von Sicherheitsfaktoren, Spannungsabfall und Leiterbahnlänge.
Hier sind einige beliebte Tools, denen Ingenieure vertrauen:
• Advanced Circuits PCB-Leiterbahnbreitenrechner
• Saturn PCB-Toolkit
• EEWeb Leiterbahnbreitenrechner
Beachten Sie, dass jeder Leiterbahnbreitenrechner auf einer Form des IPC-Standards basiert, in der Regel IPC-2152, der IPC-2221 für Leiterbahnbreiten gegenüber den aktuellen Richtlinien ersetzt hat. IPC-2152 ist genauer, da er reale Testdaten berücksichtigt, darunter Konvektion, Leiterbahnabstand und Leiterplattenmaterial.
Egal, ob Sie eine einfache LED-Platine oder eine komplexe Stromverteilungsplatine entwerfen, ein guter PCB-Trace-Rechner hilft Ihnen, Zeit zu sparen und Designfehler zu reduzieren.
RelatiZusammenhang zwischen Kupfergewicht, Leiterbahnbreite und Strombelastbarkeit
Hier werden die Elemente miteinander verbunden. Nehmen wir an, Sie entwerfen eine Leiterplatte, die 5 Ampere verträgt. Dies können Sie auf zwei Arten erreichen:
1. Verwenden Sie eine dickere Kupferschicht und halten Sie die Spur schmal
2. Behalten Sie Standardkupfer und machen Sie die Spur viel breiter
Hier ist eine kurze Tabelle (unter Verwendung der IPC-2152-Richtlinien):
|
Spurbreite
(Zoll)
|
10°C
0.5oz
|
10°C
1.0oz
|
10°C
2.0oz
|
20°C
0.5oz
|
20°C
1.0oz
|
20°C
2.0oz
|
30°C
0.5oz
|
30°C
1.0oz
|
30°C
2.0oz
|
|
0.01
|
0.5
|
1
|
1.4
|
0.6
|
1.2
|
1.6
|
0.7
|
1.5
|
2.2
|
|
0.015
|
0.7
|
1.2
|
1.6
|
0.8
|
1.3
|
2.4
|
1
|
1.6
|
3
|
|
0.02
|
0.7
|
1.3
|
2.1
|
1
|
1.7
|
3
|
1.2
|
2.4
|
3.6
|
|
0.025
|
0.9
|
1.7
|
2.5
|
1.2
|
2.2
|
3.3
|
1.5
|
2.8
|
4
|
|
0.03
|
1.1
|
1.9
|
3
|
1.4
|
2.5
|
4
|
1.7
|
3.2
|
5
|
|
0.05
|
1.5
|
2.6
|
4
|
2
|
3.6
|
6
|
2.6
|
4.4
|
7.3
|
|
0.075
|
2
|
3.5
|
5.7
|
2.8
|
4.5
|
7.8
|
3.5
|
6
|
10
|
|
0.1
|
2.6
|
4.2
|
6.9
|
3.5
|
6
|
9.9
|
4.3
|
7.5
|
12.5
|
|
0.2
|
4.2
|
7
|
11.5
|
6
|
10
|
11
|
7.5
|
13
|
20.5
|
|
0.25
|
5
|
8.3
|
12.3
|
7.2
|
12.3
|
20
|
9
|
15
|
24
|
Sie können die Leiterbahnbreite also reduzieren, indem Sie die Kupferdicke erhöhen. Allerdings müssen Sie auch hier Kosten, Platzbedarf und Wärmeleistung abwägen.
Aus diesem Grund sind Tools wie der Leiterbahnbreiten- oder Leiterbahndickenrechner während der Entwurfsphase unverzichtbar. Sie ermöglichen Ihnen, mit den Parametern zu experimentieren, um das effizienteste Design zu finden.
Zusammenhang zwischen Querschnittsfläche der PCB-Kupferfolie, Strombelastbarkeit und Temperaturanstieg
Lassen Sie uns etwas näher betrachten, das oft übersehen wird: die tatsächliche Größe der Kupferleiterbahn, also ihre Querschnittsfläche. Sie ergibt sich aus der Leiterbahnbreite multipliziert mit der Kupferdicke.
Einfache Mathematik, aber sie sagt viel.
Fläche = Leiterbahnbreite × Kupferdicke
Je größer die Fläche, desto geringer der Widerstand. Und ein geringerer Widerstand bedeutet, dass weniger Wärme erzeugt wird, wenn Strom durch die Leiterbahn fließt.
Aber hier liegt der Haken: Stromstärke und Temperaturanstieg hängen direkt zusammen. Wenn Sie mehr Strom durch eine Leiterbahn leiten, ohne ihre Fläche zu vergrößern, muss sie eine höhere Last tragen, als sie eigentlich tragen sollte. Der Widerstand wandelt den überschüssigen Strom in Wärme um, und die Temperatur steigt schnell an.
Was also tun Sie? Entweder geben Sie dem Strom mehr „Raum“, indem Sie die Fläche vergrößern (breitere Leiterbahn, dickeres Kupfer) oder Sie reduzieren die Menge des durchfließenden Stroms.
Hier gibt es keine Abkürzung. Es kommt auf die richtige Balance an. Und denken Sie daran: Auch die Position der Leiterbahnen auf der Leiterplatte spielt eine Rolle. Äußere Leiterbahnen können dank der Luftzirkulation leichter abkühlen. Innere Leiterbahnen? Sie sind zwischen den Lagen eingeschlossen und erhitzen sich schneller.
Hier ist ein kurzer Vergleich, um es ins rechte Licht zu rücken:
2 oz Kupfer, 150 mil breite Spur:
Querschnittsfläche = 150 mil × 2.8 mil = 420 mil²
Kann bei einem Temperaturanstieg von 6.5 °C sicher ~20 A übertragen
2 oz Kupfer, 100 mil breite Spur:
Querschnittsfläche = 100 mil × 2.8 mil = 280 mil²
Erhitzt sich bei gleicher Stromstärke deutlich schneller
Eine kleine Reduzierung der Breite mag harmlos erscheinen, hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Wärmeleistung.
Strom, Fläche und Temperaturanstieg hängen eng zusammen. Ändert man einen Wert, reagieren die anderen. Aus diesem Grund verwenden viele Ingenieure Leiterbahnbreiten- und Leiterbahnstromrechner. und PCB-Stromrechner, um ihr Design innerhalb sicherer Grenzen zu halten, insbesondere wenn es eng wird.
Fazit
Kupferleiterbahnen bilden die Adern jeder Leiterplatte. Bei falscher Anordnung ist alles zu sehen, von thermischen Ausfällen bis hin zu verbrannten Platinen. Bei richtiger Anordnung läuft Ihr Design kühler, sicherer und effizienter.
Verwenden Sie beim Arbeiten mit Kupferleiterbahnen für jede Stromleitung einen Leiterbahnbreitenrechner. Berücksichtigen Sie stets das Kupfergewicht – 1 g reichen für Hochstrompfade nicht aus. Achten Sie auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Breite und Dicke – größer ist nicht immer besser, wenn der Platz begrenzt ist. Überprüfen Sie außerdem die IPC-2152-Normen hinsichtlich des Temperaturanstiegs. Testen Sie die thermische Leistung unter realen Bedingungen.
Und vergessen Sie nicht, dass Leiterplatten mehr als nur Leiterbahnen sind. Pad-Größen, Durchkontaktierungen, Wärmeableitung und Layoutentscheidungen wirken sich alle auf Wärme und Leistung aus.
Überdenken Sie beim nächsten Platinendesign Ihre Kupferleiterbahnen. Nutzen Sie den passenden Leiterbahnstromrechner, verstehen Sie die Leiterbahnbreite im Verhältnis zur Stromlogik und lassen Sie sich bei Ihrem Design von der Technik leiten – nicht von Vermutungen.
