PCBトレースはどのくらいの電流で溶けますか？

シナリオ

何かがおかしい。ショート、FET の失敗、クローバーイベント。電流は上昇しており、障害と電源の間にあるのはトレースだけです。

トレースはヒューズのように機能し、何か悪いことが起こる前に回路を開放するのでしょうか。それとも、保護装置がトリップするほど長く残るのでしょうか？

これは、定常状態の電流容量 (IPC-2152) とは別の問題です。定常状態では、トレースが連続的にどれだけ高温になるかが問われます。フュージングは、どれくらいの電流をどれくらいの時間かけて銅を溶かすかを求めます。

ウンダードンクの方程式

W・H・オンダードンクは、1928年に円形の銅線についてこれを発表し、それ以来ずっとPCBのトレースに適用されてきました。

ここで、 $A$ は円形ミル単位の断面積、 $T_m$ は銅の融点（1083°C）、 $T_a$ は周囲温度、 $t$ は秒単位の時間です。

物理学:電気エネルギーはすべて導体を加熱するために消費されます (断熱仮定 — 基板に熱が逃げないという仮定)。導体は1083°Cに達すると溶けます。

断熱的仮定は、短いパルス (約 1 秒未満) では保守的であり、長いパルスの場合は楽観的です。数十ミリ秒続く断層の場合、かなり良い結果です。トレースには、FR4に有意義な熱を伝導する時間がなかったからです。

断面は君が描いたものとは違う

これがPCBのトレースにとって重要で、ほとんどの実装が間違っている部分です。

長方形のトレースを描きました。幅 $W$ 、厚さ $t$ (銅の重量で決まる)。面積 = $W \times t$ 。シンプル。

しかし、エッチングしても垂直な側壁は作られません。エッチング液は上から攻撃し、進むにつれてアンダーカットします。その結果、台形になります。底面 (基板側) は全幅で、上部はアンダーカットの2倍だけ狭くなります。

エッチファクター $E$ は、垂直エッチング深さと水平アンダーカットの比率です。標準値:

• アルカリエッチング: $E \approx 3$ (良好)
• 酸性塩化銅: $E \approx 2.5$
• 古い、または手入れの行き届いていないお風呂: $E \approx 2$

上部の幅は次のようになります。

そして、実際の断面積は台形です。

$E = 3$ の0.25mmトレースに2オンスの銅（70 µm）がある場合、長方形の仮定では17,500 µm². が得られます。台形の場合、面積は15,867 µm² — 9.3％小さくなり、溶断電流が4.6％少なくなります。

重い銅を使用したファインピッチのトレースでは、補正値が大きくなります。0.15 mm のトレースで 1 オンスの場合、面積が 12% 小さくなります。

時間は非常に重要です

オンダードンクの方程式の時間は平方根以下なので、電流を融解すると $1/\sqrt{t}$ のように計算できます。故障時間が 2 倍になっても、ヒューズ電流は 29% しか低下しません。

別の言い方をすれば、10 A で 100 ミリ秒持続したトレースは 31.6 A で 1 ミリ秒間融合します。同じ銅、同じ形状、まったく異なる電流。なぜなら、1 ms ではエネルギーがほとんど拡散し始めるからです。

これが、速効型ヒューズが機能する理由です。高速ヒューズは、 I²t の積がほぼ一定である断熱領域を利用しています。

PCB設計で重要なのは、故障時間を把握しておくことです。ゲート・ドライバの後ろに10ミリ秒のクローバーがあるのは、パワーレールの持続的な短絡とはまったく異なる設計上の問題です。

周囲温度は予想以上に答えをずらします

周囲温度が25°Cの場合、トレースを溶かすには1058°C上昇する必要があります。周囲温度が85°C (自動車のボンネット下) では、998 °C 上昇するだけでよく、温度上昇は 5.7% 少なくなり、ヒューズ電流が約 3% 少なくなります。

これは劇的なことではありません。しかし、配線が定常状態 (たとえば、通常の負荷で周囲温度より60℃高い) ですでに高温になっている設計では、故障の有効な開始温度は85°Cではなく145°Cです。溶融マージンは1058°Cではなく938°Cになり、溶融電流は約 6% 低下します。

これらは積み重なっています。ホットボード、IPC 限界近くで稼働している重い銅線、予想よりも長い故障時間。それぞれが数パーセント削り、一緒になって安全マージンを食い尽くします。

アンダードンクがカバーしていないこと

ハンダジョイント。 ハンダは合金によって異なりますが、183～227 °Cで溶けます。トレースが溶けるずっと前に、両端のはんだ接合部が開きます。実際には、「溶融した」トレースとは通常、溶けた導体ではなく、パッドが持ち上げられた状態を指します。故障モードは異なり、閾値は低くなります。 層間剥離 FR4 のガラス転移温度は 130 ～ 180 °C です。Tg と銅の融点の間には、ラミネートが炭化し、ガスが発生し、炭化樹脂を通してアークが発生する可能性のある、長い伸びがあります。トレースはきれいに溶けない場合があります。最初に基板が炭化して、障害が解消された後も導電経路が作られることがあります。 メッキビア 表面の銅重量に関係なく、ビアの銅壁は通常25 µm (1 mil) です。0.3 mmのドリルビアの断面は約25,000 µm² の銅で、これは1オンスの0.7 mmトレースに匹敵します。トレースフュージングの計算でトレースが最も弱いリンクであると仮定しても、細いビアが直列にある場合は、ビアが最初にヒューズします。

設計ガイダンス

トレースをヒューズとして設計しないでください。 PCB トレースは質の悪いヒューズです。きれいに開かなかったり、弧を描いたり、ラミネートに火がついたりすることがあります。本物のヒューズまたは電子保護装置を使用してください。 保護機能が作動するまでトレースが存続することを確認してください。 役に立つ計算は、使用している保護デバイスのクリア時間を考えると、トレースは残るかということです。答えが「いいえ」の場合は、トレースを広げるか、保護速度を上げてください。 意図的にヒューズトレースを使用する場合 (一部の安全回路にはあります): 台形領域を使用し、高温環境を考慮して設計し、電流に対する安全係数を2倍にしてください。実際のボードをテスト — Onderdonkはモデルであり、保証ではありません。 融着電流計算ツールは、Onderdonkに台形エッチング補正を適用し、故障時間をスイープできるようにし、上流の保護デバイスと比較できるように I²t 積を報告します。