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Thermal

PCB トレースの温度上昇

IPC-2221 の外層近似式を使用して、負荷電流下でのPCBの銅トレース温度上昇を計算します。トレースの幅、厚さ、電流を入力すると、周囲温度よりΔT高い値が得られます。サーマルPCBの設計と信頼性エンジニアリングに不可欠です。無料で即時に結果が得られます。

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公式

ΔT=(Ik⋅A0.725)1/0.44,k=0.048 (external), A in mil2\Delta T = \left(\frac{I}{k \cdot A^{0.725}}\right)^{1/0.44},\quad k = 0.048 \text{ (external)},\ A \text{ in mil}^2

参考: IPC-2221B Appendix B (external layers)

ΔT— 周囲温度を超える温度上昇 (°C)
I— トレース電流 (A)
k— IPC-2221 定数 (外部:0.048)
b— IPC-2221 エクスポネント (0.44)
c— IPC-2221 クロスセクション・エクスポネント (0.725)
A— 導体断面積 (幅 × 厚さ) (mil²)

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。

この計算ツールは、IPC-2221 の外層用近似式 I = k x deltaT^0.44 x A^0.725 を使います。したがって deltaT = (I/(k x A^0.725)) ^ (1/0.44) で、外層トレースでは k = 0.048、A はミル^2単位の断面積です。IPC-2221 は内層トレースに k = 0.024 を与えますが、この計算ツールでは適用しません。IPC-2152 (2009) はこれらのチャートを、基板厚さや近接する銅プレーンの補正を含む新しい測定に置き換えたもので、この閉じた式ではなくチャートとして公開されています。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 55℃ で 4A を連続して流す、幅 1.5mm、長さ 100mm、2オンス銅 (70um) の外層トレースを確認します。最大許容温度は 105 ℃ です。

IPC-2221 の外層近似式によるソリューション:

  1. 断面積:A = 1.5mm x 0.070mm = 0.105 mm^2 = 162.75 ミル^2 (1 mm^2 = 1550 ミル^2)
  2. 外層定数:k = 0.048
  3. 温度上昇:deltaT = (4/(0.048 x 162.75^0.725)) ^ (1/0.44)
  4. 計算:162.75^0.725 = 40.12; 0.048 x 40.12 = 1.926; 4/1.926 = 2.077; 2.077^(1/0.44) = 5.27C
  5. 実際の温度:T = 55C + 5.27C = 60.3C
  6. マージン:105C - 60.3C = 44.7C — 十分です。同じトレースは 10C 上昇で 5.30A を流せます

抵抗と損失:R = 0.01724 / 0.105 x 0.1 m = 16.42 mOhm、したがって P = 4^2 x 0.01642 = 263 mW です。

内層では IPC-2221 は k = 0.024 を使い、同じトレースで約 25C になります。この計算ツールは外層のみを計算します。

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

  • ✗この計算ツールが使う IPC-2221 の近似式を厳密なものとして扱う。この式は1950年代のデータに基づいており、基板の厚さや近くの銅プレーンを考慮していません。IPC-2152 (2009) はこれらのチャートを、それらを考慮した新しい測定値に置き換えています。重要なトレースは、この計算ツールが実装していない IPC-2152 のチャートで確認してください。
  • ✗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

IPC-2152に基づくアプリケーションによって異なります。コンシューマエレクトロニクスは通常20〜30℃上昇し、工業用は10〜20℃、自動車/航空宇宙産業では信頼性要件により最大10℃上昇します。重要な制約ははんだ接合です。サイクル範囲が10℃に達するごとに、IPC-9701Aの2倍の疲労損傷が発生します。長期にわたる信頼性を確保するため、合計温度 (周囲温度+上昇温度) を105℃未満に保ってください。
この計算ツールが使う IPC-2221 の近似式では、電流容量は A^0.725 に比例します。ここで、Aは断面積です。幅 (同じ厚さ) を 2 倍にすると、トレースの幅が広いほど冷却用の表面積も大きくなるため、容量は 2 倍ではなく 2^0.725 = 1.65 倍 (65%) 増加します。同じ温度上昇の場合、2A で 1mm トレース、3.3A で 2mm トレース、4.5A で 3mm トレース。
はい — この計算ツールが使う IPC-2221 の近似式は断面積を直接使用します。幅1mmの1オンスの銅 (35um) はA = 35,000 um^2、同じ幅の2オンス (70um) はA = 70,000 um^2で、電流容量が1.65倍に増加します。銅が厚いほど熱拡散も改善され、熱モデリングによれば容量がさらに 5 ～ 10% 増加します。
IPC-2152によると、(1) 周囲温度 — 計算された上昇値に直接加算、(2) 隣接するトレース — 熱結合により5～15℃増加、(3) 銅を注入すると熱拡散が15～ 25% 向上、(4) ソルダーマスク — 熱を閉じ込めて5～10℃増加、(5) 基板材質 — FR4はポリイミドよりも熱伝導性に優れています。これらの要因には 20 ～ 30% のマージンを含めてください。
IPC-2152の設計ガイドラインによると、(1) 初期設計時 — 予想される電流に合わせてトレースのサイズを決定する。(2) レイアウト後 — 実際のトレース長と銅分布を確認する。(3) 電流を増やした後、(4) 製造時 — 赤外線カメラまたは熱電対を使用してプロトタイプの実際の温度を測定する。ワーストケースの動作条件で計算してください。

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