PCB 트레이스가 생각보다 뜨거운 이유

무언가가 녹기 전까지는 아무도 이야기하지 않는 문제

대부분의 엔지니어는 PCB 트레이스의 전류 용량을 측정하고 완료라고 부릅니다.트레이스는 3A를 처리할 수 있고 2.5A를 실행할 수 있습니다. 모든 것이 정상입니다.그렇지 않다는 점만 빼면 2.5A가 트레이스를 주변 온도보다 40°C까지 가열하기 때문에 근처에 있는 온도에 민감한 아날로그 회로가 사양을 벗어나고 있기 때문입니다.설상가상으로 솔더 조인트가 예상했던 60°C 대신 85°C에 머물러 있기 때문에 솔더 조인트의 성능이 서서히 저하되고 있습니다.

추적 온도 상승은 실제로 수치를 계산해 보기 전까지는 간단해 보이는 현상 중 하나입니다.전류, 트레이스 지오메트리, 온도 간의 관계는 비선형적이고, 열 환경은 매우 중요하며, 모든 사람들이 인용하는 IPC 표준에는 항상 명확하지 않은 한계가 있습니다.

계산기가 실제로 하는 일

PCB 트레이스 온도 상승 계산기는 전류, 너비, 구리 무게, 주변 온도, 트레이스 길이 등의 트레이스 파라미터를 가져와 트레이스가 얼마나 뜨거워지는지, 소비되는 전력의 양, 트레이스 저항의 모양 등 열적 그림을 제공합니다.

출력에는 다음이 포함됩니다.

• 온도 상승 (IPC-2221): IPC-2221 외층 차트로 본 트레이스의 주변 대비 온도 상승
• 온도 상승 (IPC-2152 그림 5-1): 어느 층에나 쓰는 IPC-2152의 보수적인 차트로 본 같은 값으로, 첫 번째의 4.83배
• 최대 트레이스 온도: 실제 동작 온도(주변 + 상승), 각 상승에 대해
• 트레이스 저항: 20°C에서 트레이스의 직류 저항
• 소비 전력: 모든 것을 가열하는 I²R 손실
• ΔT=10°C에서의 전류 용량: IPC-2221 차트에서 10°C 상승을 주는 전류를 보여 주는 점검 값

마지막 항목은 빠른 비교에 유용합니다.4A를 실행하고 있는데 계산기에 ΔT=10°C 용량이 2.1A라고 나와 있다면 트레이스를 열심히 하고 있는 것입니다.

물리학 (간단히)

트레이스 가열은 저항 손실로 인해 발생합니다.트레이스의 유한 저항에 흐르는 전류는 전력을 소산시킵니다.

트레이스 저항은 형상과 온도에 따라 달라집니다.직사각형 트레이스의 경우:

여기서 $\rho$ 은 구리 저항률 (20°C에서의 약 $1.7 \times 10^{-8}$ Ω·m ), $L$ 은 길이, $W$ 은 너비, $t$ 은 두께입니다.

구리의 무게는 두께로 환산됩니다. 1온스 구리는 약 35 μm (1.4밀), 2온스는 70 μm, , ½온스는 17.5 μm. 입니다. 이는 공칭 값입니다. 어떤 보드에서든 팹 하우스는 ± 10% 일 수 있습니다.

흥미로운 점은 다음과 같습니다.구리 저항률은 °C당 약 0.39% 의 온도에 따라 증가합니다. 따라서 실온보다 50°C 더 높은 트레이스의 저항은 실온 값에서 계산하는 것보다 약 20% 더 높습니다.이로 인해 피드백 루프가 생성됩니다. 저항이 높을수록 전력 손실이 커지며, 이는 온도가 높아져 저항이 높아진다는 의미입니다.시스템은 평형을 찾아내지만, 순진한 계산으로는 얻을 수 있는 온도에 도달하지 못합니다.

실제 실제 사례

모터 드라이버 보드를 설계한다고 가정해 봅시다.모터는 연속 3A를 소비하며 커넥터에서 H-브리지까지 이어지는 12인치 (305mm) 트레이스가 있습니다.보드는 1온스 구리를 사용하며 트레이스 너비에 50밀 (1.27mm) 을 할당했습니다.인클로저의 주변 온도는 45°C입니다.

먼저 단면적을 추적하십시오.

• 너비: 1.27 밀리미터
• 두께: 35 μm (1온스 구리)
• 면적: $1.27 \times 0.035 = 0.0445$ mm² = $4.45 \times 10^{-8}$ m²

20°C에서의 트레이스 저항:

전력 손실 (첫 번째 근사치):

좁은 구리 띠에 1와트 이상 소산된 셈이죠.온도 상승은 열이 얼마나 잘 빠져나갈 수 있는지에 따라 달라집니다. 트레이스가 내부 층 (불량), 솔더 마스크가 있는 외부 층 (양호), 공기 흐름이 있는 외부 층 (양호) 에 있든 상관 없습니다.

1oz 구리의 50 mil 트레이스에 3A를 흘리면 계산기는 차트에 따른 두 가지 상승을 보여 줍니다. IPC-2221 외층 차트로 11.3°C, 어느 층에나 쓰는 보수적인 차트인 IPC-2152 그림 5-1로 54.6°C입니다. 두 번째는 차트가 그리는 45°C 곡선을 넘으므로 계산기가 외삽으로 표시합니다. 트레이스 아래에 구리 플레인이 없으면 두 번째로 설계하므로 트레이스 온도는 다음과 같습니다.

이제 저항을 온도에 맞게 보정해야 합니다.

실제 전력 소비:

처음 추정보다 30% 많은 전력입니다. 실제로는 열 곡선이 이미 그 일부를 반영하지만, 요점은 그대로입니다. 온도에 따른 저항 변화는 중요합니다.

PCB 트레이스 온도 상승 계산기를 열고 이 값들을 입력해 보십시오. 두 가지 상승, 두 번째에 대한 표시, 20°C에서의 저항이 나오며, 레이아웃을 다시 생각해야 할지 알 수 있습니다.

트레이스를 더 넓게 만들면 어떨까요?

트레이스를 100 mil로 두 배 넓히면 저항이 절반이 되고 열 성능이 크게 좋아집니다(열을 퍼뜨리고 방사할 구리 면적이 늘어남). 상승은 그림 5-1로 17.4°C(IPC-2221 차트로 3.6°C)로 떨어져, 트레이스는 99.6°C가 아니라 62.4°C가 됩니다. 훨씬 여유 있는 마진입니다.

또는 원래 50 mil 폭에서 2oz 구리로 바꾸면 단면적이 같으므로 상승도 같아, 그림 5-1로 17.4°C입니다. 어느 쪽을 택할지는 스택업 제약과 비용 허용 범위에 달려 있습니다.

IPC 표준: 그들이 하는 일과 말하지 않는 것

IPC-2152는 모두가 수십 년 동안 써 온 옛 IPC-2221 차트를 대체했습니다. 옛 차트는 1950년대 데이터에 기반했습니다. 단면 기판이었고, 솔더 마스크도, 근처의 구리 플레인도 없었습니다. 현대식 다층 기판에 대해서는 보수적인 경우도 있었고 위험할 정도로 낙관적인 경우도 있었습니다. IPC-2152는 그중 하나인 IPC-2221 내층 차트를 그림 5-1로 남겼습니다. 어느 층에나 쓰는 보수적인 차트이며, 계산기의 두 번째 상승은 이 차트를 읽습니다.

IPC-2152 제품은 최신 PCB의 실제 열 테스트를 기반으로 하는데, 이는 좋은 결과입니다.하지만 이 표준은 여전히 다음과 같은 가정을 내포하고 있습니다.

• 정지 공기 (강제 대류 없음)
• 격리된 상태로 추적 (근처에 열원 없음)
• 정상 상태 상태 (펄스 전류 없음)
• 특정 보드 구조

실제 기판에는 트레이스 8 mil 아래에 히트 스프레더 역할을 하는 그라운드 플레인이 있을 수 있고(IPC-2152 상세 방법이 이를 반영하며, 계산기의 '이 기판 기준 상승'도 IPC-2152가 아닌 rftools 자체 열 모델로 반영합니다), 다른 전원 트레이스 세 개가 나란히 지나가며 열을 더할 수도 있습니다. 계산기는 합리적인 기준을 주지만, 엔지니어링 판단이 필요합니다.

흔히 저지르는 실수와 문제점

전류 경로의 비아 무시

단일 비아는 넓은 트레이스에 비해 저항이 큽니다.1온스 구리로 만든 12mil 비아는 저항이 0.5-1 mΩ 정도일 수 있습니다. 단독으로는 그리 많지 않지만 3A가 흐르면 비아당 4.5-9mW가 됩니다.10개의 비아를 직렬로 연결하면 (잘못 계획된 레이아웃에서 발생할 수 있음) 트레이스 계산에 나타나지 않는 현지화된 핫스팟이 생깁니다.

써멀 커플링에 대해 잊어버리기

3인치 동안 평행하게 실행되는 두 개의 2A 트레이스는 각각 분리된 단일 2A 트레이스보다 더 뜨겁습니다.한 트레이스의 열이 다른 트레이스의 주변 환경을 높입니다.인접 트레이스와 구성 요소 때문에 계산된 온도 상승은 25°C이지만 실제 온도 상승은 40°C인 보드를 본 적이 있습니다.

공칭 구리 중량 사용

에칭 후 “1온스” 구리는 0.9온스일 수 있습니다. 특히 에칭 인자가 측벽까지 침투하는 미세 피치 트레이스의 경우 더욱 그렇습니다.임계 전류 경로의 경우 구리가 공칭 구리보다 10~ 15% 적다고 가정해 보십시오.

내층이 훨씬 뜨거워진다고 가정하기

IPC-2221은 그렇게 가정합니다. 내층 차트는 외층 차트의 절반 전류만 허용합니다. 하지만 IPC-2152 측정에서 정지 공기 중 내층 트레이스의 온도는 외층과 거의 비슷했습니다. 그래서 그림 5-1은 둘 다에 적용되고, 계산기의 IPC-2152 상승은 어느 층에서나 같습니다. 더 시원하게 동작하는 트레이스는 바로 아래에 구리 플레인이 있는 트레이스입니다.

일시적 동작 무시

정상 상태의 온도 상승은 연속 전류를 가정합니다.부하가 펄스되는 경우 (예: 초당 100ms 동안 5A) 트레이스가 정상 상태 온도에 도달하지 못합니다.낮은 온도와 높은 온도 사이를 오갈 수 있습니다.이는 솔더 조인트의 열 피로로 인해 실제로는 정상 가열보다 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.하지만 관련된 열 시간 상수를 이해한다면 정상 상태 계산에서 제시하는 것보다 더 좁은 트레이스를 사용할 수도 있다는 의미이기도 합니다.

솔더 마스크에 대한 신화

일부 엔지니어는 솔더 마스크가 트레이스를 차단하여 더 뜨거워지게 만든다고 생각합니다.실제로 솔더 마스크는 열에 미치는 영향이 미미합니다. 얇고 전도체가 좋지는 않지만 열을 많이 가두지는 못합니다.더 중요한 것은 대류 냉각을 위해 구리를 노출했는지 아니면 전도성 확산을 위해 그 아래에 접지면을 노출했는지입니다.

걱정해야 할 때와 하지 말아야 할 때

파워 트레이스의 온도가 10°C 상승해도 괜찮습니다. 20°C는 주의를 기울일 가치가 있습니다. 40°C 이상이면 다시 설계하거나 열 관리 기능을 추가해야 합니다.

하지만 컨텍스트가 중요합니다.30°C 상승으로 트레이스를 55°C (주변 25°C) 로 올려도 괜찮을 것입니다.주변 인클로저에서 70°C 인클로저에서도 동일하게 30°C 상승하면 100°C에 도달하게 되는데, 이는 솔더 리플로우 온도에 가까워지고 구리의 일렉트로마이그레이션이 가속화됩니다.

근처에 무엇이 있는지 생각해 보는 것도 좋습니다.정밀 전압 레퍼런스 옆에 핫 트레이스가 있으면 트레이스 자체가 사양 내에 있더라도 문제가 됩니다.전원 섹션 중간에 다른 전원 부품으로 둘러싸인 핫 트레이스가 있나요?아마 괜찮을 것 같아요.

간단한 사용 법칙

1oz 구리와 10°C 상승에서 IPC-2152 그림 5-1(모든 층, 트레이스 아래 플레인 없음)과 IPC-2221 외층 차트는 다음 너비를 줍니다.

• 1A: 31 mil (IPC-2221 외층: 12 mil)
• 3A: 140 mil (54 mil)
• 5A: 283 mil (109 mil)
• 10A: 737 mil (283 mil), 그림 5-1이 그리는 700 mil²를 넘으므로 폴리곤 푸어를 쓰는 편이 좋습니다

내층에서는 IPC-2221도 그림 5-1과 같은 너비를 요구합니다. 2oz 구리를 쓰면 너비를 절반으로 줄이십시오. 중요한 것은 항상 실제 계산으로 확인하십시오.

시도해 보세요

회로도를 확인하고 최고 전류 트레이스를 찾은 다음 PCB 트레이스 온도 상승 계산기 열기.실제 트레이스 너비, 실제 구리 무게, 실제 주변 온도 등의 실제 수치를 입력하세요.기온 상승이 놀라더라도, 여러분은 혼자가 아닙니다.대부분의 엔지니어는 열상 카메라가 장착된 실제 보드에서 트레이스 가열을 측정하기 전까지는 트레이스 히팅을 과소평가합니다.

생산 과정에서보다 계산기로 확인하는 것이 더 좋습니다.