PCB トレース幅:IPC-2221 対 IPC-2152

IPC-2221とIPC-2152の違い：どちらを使うべきですか？

そのため、トレースのサイズを決定していて、どの規格に従うべきか迷っているわけです。つまり、IPC-2221は1998年に発表されましたが、実際には1954年の測定値に基づいています。ええ、1954年。計算式は単純で保守的です。

k 係数は、外部トレース (最上層または最下層で空気にさらされるトレース) では 0.048、スタックアップに埋め込まれた内部トレースでは 0.024 です。ΔT は温度上昇 (°C) で、A は断面積 (mil²) です。効果はありますが、現代の基準では過度に慎重です。

IPC-2152は2009年に登場し、状況を変えました。彼らは実際に、アイゼンハワー時代のデータに頼るのではなく、最新のPCB材料とレイヤースタックアップを使って新しい実験を行いました。その結果は？同じ電流に対してより狭いトレースを使用することも、同じトレース幅でより多くの電流を流すこともできます。10Aの外部トレースで10°Cの上昇を伴うようなものについては、IPC-2152を使用すれば、IPC-2221が要求するものよりも約30～ 40% 狭いトレースでも問題ありません。これこそが、取り戻せる実際の基板スペースです。 新しい設計には IPC-2152 を使用してください。 ピリオド。IPC-2221に触れる唯一の理由は、顧客や認証機関が要求事項に名前を明記している場合です。そうしないと、銅と基板のスペースが無駄になってしまいます。

気温上昇予算

トレースは真空状態では存在しません (宇宙用のハードウェアを使っている場合を除きます)。実際に到達する温度は、周囲温度に電流による上昇を加えたものです。

ほとんどの人が使用しているFR4は、グレードにもよりますが、ガラス転移温度 (Tg) は130°Cから170°Cの間です。どうしてもTgに近づきたくはないでしょう。ボードが柔らかくなり始め、機械的に奇妙なことが起こります。その温度より少なくとも20°C低く保ってください。できればそれ以上は高くしてください。

ここが難しいところです。例えば、他の熱を発生するものと一緒にエンクロージャーの中に入れるようなものを設計しているとします。環境温度は 70°C で、これまで考えてきたような 25 °C ではないかもしれません。ボードのTgが130°Cで、その20°Cの安全マージンを維持した場合、最大トレース温度は約110°Cなので、使用できる温度上昇バジェットはわずか40°Cです。ヘッドルームはそれほど大きくありません。

ほとんどのエンジニアは、用途に応じて次のターゲットを目指しています。 -家庭用電化製品：10℃上昇 — 触っても温度が下がらず、信頼性が最大化される -産業用ギア：20～30°Cの上昇—それでも妥当ですが、コンポーネントの定格はそれに合っています -パワーエレクトロニクス:30～40°Cの上昇 — 押し付けているが、1ミリ単位のボードスペースが必要になることもある

これらは厳密なルールではなく、実際に通用しがちなルールです。熱質量が小さく、問題にならないので、短いトレースセグメントで50°Cの上昇を許容する電源設計を見たことがあります。コンテキストがすべてです。

外部レイヤーと内部レイヤー

これは人々がしばしば驚かされるところです。内部トレース（スタックアップの層に挟まれたもの）は、同じ電流を流す外部トレースよりも大幅に高温になります。その理由は？熱放散。

外部トレースによって熱が直接空気中に放出されることがあります (または、何かが溶けている理由をデバッグしている場合はサーマルカメラに)。内部の配線は、ひどい熱伝導体であるFR4に囲まれています。つまり、FR4の場合は0.3 W/m・kであるのに対し、銅の場合は約150 W/m・kです。熱を逃がすには、グラスファイバーとエポキシの何層もの層を通り抜ける必要がありますが、それは不本意ながら伝わります。

IPC-2221の公式は、k 係数でこれを捉えています。内部は 0.024、外部は 0.048 です。これは 2 倍の違いです。実際には、同じ温度上昇で同じ電流を流すには、内部トレースの断面積の約 2 倍が必要です。 20 milの外部トレースを計算した場合、内部に配線する必要がある場合は40ミル（またはそれ以上）の配線を計画してください。

ほとんどのエンジニアは、可能な限り、外側の層に高電流経路を維持するようにしています。どうしても内部層に電力を供給する必要がある場合は、幅に余裕を持たせてください。内部と外部は同等だと誰かが想定していたボードを十分にデバッグしました。そうではないので、電源を入れると鼻でわかります。

銅の重量と断面

銅の重量は、計算を始めるまでは簡単に思えるスペックの1つです。業界では1平方フィートあたりのオンス数を使用していますが、これは驚くほど直感的ではありません。これがトレース寸法にとって実際にどのような意味を持つのかを次に示します。

標準的な PCB ファブハウスはデフォルトで 1 オンスの銅を使用しています。安価で、よく理解されており、ほとんどのものに使用できます。しかし、その表を見てください。1オンスから2オンスにすると、同じトレース幅でも断面積が2倍になります。つまり、トレースの幅を広げずに (おおよそ) 2倍の電流を流すことができるということです。あるいは、同じ電流容量でもトレースの幅を半分にすることもできます。

電源とモーターコントローラーには、通常2オンスの銅をスペックしています。大規模な生産を行わない限り、コストの増加は最小限に抑えられ、ルーティングの柔軟性が大幅に向上します。ただし、トレースの幅と間隔が最小になることに注意してください。銅が厚いほどきれいにエッチングするのが難しいため、工場では4ミルのトレースを2オンスの銅で押し戻す可能性があります。

抵抗と電圧降下

ここで気になるのは、トレースが熱的に満足していても、まだ問題が残っている可能性があるということです。電圧降下は実際のもので、抵抗に比例します。

銅抵抗率*は20℃で1.72×10Ω・mで、温度とともに上昇します。係数α*は1℃あたり0.00393です。括弧内の項は、トレースが熱くなるにつれて抵抗が上昇することを示しています。

それでは、実際の例を見ていきましょう。標準の1オンスの銅を使用した、長さ100mm、幅1mmのトレースができました。3Aを押し通しています。断面積は 1 mm × 0.035 mm = 3.5 × 10m² です。数字を入力してください:

-R = (1.72×10× 0.1)/(3.5×10) = 0.049Ω -V_Drop = I × R = 3A × 0.049Ω = 0.15V -P_loss = I² × R = 9 × 0.049 = 0.44W

つまり、トレース全体で 0.15 V 低下したことになります。3.3Vレールを使っているなら、負荷に達する前に電圧バジェットの 4.5% を失ったことになります。5Vレールの場合は許容範囲が広いですが、高精度または低電圧の場合は問題になります。

消費電力は0.44Wで、大したことではないように聞こえますが、小さな領域に分散しています。これが、先ほど計算した温度上昇の原因です。長い大電流トレースは幅を広くする必要があります。そうしないと、2オンスの銅に急上昇する必要があります。時には両方も。

実践的なヒント

さて、理論は十分だ。ボードをレイアウトするときに実際に機能するものは次のとおりです。

配線する代わりに電源レールに銅線を流し込んでください。 マジで。1オンスの10mm幅の銅製注ぎ口は、上昇温度が5℃未満で20A以上でも簡単に処理できます。抵抗が低く、インダクタンスが低く、セグメントごとに幅を計算する必要がありません。エリアをあふれさせれば完了です。ポリゴンを注ぎ込むことができて、少ない労力でより良いパフォーマンスを得ることができるのに、1億マイルの電力トレースをルーティングする人がいます。 ホットトレースの下にサーマルビアを使用して熱を分散させてください。 外部層に高電流トレースがある場合は、その下にビアアレイを落として内部の銅層に熱を引き込み、分散させます。トレースに沿って0.5～1mmおきに間隔を空けてください。10ミルまたは12ミルのビアを使用してください。熱伝達には大きいほど良いです。これは、トレースが長い場合や、配線が熱限界に近い場合に特に重要です。内部の銅面はヒートシンクの役割を果たします。 最初のプロトタイプでは、赤外線カメラですべてを検証してください。 これだけ強調してもしすぎることはありません。これらの計算はすべて、均一な電流分布、隣接する熱源なし、特定の気流、完璧な銅メッキ厚という理想的な条件を前提としています。実際のボードはもっと厄介です。その配線は、近くにヒートシンクとして機能するグランドプレーンがあるために温度が低くなる場合もあれば、2Wを消費するリニアレギュレータの隣にあるために温度が高くなる場合もあります。赤外線カメラは真実を伝えます。Flirは、ほとんどの作業に十分対応できる電話アタッチメントを作成しています。私は多くの問題に気づいたので、最初のプロジェクトで元が取れました。

もう1つ、モータードライブ、電源、バッテリー充電など、大電流を扱う場合は、最初の実行時にファブハウスに断面分析を依頼することを検討してください。そこで基板を切り抜き、実際の銅の厚さとトレース形状を測定します。メッキの厚さはさまざまで、1オンスの銅は、その日のメッキ槽の稼働状況によって、実際には0.9オンスまたは1.1オンスになる場合があります。重要な設計では、実際の寸法を知ることが重要です。

当社の PCBトレース幅計算ツール を使用してトレース寸法を計算してください。IPC-2221とIPC-2152の両方の結果が並べて表示されるため、違いを確認して情報に基づいた選択を行うことができます。電流、温度上昇、銅重量を入力すると、必要なトレース幅が得られます。手作業で計算するよりもはるかに速く、さまざまなシナリオを試して、レイアウトに最適なものを見つけるのも簡単です。