PCBトレースが思ったより熱くなる理由

# #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、電流容量に合わせて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℃高く加熱され、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。

計算ツールが実際にできること

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、およびトレースの長さ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もの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 (IPC-2221): IPC-2221 の外層チャートで、トレースが周囲温度より何度高くなるか
• 温度上昇 (IPC-2152 図5-1): どの層にも使える IPC-2152 の保守的なチャートでの同じ値で、1つ目の4.83倍
• 最大トレース温度: 実際の動作温度 (周囲温度+上昇)、それぞれの上昇について
• トレース抵抗: 20°C でのトレースの直流抵抗
• 消費電力: すべてを加熱する I²R 損失
• ΔT=10°C での電流容量: IPC-2221 のチャートで 10°C 上昇になる電流を示す確認用の値

最後のチェックは、簡単な比較に役立ちます。4 A を実行していて、計算ツールで ΔT=10°C の容量が2.1 Aと表示されていれば、トレースを強く推し進め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依存します。長方形のトレースの場合:

ここで、$\rho$ は銅抵抗率（20°C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オンスは70 μm, 、1/2オンスは17.5 μm. です。これらは公称値であり、ファブハウスはどのボードでも±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)
• エリア: $1.27 \times 0.035 = 0.0445$ mm² = $4.45 \times 10^{-8}$ m²

20°C でのトレース抵抗:

電力損失 (第一次近似):

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。

1オンスの銅の50ミルのトレースに3Aを流すと、計算ツールはチャートによる2つの上昇を示します。IPC-2221 の外層チャートで 11.3°C、どの層にも使える保守的なチャートである IPC-2152 の図5-1 で 54.6°C です。後者はチャートが描く45°Cの曲線を超えるため、計算ツールは外挿として警告します。トレースの下に銅プレーンがなければ後者で設計するので、トレースの温度は次のようになります。

次に、抵抗を温度で補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 30% 多い電力です。実際には熱曲線がその一部をすでに考慮していますが、要点は変わりません。温度に依存する抵抗は重要です。

PCB トレース温度上昇計算ツールを開き、これらの値を入力してください。2つの上昇、2つ目への警告、20°C での抵抗が表示され、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 ミルに倍にすると、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)。上昇は図5-1 で 17.4°C（IPC-2221 のチャートで 3.6°C）に下がり、トレースは 99.6°C ではなく 62.4°C になります。これならずっと余裕があります。

あるいは、元の50ミル幅のまま2オンスの銅にすると断面積が同じになるため、上昇も同じく図5-1 で 17.4°C です。どちらを選ぶかは、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規格：彼らが教えてくれることと教えてくれないこと

IPC-2152 は、誰もが何十年も使ってきた古い IPC-2221 の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、片面基板で、ソルダーマスクも近くの銅プレーンもありませんでした。最新の多層基板に対しては、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 はそのうちの1つ、IPC-2221 の内層チャートを図5-1 として残しました。どの層にも使える保守的なチャートで、計算ツールの2つ目の上昇はこれを読み取っています。

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かもしれません（IPC-2152 の詳細手法はこれを考慮し、計算ツールの「この基板での上昇」も、IPC-2152 ではない rftools 独自の熱モデルで考慮します）。あるいは、他に3本の電源トレースが並行して走り、熱を加えているかもしれません。計算ツールは妥当なベースラインを示しますが、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

電流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0.5-1 mΩ 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を流れる場合、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 (これは計画が不十分なレイアウトでは発生しますが)、局所的なホットスポットが発生し、トレース計算には表示されません。

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、トレースやコンポーネント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。

内層ははるかに高温になると考える

IPC-2221 はそう仮定しており、内層チャートは外層チャートの半分の電流しか認めません。しかし IPC-2152 の測定では、静止空気中の内層トレースの温度は外層とほぼ同程度でした。そのため図5-1 は両方に適用され、計算ツールの IPC-2152 の上昇はどの層でも同じです。温度が低くなるのは、すぐ下に銅プレーンがあるトレースです。

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えてみてください。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オンスの銅で温度上昇10°Cの場合、IPC-2152 の図5-1（どの層でも、トレースの下にプレーンなし）と IPC-2221 の外層チャートは次の幅を示します。

• 1 A: 31ミル（IPC-2221 外層: 12ミル）
• 3 A: 140ミル（54ミル）
• 5 A: 283ミル（109ミル）
• 10 A: 737ミル（283ミル）。図5-1 が描く 700 mil² を超えるため、ポリゴンを使うほうがよいでしょう

内層では IPC-2221 も図5-1 と同じ幅を要求します。2オンスの銅なら幅は半分です。重要なもの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、最も高い電流の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。