PCB 트레이스를 녹이는 전류의 양은 얼마입니까?

시나리오

뭔가 잘못됐어요.짧지만 실패한 FET, 크로우바 이벤트.전류가 오르고 있는데 결함과 전원 공급 장치 사이를 오가는 건 오로지 당신의 추적뿐입니다.

트레이스가 심각한 상황이 발생하기 전에 회로를 여는 퓨즈 역할을 할까요? 아니면 보호 장치가 고장날 정도로 오래 살아남을 수 있을까요?

이는 정상 상태 전류 용량 (IPC-2152) 과는 다른 질문입니다.정상 상태는 트레이스가 연속적으로 얼마나 뜨겁게 실행되는지 묻습니다.퓨징은 구리를 녹이는 전류의 양과 시간을 묻습니다.

온더동크 방정식

W.H. Onderdonk는 1928년에 원형 구리 와이어에 대해 이 보고서를 발표했으며, 그 이후로 PCB 트레이스에 적용되어 왔습니다.

여기서$A $은 원형 밀 단위의 단면적,$ T_m $은 구리의 융점 (1083°C),$ T_a $은 주변 온도,$ t$은 시간 (초) 입니다.

물리학: 모든 전기 에너지는 도체를 가열하는 데 사용됩니다 (단열 가정 — 열이 기판으로 빠져나가지 않는다는 가정).도체는 온도가 1083°C에 도달하면 녹습니다.

단열 가정은 짧은 펄스 (약 1초 미만) 에 대해서는 보수적이고 긴 펄스에 대해서는 낙관적입니다.결함이 수십 밀리초 동안 지속된다면 이는 꽤 괜찮은 수치입니다. 트레이스를 통해 FR4에 의미 있는 열을 전달할 시간이 없었기 때문입니다.

횡단면은 여러분이 그린 것과 다릅니다

PCB 트레이스에서 중요한 부분이며 대부분의 구현이 잘못되는 부분은 다음과 같습니다.

직사각형 트레이스를 그렸습니다: 너비$W $, 두께$ t $(구리 무게로 결정).면적 =$ W \times t$.간단합니다.

하지만 에칭은 수직 측벽을 만들지 않습니다.에칭액은 위쪽부터 공격하며, 갈수록 언더컷이 발생합니다.그 결과 사다리꼴이 됩니다. 베이스 (기판 쪽) 는 전체 너비로, 상단은 언더컷 면보다 두 배 더 좁아집니다.

에칭 계수$E$은 수직 에칭 깊이와 수평 언더컷의 비율입니다.일반적인 값:

• 알칼리 에칭:$E \approx 3$(양호)
• 산성 염화구리:$E \approx 2.5$- 오래되었거나 제대로 관리되지 않은 욕조:$ E \approx 2$상단 너비는 다음과 같습니다.

그리고 실제 단면적은 사다리꼴입니다.

$E = 3$규격의 0.25mm 트레이스에서 2온스 구리 (70 µm) 의 경우: 직사각형 가정은 17,500 µm²입니다.사다리꼴은 면적이 15,867µm² (9.3%) 더 적으며, 이는 퓨징 전류가 4.6% 더 적다는 것을 의미합니다.

구리가 많은 미세 피치 트레이스에서는 보정 범위가 더 큽니다.0.15mm 트레이스에서 1온스에서는 면적이 12% 더 적습니다.

시간은 매우 중요합니다

온더동크 방정식의 시간은 제곱근 미만이므로 융합 전류의 크기는$1/\sqrt{t}$과 같습니다.고장 지속 시간을 두 배로 늘려도 퓨징 전류는 29% 만 떨어집니다.

다르게 말하면, 10A를 100ms 동안 유지한 트레이스는 31.6A에서 1ms 동안 퓨징됩니다.1ms가 되면 에너지가 거의 확산되지 않기 때문에 동일한 구리, 동일한 형상, 매우 다른 전류.

이것이 바로 빠르게 작동하는 퓨즈가 작동하는 이유입니다. 퓨즈는 I²T 곱이 거의 일정한 단열 체제를 이용하기 때문입니다.

PCB 설계에 미치는 영향은 고장 지속 시간을 파악하는 것입니다.게이트 드라이버 뒤의 10ms 크로우바는 파워 레일의 지속적인 단락과 완전히 다른 설계 문제입니다.

주변 온도에 따라 답이 예상보다 많이 바뀝니다.

주변 25°C에서 트레이스가 녹으려면 1058°C 상승해야 합니다.주변 온도 85°C (자동차 언더후드) 에서는 온도 상승이 5.7% 감소하여 998°C만 상승하면 되고, 이는 퓨징 전류가 약 3% 감소한다는 의미입니다.

이는 극적인 현상이 아닙니다.하지만 트레이스가 정상 부하 상태에서 주변 온도보다 60°C 높은 온도로 정상 상태로 이미 고온으로 작동하고 있는 설계에서는 결함의 유효 시작 온도가 85°C가 아니라 145°C입니다. 이제 용융 마진은 1058°C가 아닌 938°C이며 퓨즈 전류는 약 6% 떨어집니다.

이러한 스택이 쌓여 있습니다.핫 보드, 무거운 구리가 IPC 한도에 근접했으며 장애 지속 시간이 예상보다 깁니다.각각을 사용하면 몇 퍼센트 정도 줄어들기 때문에 둘이 합쳐지면 안전 마진을 잃게 됩니다.

Onderdonk에서 다루지 않는 내용

솔더 조인트. 솔더는 합금에 따라 183—227°C에서 녹습니다.트레이스가 녹기 훨씬 전에 양쪽 끝의 솔더 조인트가 열립니다.실제로 “퓨즈드” 트레이스란 일반적으로 들어 올려진 패드를 의미하며 용융된 컨덕터가 아닙니다.고장 모드가 다르며 임계값도 더 낮습니다. 박리. FR4의 유리 전이는 130~180°C입니다. Tg와 구리의 융점 사이에서는 라미네이트가 탄화되고 가스가 발생하며 탄화 수지를 통과할 가능성이 있는 긴 구간이 있습니다.흔적은 깨끗하게 녹지 않을 수 있습니다. 기판을 먼저 탄화시켜 결함이 제거된 후에도 전도성 경로가 계속 유지될 수 있습니다. 도금 비아 비아의 구리 벽은 표면 구리 무게에 관계없이 일반적으로 25µm (1mil) 입니다.0.3mm 드릴 비아의 구리 단면적은 약 25,000µm²로, 이는 1온스의 0.7mm 트레이스와 비슷합니다. 트레이스 퓨징 계산에서 트레이스가 가장 약한 링크라고 가정하지만 직렬로 더 얇은 비아가 있는 경우 비아가 먼저 퓨즈됩니다.

설계 지침

트레이스를 퓨즈처럼 설계하지 마십시오. PCB 트레이스는 불량한 퓨즈입니다. 깨끗하게 열리지 않고 아크를 일으키며 라미네이트에 불을 붙일 수 있습니다.실제 퓨즈나 전자 보호 장치를 사용하세요. 보호 기능이 작동할 때까지 흔적이 남아 있는지 확인하십시오. 유용한 계산은 다음과 같습니다. 보호 장치의 청소 시간을 고려했을 때 흔적이 남아 있나요?대답이 '아니요'인 경우 추적 범위를 넓히거나 보호 속도를 높이십시오. 의도적인 퓨즈 트레이스의 경우 (일부 안전 회로에 있음): 사다리꼴 영역을 사용하고 고온 케이스에 맞게 설계하고 전류에 2배 안전계수를 추가하십시오.실제 보드를 테스트해 보십시오. Onderdonk는 모델일 뿐 보증은 아닙니다. 퓨징 전류 계산기 는 Onderdonk에 사다리꼴 에칭 보정 기능을 적용하여 고장 지속 시간을 측정할 수 있게 해주며 업스트림 보호 장치와 비교할 수 있도록 I²T 제품을 보고합니다.