Leiterbahnrechner für Strombelastbarkeit und Impedanz
Wie breit eine Leiterbahn für ihren Strom sein muss, welchen Wellenwiderstand sie in Ihrem Lagenaufbau hat und wie viele Durchkontaktierungen der Strom braucht. Strombelastbarkeit, Impedanzrechner und Via-Rechner nach IPC-2221B und IPC-2141A, im Browser, ohne Anmeldung.
Unter jedem Ergebnis steht, was die Breite in der Fertigung bedeutet: welche Kupferauflage überhaupt bestellbar ist und wo die Ätzgrenze liegt.
Wie breit muss eine Leiterbahn für wie viel Strom sein?
Die kurze Antwort für den Normalfall, also eine Außenlage mit 35 µm Kupfer und 20 K zugelassener Erwärmung: 1 A braucht 0,20 mm. Alles Weitere steht in der Tabelle, und der Rechner darunter nimmt Ihre eigenen Werte.
| Strom | 35 µm außen | 35 µm innen | 70 µm außen |
|---|---|---|---|
| 0,5 A | 0,08 | 0,20 | 0,04 |
| 1 A | 0,20 | 0,51 | 0,10 |
| 2 A | 0,51 | 1,33 | 0,26 |
| 3 A | 0,90 | 2,34 | 0,45 |
| 5 A | 1,82 | 4,72 | 0,91 |
| 10 A | 4,72 | 12,29 | 2,36 |
Alle Breiten in Millimeter, bei 20 K zugelassener Erwärmung nach IPC-2221B. Lässt man nur 10 K zu, wird die Bahn rund die Hälfte breiter: aus 0,20 mm für 1 A werden 0,30 mm.
Grau hinterlegte Werte liegen unter der Ätzgrenze von 0,15 mm bei 35 µm Kupfer. Dort entscheidet nicht mehr der Strom über die Breite, sondern die Fertigung: schmaler wird die Bahn nicht gezeichnet.
Mit Stern gekennzeichnete Breiten liegen über 10,16 mm. Dort ist IPC-2221B nicht mehr gezeichnet, die Rechnung verlängert die Formel. Eine so breite Bahn ist eine Fläche, und für Flächen wird anders gerechnet.
Ihre Leiterbahn
Die Länge wirkt nur auf Widerstand, Spannungsfall und Verlustleistung. Auf die Breite hat sie keinen Einfluss. 0 lässt diesen Teil weg.
0,898 mm breit, 35 µm dick: die Bahn ist rund 25,6 mal so breit wie hoch. Kupfer trägt fast ausschließlich über die Breite, denn die Dicke ist durch die bestellte Auflage festgelegt.
Was die Breite in der Fertigung bedeutet
- 35 µm ist eine bestellbare Kupferauflage. Das entspricht 1 oz/ft², einer der Stufen, in denen Basismaterial auf Lager liegt.
- Die Breite liegt über der Ätzgrenze. Ein Standardprozess ätzt bei 35 µm Kupfer bis auf 0,15 mm herunter zuverlässig; KiCads Voreinstellung von 0,20 mm ist eine Entwurfsvorgabe und keine Fertigungsgrenze.
- Mit 70 µm Kupfer statt der eingestellten Auflage reicht für denselben Strom eine Breite von 0,449 mm statt 0,898 mm. Das ist der Handel, den ein enger Bereich im Layout erzwingt.
- Die Stufe ist ein Nennwert. Nach IPC-4562 darf eine nominal 35 µm dicke Lage bis auf 30,9 µm dünn sein, wer also knapp auslegt, rechnet gegen das Etikett und nicht gegen die dünnste zulässige Folie.
Was eine schwerere Kupferauflage oder eine feinere Abstandsklasse kostet, steht hier nicht: das ist die Preisstruktur des Leiterplattenherstellers und gehört ihm. Diese Zahl steht in seinem Angebot.
Zwei Wege ab hier
Sie zeichnen die Leiterplatte
Das KiCad-Plugin liest Ihre Platine direkt aus dem Entwurf, prüft sie gegen dieselben Fertigungsregeln, aus denen die Ätzgrenze oben stammt, und meldet jede Abweichung mit der Stelle im Layout.
Zum KiCad-PluginSie fertigen die Baugruppe
Für eine ganze Leiterplatte prüft PCBoffer nicht eine Bahn, sondern jede: Bahnbreiten, Abstände, Restringe, Bohrungen zum Rand. Aus derselben Datei kommt die Kalkulation.
Zur Kalkulation für EMSWas der Lagenaufbau am Ende kostet
Ob eine zweite Kupferstufe oder eine Lage mehr Ihre Baugruppe wirklich teurer macht, hängt an Stückzahl, Basismaterial und Bestückung und nicht an einer Faustformel. PCBoffer rechnet das aus Ihren eigenen Fertigungsdaten.
Zahlen für die eigene Fertigung anfragenWas die drei Zahlen bedeuten
Eine Leiterbahn ist ein Stück Kupferfolie, das nach dem Ätzen stehen bleibt. Ihre Breite wird von drei Fragen bestimmt, die nichts miteinander zu tun haben: wie warm sie werden darf, welchen Wellenwiderstand sie haben soll und was der Ätzprozess überhaupt stehen lässt.
Die Breite folgt aus der Erwärmung, nicht aus dem Strom
IPC-2221B gibt keine Stromdichte vor, sondern eine Temperatur. Der Strom erwärmt das Kupfer, das Kupfer gibt die Wärme an Luft und Basismaterial ab, und die Breite ist der Wert, bei dem sich beides bei der zugelassenen Übertemperatur die Waage hält. Deshalb steht in der Gleichung die Erwärmung und nicht die Belastung: 20 K statt 10 K sparen rund ein Drittel der Breite.
Eine Innenlage ist der teuerste Ort für Strom
Der Faktor in der Gleichung halbiert sich von der Außen- zur Innenlage, weil eine eingebettete Bahn ihre Wärme nur über das Laminat loswird. Die Breite verdoppelt sich dadurch nicht, sie wird rund 2,6 mal so groß, denn zwischen Fläche und Strom steht der Exponent 0,725. Wer Leistung führen muss, führt sie außen.
Ihre Impedanz entsteht im Lagenaufbau, nicht im Layoutprogramm
Ab etwa einem Nanosekunden-Flankenwechsel verhält sich eine Leiterbahn wie eine Leitung und nicht mehr wie ein Draht. Ihr Wellenwiderstand hängt an der Breite, am Abstand zur nächsten Massefläche und am Basismaterial. Der wirksamste Regler ist der Abstand: eine dünnere Prepreg-Lage senkt die nötige Breite, und beides zusammen legt der Leiterplattenhersteller fest, nicht das Layoutprogramm.
Eine Durchkontaktierung leitet nur in ihrer Wand
Der Strom fließt nicht durch das Loch, sondern durch die Kupferschicht auf seiner Innenwand. Bei einer Bohrung von 0,3 mm und 25 µm Kupfer sind das rund 0,026 mm² Querschnitt, also weniger als eine 0,8 mm breite Bahn auf einer Außenlage. Genau deshalb setzt man mehrere Vias nebeneinander, wo ein Leistungspfad die Lage wechselt.
Kupfer gibt es nur in Stufen
Basismaterial wird mit fertig aufkaschierter Kupferfolie gekauft, und zwar in festen Gewichten: 18, 35, 70, 105, 140, 175 und 210 µm, das sind 0,5 bis 6 Unzen je Quadratfuß. Ein Rechner, der 47 µm ausgibt, gibt eine Zahl aus, die niemand bestellen kann. Dieses Werkzeug bietet deshalb nur die lieferbaren Stufen zur Auswahl an. Kommt über einen geteilten Link doch ein anderer Wert herein, rechnet es damit und schreibt dazu, dass er nicht bestellbar ist.
So rechnet dieses Werkzeug
Querschnitt aus Strom und Erwärmung
IPC-2221B, Gleichung 6-4: der Strom ist das Produkt aus einem Vorfaktor, der Erwärmung hoch 0,44 und der Querschnittsfläche hoch 0,725. Die Gleichung wird nach der Fläche aufgelöst.
Breite aus dem Querschnitt
Die Fläche geteilt durch die Kupferdicke. Der Vorfaktor beträgt 0,048 auf einer Außenlage und 0,024 auf einer Innenlage, weil eine eingebettete Bahn ihre Wärme schlechter abgibt.
Wellenwiderstand aus der Geometrie
IPC-2141A: für den Microstrip aus Breite, Kupferdicke, Abstand zur Massefläche und Dielektrizitätszahl, für die Stripline aus denselben Größen mit beiden Masseflächen.
Durchkontaktierung als Ring
Der Querschnitt der Hülse ist ein Kreisring aus Bohrdurchmesser und Kupferdicke. Danach greift wieder dieselbe Gleichung wie bei der flachen Bahn.
Was dieses Werkzeug nicht sagt
- Die Erwärmung gilt für eine einzelne Bahn in ruhender Luft. Liegen mehrere stromführende Bahnen nebeneinander oder steckt die Baugruppe in einem geschlossenen Gehäuse, wird es wärmer als hier gerechnet.
- Die Kurven von IPC-2221B sind für 10 bis 100 K Erwärmung gezeichnet. Außerhalb rechnet das Werkzeug weiter und schreibt dazu, dass es die Formel verlängert.
- Die Impedanzgleichungen gelten für eine einzelne Leitung über einer durchgehenden Massefläche. Differenzielle Paare, Lücken in der Massefläche und der Einfluss des Lötstopplacks sind nicht enthalten.
- Die Dielektrizitätszahl ist keine Materialkonstante. Harzgehalt, Gewebeart und Frequenz verschieben sie, und die belastbare Zahl steht im Datenblatt des Basismaterials.
- Kein Ergebnis dieses Rechners ersetzt eine Impedanzvorgabe an den Leiterplattenhersteller. Er legt den Aufbau mit seinen eigenen Prepreg-Dicken aus und misst den fertigen Aufbau nach.
Woher die Rechnung stammt
Die Gleichungen stehen in IPC-2221B und IPC-2141A und sind öffentlich. Was PCBoffer beiträgt, ist die Zeile darunter: welche Kupferauflagen bestellbar sind und wo die Ätzgrenze liegt, kommt aus demselben Regelwerk, mit dem der Rechenkern eine hochgeladene Leiterplatte auf Fertigbarkeit prüft. Damit die kostenlose Rechnung dem bezahlten Produkt nicht widerspricht, hält ein Prüflauf die drei Rechner dieser Seite gegen 14 von Hand nachgerechnete Ankerpunkte der beiden Normen.
Kostenlos: Nutzen-Rechner für Leiterplatten
Wie viele Einzelplatinen auf einen Nutzen passen, wie groß der Nutzen wird und wie viel Fläche ungenutzt bleibt. Ohne Anmeldung, gerechnet im Browser, mit derselben Physik wie in der Kalkulation.
Nutzen berechnenHäufige Fragen
- Wie breit muss eine Leiterbahn für 1 A sein?
- Auf einer Außenlage mit 35 µm Kupfer und 10 K zulässiger Erwärmung sind es rund 0,30 mm. Der Wert ist keine Konstante, sondern folgt aus der zugelassenen Erwärmung: lässt man 20 K zu, genügen rund 0,20 mm. IPC-2221B gibt keine Stromdichte vor, sondern eine Temperatur, und die Breite ist der Wert, bei dem sich zugeführte und abgegebene Wärme die Waage halten.
- Warum braucht eine Leiterbahn auf einer Innenlage mehr Breite als auf einer Außenlage?
- Weil sie ihre Wärme nur über das Laminat loswird und nicht zusätzlich an die Luft. IPC-2221B bildet das mit einem halb so großen Vorfaktor ab: 0,024 statt 0,048. Die Breite verdoppelt sich dadurch nicht, sie wird rund 2,6 mal so groß, weil zwischen Fläche und Strom der Exponent 0,725 steht. Wer Leistung führen muss, führt sie deshalb außen.
- Welche Kupferauflage ist die richtige?
- 35 µm ist der Standard und deckt die meisten Leiterplatten ab. Eine schwerere Auflage lohnt sich, wenn die berechnete Breite im Layout keinen Platz mehr findet: 70 µm halbieren die nötige Breite bei gleichem Strom. Bestellbar sind nur feste Stufen, nämlich 18, 35, 70, 105, 140, 175 und 210 µm, denn Basismaterial wird mit fertig aufkaschierter Folie gekauft. Was die schwerere Stufe kostet, sagt das Angebot des Leiterplattenherstellers.
- Wie genau ist die Formel aus IPC-2221?
- Sie ist eine Anpassung an Messkurven und gilt für eine einzelne Bahn in ruhender Luft, gezeichnet für 10 bis 100 K Erwärmung. Liegen mehrere stromführende Bahnen nebeneinander oder steckt die Baugruppe in einem geschlossenen Gehäuse, wird es wärmer als gerechnet. Außerhalb des Kurvenbereichs rechnet dieses Werkzeug weiter und schreibt dazu, dass es die Formel verlängert.
- Warum gibt mir der Leiterplattenhersteller eine andere Breite für 50 Ohm?
- Weil der Wellenwiderstand nicht nur an der Breite hängt, sondern am gesamten Lagenaufbau: Prepreg-Dicke, Harzgehalt, Gewebeart und Frequenz verschieben ihn. Der Hersteller legt den Aufbau mit seinen eigenen Materialdicken aus und misst den fertigen Stapel nach. Geben Sie ihm deshalb die Zielimpedanz vor und nicht die Breite; die hier berechnete Breite ist der Startwert für Ihr Layout.
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