PCB トレースの温度上昇
IPC-2152を使用して負荷電流下でのPCB銅トレース温度上昇を計算
公式
参考: IPC-2221B Appendix B (external layers)
仕組み
PCBトレース温度カリキュレータは、電流が流れるトレースの定常状態の温度上昇を計算します。これは、トレースの過熱によりはんだ接合部の故障やPCBの層間剥離が発生するパワーエレクトロニクス、モータードライバー、LED回路に不可欠です。熱技術者はこれを利用して、設計がFR4のガラス転移温度 (Tg = 130-180C) 未満に保たれ、適切な安全マージンが得られることを検証します。
IPC-2152（IPC-2221の1950年代の時代遅れのデータに取って代わる）によると、温度上昇は経験式に従います。deltaT = (I/(k x A^b)) ^ (1/c) です。ここで、k=0.048 は外部トレースの場合は0.048、内部トレースの場合は0.024、Aはミル^2単位の断面積、b=0.44、c=0.725です。対流冷却は周囲の誘電体によって遮断されるため、内部トレースは同じ電流で外部トレースよりも40～ 50% 高温になります。
実際の温度 = 周囲温度+デルタット周囲25℃で20℃上昇する設計では45℃に達し、85℃の自動車環境では105℃に達します。これははんだリフロー温度（183～220℃）に近づき、長期的な信頼性が危険にさらされます。IPC-9701Aによると、温度が10℃上昇するごとに、熱サイクル疲労によりハンダ接合部の寿命が半分になります。
銅の抵抗率は、ASTM B193 を適用するごとに 0.393% /℃増加します。75C (25C 基準値を 50C 上回る) の配線は、室温で計算した値よりも 20% 高い抵抗値を示し、正のフィードバックが発生して高電流時に熱暴走が発生する可能性があります。設計計算では、抵抗値としてワーストケースの温度を使用する必要があります。
計算例
問題:周囲温度が55℃の4層基板上で、幅1.5mm、2オンスの銅線 (70um) の内部トレースが4A連続で伝送されていることを確認します。最大許容温度は 105 ℃ です。
IPC-2152 に準拠したソリューション: 1.断面積:A = 1.5mm x 70um = 105,000 um^2 = 163 ミル^2 2.内部レイヤー定数:k = 0.024 3.温度上昇:デルタット = (4/ (0.024 x 163^0.44)) ^ (1/0.725) 4.計算:163^0.44 = 9.1; 0.024 x 9.1 = 0.218; 4/0.218 = 18.3; 18.3^1.38 = 46.5C 5.実際の温度:T = 55C + 46.5C = 101.5C 6.マージン:摂氏105度-摂氏101.5度 = 3.5度 — マージンが不十分です!
解決策：(1) トレースを2mmまで広げる (上昇を35℃に下げる)、(2) 3オンスの銅を使用する (上昇を32℃に下げる)、または (3) トレースを外層に移す (対流冷却により上昇を23℃に下げる) のいずれかです。
実践的なヒント
- ✓IPC-2152表6-1の推奨事項に従い、保守的な設計では10°C、コンパクトなボードでは20°C、コスト最適化されたコンシューマ製品では最大30°Cの上昇を目標としています。
- ✓電源トレースの周囲に銅を注入すると、熱拡散により熱シミュレーション研究によると効果的な冷却が15～ 25% 向上し、同じ電流での温度上昇が減少します。
- ✓車載用（周囲温度85℃）：電源トレースには2オンスの銅を含む外層を使用。同じ温度上昇で内部1オンスの電流容量と比較して、2倍の電流容量が得られます。
よくある間違い
- ✗1950年代の軍事データに基づくIPC-2221チャートを使用すると、現在の容量を20〜40％過小評価しています。IPC-2152 (2009) は、テストによって検証された最新の熱モデリングを使用しており、業界標準です。
- ✗IPC-9701Aによると、製品が55～85℃で動作しているときの周囲温度を25℃で計算すると、動作温度が高いとハンダの疲労が劇的に加速します。計算された温度上昇には、必ず実際の環境温度を加算してください。
- ✗内部層の熱ペナルティは無視してください。IPC-2152によると、熱は空気と対流するのではなく誘電体を介して伝導する必要があるため、内部トレースは外部トレースよりも40〜50％高温になります。内部電源トレースのサイズは 50 ～ 100% 広くなっています。
よくある質問
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