Auf einer Leiterplatte (PCB) werden die dünnen Kupferlinien Leiterbahnen genannt.
Jede Leiterbahn transportiert Signale oder Leistung zwischen Bauteilen – und ihr Design wirkt sich direkt auf die Schaltungsleistung aus.
Dieser Leitfaden erklärt, was eine PCB-Leiterbahn ist, wie Sie die korrekte Breite bestimmen, wie IPC-2152 dabei hilft und wie Tools wie eine Trace-Width-Calculator.
Was ist eine PCB-Leiterbahn?
Eine PCB-Leiterbahn ist ein flacher, schmaler Kupferpfad auf der Leiterplatte.
Sie verbindet Bauteile und lässt Strom wie in einem Draht fließen – jedoch in gedruckter, kompakter Form.
Wichtige Parameter jeder Leiterbahn:
- Breite: wie breit die Kupferlinie ist.
- Abstand: Distanz zu benachbarten Leiterbahnen.
- Kupferdicke: Dicke der Kupferschicht (meist in oz/ft² angegeben).
- Länge: längere Leiterbahnen erhöhen den Widerstand und den Spannungsabfall.
- Impedanz: in Hochgeschwindigkeits-Schaltungen bestimmt sie das Signalverhalten.
Leiterbahnen können auf Außenlagen (Luftkontakt, bessere Kühlung) oder Innenlagen (zwischen Dielektrika) liegen.
Innenlagen halten Wärme stärker zurück und tragen bei gleicher Breite weniger Strom.
Was bestimmt die Leiterbahnbreite?
1) Strom und Temperaturanstieg
Entscheidend sind der Strom, den die Leiterbahn führen soll, und der zulässige Temperaturanstieg.
Wird die Leiterbahn zu heiß, steigt der Widerstand und die Leiterplatte kann Schaden nehmen.
Außenlagen kühlen dank Luftströmung besser, Innenlagen benötigen für denselben Strom größere Breiten.
2) Kupferdicke
Typisch sind 1 oz/ft² (≈ 35 µm).
Dickeres Kupfer, z. B. 2 oz oder 3 oz, ermöglicht für denselben Strom schmalere Leiterbahnen – kostet aber mehr und kann die Feinststruktur begrenzen.
3) Leiterbahnlänge und Spannungsabfall
Mit zunehmender Länge steigt der Widerstand.
Das führt zu Spannungsabfall und Leistungsverlust, besonders in Versorgungs- und Masse-Netzen.
Wenn der Abfall kritisch ist, wählen Sie eine breitere Leiterbahn oder mehrere parallele.
4) Umgebung und Kühlung
Verguss, Lötstopplack und Luftstrom beeinflussen die Wärmeabfuhr.
Bedeckte oder Innen-Leiterbahnen stauen mehr Wärme – also Breite erhöhen oder Stromdichte reduzieren.
5) Fertigungsgrenzen
Jeder Leiterplattenhersteller hat Minimalwerte für Breite/Abstand.
Standardfertigung erlaubt meist 4–6 mil, HDI geht auf 2 mil oder weniger.
Prüfen Sie die Fähigkeiten des Fertigers, bevor Sie Regeln fixieren.
IPC-2221 vs. IPC-2152: Welcher Standard?
Beide Standards definieren, wie die Leiterbahnbreite berechnet wird – aber auf unterschiedliche Weise.
IPC-2221 (ältere Formel)
Basiert auf älteren empirischen Gleichungen.
Liefert grobe Schätzungen und spiegelt moderne Materialien oder Innenlagenbedingungen oft nicht exakt wider.
IPC-2152 (aktualisiert & getestet)
Beruht auf realen thermischen Messungen und berücksichtigt mehr Variablen (Lagenposition, Kupferdicke, Umgebung).
Er ist genauer und konservativer und wird für neue Designs empfohlen.
So nutzen Sie einen Trace-Width-Calculator
Online-Rechner machen die Dimensionierung schnell und einfach.
Sie verwenden Formeln aus IPC-2221 oder IPC-2152, um die erforderliche Breite für einen vorgegebenen Strom und Temperaturanstieg zu ermitteln.
Typische Eingaben:
- Strom (A)
- Temperaturanstieg (°C)
- Kupferdicke (oz oder µm)
- Lagetyp (Innen/Außen)
Beispiel: Für 2 A auf einer Außenlage mit 1 oz Kupfer und 10 °C Anstieg liefert der Rechner etwa 20 mil (0,5 mm).
Auf einer Innenlage wären ca. 40 mil nötig.
Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen und Impedanzkontrolle
In digitalen oder RF-Schaltungen beeinflusst die Breite nicht nur den Strom, sondern auch die Impedanz.
Bei hunderten MHz bis mehreren GHz verhält sich die Leiterbahn wie eine Leitung.
Microstrip und Stripline
- Microstrip: Außenlage-Leiterbahn mit Luft darüber und Bezugsebene darunter.
- Stripline: Innenlage-Leiterbahn zwischen zwei Bezugsebenen.
Die Impedanz hängt ab von:
- Leiterbahnbreite
- Dielektrikdicke
- Dielektrizitätskonstante (Dk)
- Kupferdicke und Rauheit
Typische Zielwerte: 50 Ω Single-Ended bzw. 100 Ω Differenzial (USB, HDMI, PCIe usw.).
Leiterbahnen für hohe Ströme & Power-Delivery
Versorgungs- und Masse-Netze führen große Ströme und erwärmen sich schnell.
Ein gutes Layout hält sie kurz, breit und gleichmäßig verteilt.
Grundregeln:
- Kurze, direkte Wege. Lange/enge Pfade erzeugen Spannungsabfall.
- Kupfer dicker wählen. 2 oz oder 3 oz verdoppeln die Stromtragfähigkeit annähernd.
- Mehrere parallele Vias für den Rückstrom – senkt Widerstand und verbessert Kühlung.
- Kupferflächen/Power-Planes zur Wärmeverteilung.
- Engstellen vermeiden (Pad-Verjüngungen, scharfe Ecken).
So erhöhen Sie die Zuverlässigkeit und reduzieren das Risiko von „Burn-Out“ bei Netzteilen, Motor-Treibern oder LED-Anwendungen.
EMV, Übersprechen & Masseführung
EMV-Probleme beginnen oft mit schlechtem Layout. Einfache Regeln:
- Rückstrompfade kurz und direkt. Das Signal sollte stets über seiner Referenzebene laufen.
- Ruhige und störende Netze trennen. Analoge Leitungen von Schaltreglern/Taktleitungen fernhalten.
- Guard-Traces nur gezielt. Eine geerdete Schirm-Leiterbahn kann Übersprechen senken – nur mit guter Erdung.
- Keine Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen über Ebenen-Trennungen. Sonst reißt der Rückstrompfad ab und EMV verschlechtert sich.
Kleine geometrische Anpassungen können Rauschen deutlich reduzieren und die Signalintegrität verbessern.
Kurze FAQ
F: Warum brauchen Innenlagen breitere Leiterbahnen als Außenlagen?
A: Innenlagen geben Wärme schlechter ab – sie sind von Isoliermaterial umgeben.
F: Ist IPC-2152 genauer als IPC-2221?
A: Ja. IPC-2152 basiert auf realen Wärme-Messungen und liefert realistischere Ergebnisse.
F: Wie schätze ich die Breite für 5 A bei 10 °C Anstieg?
A: Auf einer Außenlage mit 1 oz Kupfer benötigen Sie etwa 60–70 mil. Für den exakten Wert den Rechner benutzen.
Fazit
Das Design von PCB-Leiterbahnen ist Wissenschaft und Erfahrung zugleich.
Zu schmal – Überhitzung. Zu breit – Platzverschwendung.
Mit IPC-2152 und einer Breiten-Berechnung bauen Sie sichere, effiziente und serienreife Leiterplatten.
Egal ob High-Speed-Mikrocontroller-Board oder leistungsstarker Treiber – es gilt:
Gutes Leiterbahn-Design ist die Grundlage zuverlässiger, leistungsstarker Elektronik.
