Leiterbahnstrombelastbarkeit: Breite, Kupfergewicht und IPC-2221

Jede Kupferleiterbahn ist ein dünner Widerstand, der sich bei Stromfluss erwärmt. Ist die Leiterbahn richtig dimensioniert, bleibt die Platine jahrelang kühl; ist sie zu kurz, überhitzt sie, das Laminat altert und sie kann wie eine Sicherung durchbrennen. Dieser Leitfaden beantwortet die Fragen, die Ingenieure tatsächlich suchen – wie viele Ampere eine Leiterbahn führen kann, wie viel Millimeter 1 Unze Kupfer entspricht und wann man auf dickeres Kupfer umsteigen sollte – und zeigt, wie Highleap Electronics diese Daten in eine Platine umsetzt, die zuverlässig gefertigt und montiert werden kann.

1. Wie viele Ampere kann eine Kupferleiterbahn führen?

Es gibt keinen festen Maximalstrom für eine Leiterbahn – die Grenze ist die akzeptable Temperaturerhöhung. Als grober Richtwert: Eine 1 mm (ca. 40 mil) breite Leiterbahn aus 1 oz Kupfer auf einer Außenschicht führt bei einer konservativen Temperaturerhöhung von 10 °C etwa 2 A und bei 30 °C etwa 4 A. Der Strom erwärmt die Leiterbahn proportional zum Quadrat des Stroms multipliziert mit dem Widerstand. Die Leiterbahn verteilt sich dabei so, dass die Wärme möglichst an das umgebende Kupfer, das Laminat und die Luft abgegeben werden kann.

Drei Leiterbahneigenschaften bestimmen den Widerstand und damit die Erwärmung. Die Querschnittsfläche – Breite mal Kupferdicke – ist der entscheidende Faktor; eine Verdopplung beider Größen halbiert den Widerstand annähernd. Die Länge erhöht den Widerstand und den Spannungsabfall proportional, beeinflusst aber die Spitzentemperatur kaum. Da der Widerstand von Kupfer pro °C um etwa 0.4 % steigt, weist eine heiße Leiterbahn einen etwas höheren Widerstand auf, was wiederum zu einer stärkeren Erwärmung führt. Drei Umgebungsfaktoren bestimmen, wie leicht Wärme entweichen kann: die äußere versus die innere Schicht, die Umgebungstemperatur im Gehäuse und die Luftzirkulation oder Kühlkörper. Wenn Sie mit dem Aufbau und der Spezifizierung von Leiterbahnen noch nicht vertraut sind, bieten die Grundlagen des Leiterplatten-Leiterbahndesigns eine nützliche Einführung, bevor Sie die Dimensionierung für die Leistungsaufnahme vornehmen.

2. Wie dick ist 1 Unze Kupfer in mm? (Kupfergewichtstabelle)

Eine Unze Kupfer ist etwa 35 Mikrometer dick, was 0.035 mm oder ungefähr 1.37 mil entspricht. Die Dicke von Kupfer wird üblicherweise in Gewicht pro Quadratfuß angegeben – eine veraltete Konvention, die Neulinge oft verwirrt. Daher sind folgende Umrechnungen zu beachten:

Da die Kapazität proportional zur Querschnittsfläche ist, lässt sich eine höhere Stromstärke entweder durch Verbreiterung der Leiterbahn oder durch Verwendung dickeren Kupfers übertragen. Bei einer dicht bestückten Leiterplatte ist die Verwendung von 3 oz Kupfer oft sauberer als der Bau einer sehr breiten Leiterbahn. Für Anwendungen mit hoher Leistung wird eine Leiterplatte mit massivem Kupferblech speziell dafür entwickelt.

3. Diagramm Leiterbahnbreite vs. Stromstärke (1 oz & 2 oz Kupfer)

Bei einer Kupfermenge von 1 oz auf der Außenschicht und einer konservativen Temperaturerhöhung von 10 °C benötigt eine 1-A-Leiterbahn etwa 0.5 mm (20 mil) und eine 3-A-Leiterbahn etwa 1.8 mm (70 mil). Die vollständige Tabelle unten dient als Ausgangspunkt gemäß IPC-2221 und ersetzt nicht die Berechnung anhand Ihrer individuellen Temperaturvorgabe. Leiterbahnen auf der Innenschicht benötigen typischerweise etwa die doppelte Breite.

Die Leiterbahnbreite nimmt mit steigender Stromstärke schnell zu. Ab einigen Ampere wird eine einzelne Leiterbahn unpraktisch, und die bessere Lösung sind eine Kupferfläche oder -oberfläche, parallele Leiterbahnen auf mehreren Lagen, die mit Durchkontaktierungen verbunden sind, oder dickeres Kupfer – hier sorgt eine spezielle Strombelastbarkeitstechnik für dickes Kupfer dafür, dass Hochstromschienen kühl bleiben.

4. Interne vs. externe Leiterbahnbreite: Warum interne Leiterbahnen breiter sein müssen

Eine interne Leiterbahn benötigt etwa die doppelte Breite einer externen Leiterbahn, um denselben Strom zu führen, da sie in Laminat eingebettet ist und die Wärme nicht an die Umgebungsluft abgeben kann. Aus diesem Grund verwendet IPC-2221 unterschiedliche Konstanten für die beiden Fälle: Eine externe Leiterbahn kühlt durch Konvektion an die Umgebungsluft ab, während eine interne Leiterbahn thermisch isoliert ist und bei gleicher Breite mehr Wärme speichert.

Die praktische Konsequenz: Eine für eine äußere Lage validierte Leiterbahnbreite kann unbemerkt zu Überhitzung führen, wenn dieselbe Leiterbahn auf einer inneren Lage einer Multilayer-Leiterplatte geführt wird. Beim Verlegen von Strom zwischen Lagen dimensionieren Sie die Leiterbahnen entsprechend der inneren Lage und verwenden Sie an jedem Übergang mehrere Durchkontaktierungen parallel, damit der Lagenwechsel nicht zu einem Engpass wird.