PCBトレースが思ったよりも熱くなる理由（方法...

# #何かが溶けるまで誰も話さない問題

ほとんどのエンジニアは、現在の容量に合わせてPCBトレースのサイズを決定し、これで完了です。このトレースは 3 A を処理でき、2.5 A で動作していれば、すべて問題ありません。ただし、そうではありません。2.5Aではトレースが周囲温度より40°C高くなるため、近くの温度に敏感なアナログ回路が仕様から外れてドリフトしているからです。さらに悪いことに、はんだ接合部が想定していた60℃ではなく85℃になっているため、徐々に劣化しています。

トレース温度の上昇は、実際に数値を調べるまでは簡単に思える問題の 1 つです。電流、トレース形状、温度の関係は非線形であり、熱環境は非常に重要であり、誰もが引用するIPC規格には、必ずしも明らかではない制限があります。

電卓の実際の機能

PCB トレース温度上昇計算ツール は、電流、幅、銅の重量、周囲温度、およびトレース長などのトレースパラメータを取得し、トレースがどれだけ熱くなるか、どれくらいの電力が消費されるか、トレース抵抗がどのような状態になるかといった熱的状況を示します。

出力には以下が含まれます。

-温度上昇 (ΔT) : トレースが周囲温度より何度高くなるか -最大トレース温度: 実際の動作温度 (周囲温度+上昇) -トレース抵抗: 動作温度におけるトレースのDC抵抗 -消費電力: すべてを加熱するときの$I^2R$の損失 -ΔT=10°Cでの電流容量: どの電流が10°C上昇するかを示す健全性チェック

最後のチェックは簡単な比較に役立ちます。4Aの電流を流していて、計算ツールでΔT=10°Cの容量が2.1Aと表示されていれば、配線に大きな負荷がかかっていることがわかります。

物理学 (簡潔に)

トレースの発熱は抵抗損失によるものです。トレースの有限抵抗を流れる電流は電力を消費します。

トレース抵抗は形状と温度によって異なります。長方形のトレースの場合:

ここで、$\rho $は銅抵抗率（20℃で約$1.7 \times 10^{-8}$Ω·m）、$ L $は長さ、$ W $は幅、$ t$は厚さです。

銅の重さは厚みを表します。1 オンスの銅は約 35 μm (1.4 ミル)、2 オンスの銅は 70 μm、½ オンスは 17.5 μm です。これらは公称値であり、どのボードでもファブハウスは± 10% になる場合があります。

ここが興味深いところです。銅抵抗率は1℃あたり約 0.39% で温度とともに増加するため、室温より50℃高い配線は、室温値から計算するよりも抵抗が約 20% 高くなります。これによりフィードバックループが形成されます。抵抗値が高いほど消費電力が多くなり、温度が高くなり、抵抗も大きくなります。システムは平衡状態を見つけますが、単純な計算から得られるような温度には達していません。

実際に動作した例

モータードライバーボードを設計しているとしましょう。モーターの電力は 3 A 連続で、コネクターから H ブリッジまで 12 インチ (305 mm) のトレースが走っています。ボードは 1 オンスの銅を使用しており、トレース幅には 50 ミル (1.27 mm) を割り当てています。エンクロージャー内の周囲温度は 45°C です。

まず、断面積をトレースします。 -幅:1.27 ミリメートル -厚さ:35 μm (1 オンスの銅) -面積:$1.27 \times 0.035 = 0.0445$ mm² =$4.45 \times 10^{-8}$ m²

20°C でのトレース抵抗:

電力損失 (最初の近似):

細い銅ストリップで消費される電力は 1 ワットを超えます。温度上昇は、その熱がどれだけうまく逃げるかによって決まります。つまり、トレースが内側の層にあるか (悪い)、外側の層がソルダーマスクで覆われているか (問題ありません)、外側の層にエアーフローがあるか (より良い) です。

IPC-2152から導き出された曲線を外部トレースに使用すると、1オンスの銅の50ミルのトレースを3Aに通すと、約35°Cの温度上昇が得られます。つまり、トレースは次の場所で実行されます。

次に、温度の抵抗値を修正する必要があります。

実際の消費電力:

これは当初の推定値よりも 23% 多い計算になります。実際には、熱曲線はすでにその一部を説明していますが、要点は変わりません。温度に依存する抵抗が重要だということです。

PCB トレース温度上昇計算ツールを開いて、これらの値を入力します。温度上昇、補正後の抵抗、レイアウトを見直す必要があるかどうかがわかります。

トレースを広くしたらどうなるでしょうか？

トレースを100ミルに倍増させると、抵抗が半分になり、熱性能が劇的に向上します（熱を拡散して放射する銅の面積が増えます）。温度上昇は約12°Cに下がり、トレースは80°Cではなく57°Cになりますが、これははるかに快適なマージンです。

あるいは、元の幅が50ミルの2オンスの銅を使用すると同様の結果が得られ、約15℃上昇します。どちらを選択するかは、スタックアップの制約とコスト許容度によって異なります。

IPC 標準:IPC 標準が教えてくれることと伝えられないこと

IPC-2152 は、誰もが何十年も使用していた古い IPC-2221 チャートに取って代わりました。古いチャートは1950年代のデータに基づいており、片面ボードにはソルダーマスクがなく、近くに平面もありませんでした。最新の多層基板については保守的な場合もあれば、危険なほど楽観的な場合もありました。

IPC-2152は、最新のPCBの実際の熱試験に基づいており、これは良いことです。しかし、この規格では依然として次のような仮定がなされています。

-静止空気 (強制対流なし) -隔離してトレース (近くに熱源がない) -定常状態 (パルス電流なし) -特定のボード構造

実際のボードでは、トレースの8ミル下にヒートスプレッダーとして機能するグランドプレーンがある場合や、他に3つの電源トレースが並行して動作し、ミックスに熱を加えている場合があります。この計算ツールでは妥当な基準値が得られますが、エンジニアリング上の判断が必要です。

よくある間違いと落とし穴

現在のパスのビアを無視する

1つのビアは、幅の広い配線に比べて抵抗が大きくなります。1オンスの銅製12ミルのビアには、おそらく0.5～1mΩの抵抗があり、単独ではそれほど大きくはありませんが、3Aを流れるとビアあたり4.5～9mWになります。10 個のビアを直列に接続すると (計画が不十分なレイアウトではこれが起こります)、局所的なホットスポットが発生し、トレース計算には現れません。

サーマルカップリングについて忘れてしまう

2 A 配線を 3 インチ並列に 2 本接続すると、それぞれ単独で 2 A 配線を 1 本使用するよりも高温になります。一方のトレースからの熱は、もう一方のトレースの局所的な環境を高めます。温度上昇の計算結果が 25°C だったのに、配線や部品が隣接しているために実際の温度上昇が 40°C だったボードを見たことがあります。

銅の公称重量の使用

エッチング後の「1オンス」の銅は、特にエッチング係数が側壁に食い込むようなファインピッチのトレースでは、0.9オンスになることがあります。クリティカルな電流経路については、銅が公称値よりも 10 ～ 15% 少ないと仮定します。

内層と外層を同じように扱う

同じ電流では、内部トレースは外部トレースよりも大幅に高温になります。その周りはFR-4で囲まれていて、これはまともな断熱材です。内部配線の温度上昇は、同じ形状と電流の外部配線よりも 50% 高くなる可能性があります。この計算ツールは通常、外部トレースを想定しています。内部層に電源を配線する場合は、マージンを加えてください。

過渡動作を無視する

定常状態の温度上昇は、電流が連続していることを前提としています。負荷が 1 秒あたり 100 ミリ秒間 5 A のパルス状態になると、トレースは定常状態の温度に達しません。温度はいくらか低い温度と高い温度との間で循環します。実際には、はんだ接合部の熱疲労が原因で、定常加熱よりも信頼性が低下する可能性があります。ただし、関係する熱時定数を理解していれば、定常状態の計算で示されるよりも狭いトレースを使用できる可能性もあります。

ソルダーマスクの神話

一部のエンジニアは、ソルダーマスクを使用するとトレースが絶縁され、配線が熱くなると考えています。実際には、ソルダーマスクは熱による影響が最小限です。薄く、優れた導体ではありませんが、熱をあまり閉じ込めることはありません。さらに重要なのは、対流冷却用に銅を露出させたのか、それとも導電性拡散のためにその下にグランドプレーンを露出させたのかということです。

心配すべきとき (そして心配しないとき)

一般に、電源トレースの温度が10°C上昇しても問題ありません。20°Cは注意する価値があります。40°C以上になると、再設計または熱管理の追加が必要になります。

しかし、コンテキストは重要です。30°Cの上昇でトレースを55°C（周囲25°C）に設定してもおそらく問題ありません。周囲温度が70°Cのエンクロージャで同じように30°C上昇すると、100°Cになります。これはハンダのリフロー温度に近づき、銅のエレクトロマイグレーションを促進します。

また、近くにあるものも考慮してください。高精度電圧リファレンスの隣にホット・トレースがあると、たとえそのトレース自体が仕様の範囲内であっても問題になります。他の電源部品に囲まれた電源セクションの真ん中にホットトレースがあるということはありませんか？おそらく問題ありません。

簡単な経験則

1オンスの銅を含む静止空気中の外部トレースについては、10°Cの温度上昇に対して以下の大まかなガイドラインが役立ちます。

-1 A: 幅約10-15ミル -3 A: 幅が約50-60ミル -5 アンペア:幅約120-150ミル -10 A: 幅約400ミル以上 (おそらくポリゴンポアが必要でしょう)

内部トレースの幅を2倍にする。2 オンスの銅を使用する場合は半分にします。これらは大まかな数字です。重要なことは必ず実際の計算で確認してください。

試してみてください

回路図を入手して最大電流トレースを見つけたら、PCB トレース温度上昇計算ツールを開く。実際のトレース幅、実際の銅の重量、現実的な周囲温度など、実数を入力します。気温の上昇に驚いたのは、あなただけではありません。ほとんどのエンジニアは、サーマルカメラを使って実際の基板上で測定するまで、トレースヒーティングを過小評価しています。

製造現場で調べるよりも、計算機で調べる方が良いでしょう。