PCB 트레이스 너비: IPC-2221 대 IPC-2152

IPC-2221 vs IPC-2152: 어떤 것을 사용해야 할까요?

따라서 트레이스의 크기를 조정하면서 어떤 표준을 따라야 할지 고민하고 계실 텐데요.요점은 다음과 같습니다. IPC-2221은 1998년에 나왔지만 실제로는 1954년의 측정치를 기반으로 합니다.네, 1954년이에요.공식은 단순하고 보수적입니다.

k 계수는 외부 트레이스 (상단 또는 하단 레이어의 공기에 노출된 트레이스) 의 경우 0.048이고 스택업에 묻혀 있는 내부 트레이스의 경우 0.024입니다.ΔT는 온도 상승 (°C) 이고 A는 단면적 (단위: mil²) 입니다.효과가 있긴 하지만 현대 기준으로는 지나치게 조심스러운 편입니다.

IPC-2152는 2009년에 등장하여 판도를 바꾸었습니다.그들은 실제로 아이젠하워 시대의 데이터에 의존하는 대신 최신 PCB 재료와 레이어 스택업을 사용하여 새로운 실험을 진행했습니다.결과는 어땠을까요?동일한 전류에 더 좁은 트레이스를 사용하거나 동일한 트레이스 너비로 더 많은 전류를 공급할 수 있습니다.10°C 상승의 10A 외부 트레이스와 같은 경우 IPC-2152 제품을 사용하면 IPC-2221 요구 사항보다 약 30~ 40% 더 좁은 트레이스를 얻을 수 있습니다.이것이 바로 여러분이 되찾을 수 있는 실제 보드 공간입니다. 새로운 디자인의 경우 IPC-2152를 사용하십시오. 피리어드.IPC-2221 문제를 다루어야 하는 유일한 이유는 요구 사항에 이름을 구체적으로 명시한 고객 또는 인증 기관과 거래하는 경우입니다.그렇지 않으면 구리와 판재 공간을 낭비하는 셈이 됩니다.

기온 상승 예산

흔적은 진공 상태에서는 존재하지 않습니다 (우주 하드웨어를 사용하지 않는 한 말이죠).실제 도달하는 온도는 주변 온도에 전류로 인한 상승을 더한 값입니다.

우리 대부분이 사용하는 FR4는 등급에 따라 유리 전이 온도 (Tg) 가 130°C에서 170°C 사이입니다.Tg에 가까워지고 싶지는 않을 겁니다. 보드가 부드러워지기 시작하고 기계적으로 이상한 일들이 벌어지기 때문이죠.온도보다 20°C 이상 낮은 곳에 머무르세요. 가능하면 더 많이 떨어지세요.

여기가 까다로워지는 부분입니다.다른 열 발생 물질과 함께 인클로저 내부로 들어가는 무언가를 설계한다고 가정해 봅시다.주변 온도는 보통 생각하던 25°C가 아니라 70°C일 수 있습니다.보드의 Tg가 130°C이고 이 20°C의 안전 한계를 유지할 경우 최대 트레이스 온도는 약 110°C이므로 작업할 수 있는 온도 상승 예산은 40°C에 불과합니다.헤드룸이 많지 않습니다.

대부분의 엔지니어는 응용 분야에 따라 다음과 같은 목표를 목표로 합니다.

• 가전제품: 10°C 상승 — 만졌을 때 시원하게 유지되고 신뢰성이 극대화됩니다.
• 산업용 장비: 20~30°C 상승 - 여전히 적정 수준, 부품은 이에 상응하는 등급
• 파워 일렉트로닉스: 30~40°C 상승 — 압력을 가해야 하지만 때로는 1mm의 보드 공간이 필요할 때도 있습니다.

이것은 어려운 규칙이 아니라 실제로 효과가 있는 경향이 있는 규칙일 뿐입니다.짧은 트레이스 구간에서 50°C 상승을 수용하는 전원 공급 장치 설계를 본 적이 있습니다. 열 질량이 낮고 열 질량은 중요하지 않기 때문입니다.컨텍스트가 전부입니다.

외부 레이어와 내부 레이어

사람들이 종종 놀라곤 하는 부분이죠.내부 트레이스 (스택업의 레이어 사이에 끼어 있는 트레이스) 는 동일한 전류를 전달하는 외부 트레이스보다 훨씬 더 뜨겁습니다.그 이유는 무엇일까요?열 방출.

외부 트레이스는 열을 공기 중으로 (또는 무언가가 녹는 이유를 디버깅할 때 열상 카메라로) 직접 투하할 수 있습니다.내부 트레이스는 FR4로 둘러싸여 있는데, 이는 끔찍한 열 전도체입니다.FR4의 경우 약 0.3W/m·k인 반면 구리의 경우 약 150W/m·k입니다.열이 빠져나가려면 여러 층의 유리 섬유와 에폭시를 통과해야 하는데, 그럴 때 마지 못할 지경입니다.

IPC-2221 공식은 내부는 0.024, 외부는 0.048이라는 k 계수를 사용하여 이러한 현상을 포착합니다.이는 2배의 차이입니다.실제로 내부 트레이스는 동일한 온도 상승에서 동일한 전류를 전달하기 위해 약 2배의 단면적이 필요합니다. 20mil 외부 트레이스를 계산한 경우 내부적으로 라우팅해야 하는 경우 40mil (또는 그 이상) 로 계획하십시오.

대부분의 엔지니어는 가능하면 외부 레이어에 고전류 경로를 유지하려고 합니다.반드시 내부 레이어에 전원을 공급해야 하는 경우에는 너비를 넉넉하게 잡아야 합니다.저는 이미 내부 보드와 외부 보드가 동일하다고 생각하는 보드만 충분히 디버깅해 봤지만 실제로는 그렇지 않습니다. 전원을 켜면 바로 알 수 있을 거예요.

구리 무게 및 횡단면

구리 무게는 계산을 시작하기 전까지는 간단해 보이는 사양 중 하나입니다.업계에서는 평방피트당 온스를 사용하는데, 이는 놀라울 정도로 직관적이지 않습니다.트레이스 치수에 실제로 미치는 영향은 다음과 같습니다.

표준 PCB 팹 하우스는 기본적으로 1온스의 구리를 사용합니다.저렴하고 잘 알려져 있으며 대부분의 제품에 사용할 수 있습니다.하지만 표를 보세요. 1온스에서 2온스로 올리면 동일한 트레이스 폭에서 단면적이 두 배로 늘어납니다.즉, 궤적을 넓히지 않고도 (대략) 두 배의 전류를 운반할 수 있습니다.또는 동일한 전류 용량으로 트레이스 너비를 절반으로 줄일 수 있습니다.

전원 공급 장치 및 모터 컨트롤러의 경우 보통 2온스 구리 사양을 사용합니다.대규모 생산 작업을 하지 않는 한 비용 상승은 미미하며 라우팅의 유연성이 훨씬 뛰어납니다.최소 트레이스 너비와 간격에 주의하세요. 구리가 두꺼울수록 깔끔하게 에칭하기가 더 어려우므로 팹 하우스에서는 2온스 구리로 4mm 트레이스를 제작하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

저항 및 전압 강하

사람들을 괴롭히는 요소가 있습니다. 흔적이 온도에 문제가 있더라도 여전히 문제가 있을 수 있습니다.전압 강하는 실제 현상이며, 이는 저항에 비례합니다.

구리 저항ρ 는 20°C에서 1.72×10ω·m이며, 온도에 따라 증가합니다. 즉, 계수 α는 °C당 0.00393입니다. 괄호 안의 이 항은 트레이스가 가열될 때 저항이 올라가는 것을 설명합니다.

실제 예를 살펴보겠습니다.표준 1온스 구리를 사용하여 길이 100mm, 너비 1mm의 트레이스를 얻을 수 있습니다.그 사이로 3A를 밀어 넣는 거잖아요.단면적은 1 밀리미터 × 0.035 밀리미터 = 3.5×10m²입니다.숫자를 입력하세요:

• 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

트레이스 전체에서 0.15V를 떨어뜨린 셈입니다.3.3V 레일을 사용하는 경우 부하가 시작되기도 전에 전압 예산의 4.5% 를 잃게 됩니다.5V 레일의 경우 더 견딜 수 있지만 정밀하거나 저전압의 경우에는 문제가 됩니다.

전력 손실은 0.44W로 별것 아닌 것 같지만 좁은 면적에 퍼져 있습니다.이것이 바로 앞서 계산한 온도 상승의 원인입니다.긴 고전류 트레이스는 더 넓어야 합니다. 그렇지 않으면 2온스 구리로 전환해야 합니다.때로는 둘 다일 수도 있습니다.

실용 팁

자, 이론은 그만.보드를 배치할 때 실제로 효과가 있는 것은 다음과 같습니다.

라우팅 트레이스 대신 파워 레일에 구리를 부으세요. 진지하게 말이에요.10mm 너비의 구리 타올 (1oz) 은 5°C 미만의 상승에서도 20A 이상을 쉽게 처리할 수 있습니다.저항과 인덕턴스가 낮기 때문에 모든 세그먼트의 너비 계산에 대해 걱정할 필요가 없습니다.영역을 가득 채워 넣으면 끝입니다.폴리곤을 부어 더 적은 노력으로 더 나은 성능을 낼 수 있을 때 100mil 파워 트레이스를 라우팅하는 사람들을 볼 수 있습니다. 뜨거운 트레이스 아래에서 열 비아를 사용하여 열을 분산시키십시오. 외부 레이어에 고전류 트레이스가 있는 경우 그 아래에 비아를 여러 개 떨어뜨려 내부 구리 레이어로 열을 끌어당겨 바깥으로 퍼뜨리세요.트레이스를 따라 0.5~1mm 간격으로 간격을 두세요.10mm 또는 12mil 비아를 사용하십시오. 크기가 클수록 열 전달에 더 좋습니다.트레이스가 길거나 열 한계에 가까운 라우팅인 경우 특히 중요합니다.내부 구리 평면은 방열판 역할을 합니다. 첫 프로토타입에서 IR 카메라로 모든 것을 검증하십시오. 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.이 모든 계산은 균일한 전류 분배, 인접한 열원 없음, 특정한 공기 흐름, 완벽한 구리 도금 두께 등 이상적인 조건을 전제로 합니다.실제 보드는 더 지저분합니다.근처에 방열판 역할을 하는 접지면이 있기 때문에 트레이스가 더 차갑게 느껴질 수도 있고, 2W를 덤핑하는 선형 레귤레이터 옆에 있기 때문에 더 뜨거울 수도 있습니다.IR 카메라가 진실을 말해줍니다.Flir는 대부분의 작업에 사용할 수 있는 휴대폰 어태치먼트를 만듭니다. 제 어태치먼트에서 문제가 너무 많아서 첫 번째 프로젝트에서 그 값을 톡톡히 해냈습니다.

한 가지 더 말씀드리자면, 모터 드라이브, 전원 공급 장치, 배터리 충전 등 전류가 심한 작업을 하는 경우에는 팹 하우스에 의뢰하여 처음 가동할 때 횡단면 분석을 하는 것을 고려해 보세요.이들은 보드를 절단하여 실제 구리 두께와 트레이스 형상을 측정합니다.도금 두께는 다양하며, 1온스의 구리는 그날 도금 수조가 어떻게 작동했는지에 따라 실제로는 0.9온스 또는 1.1온스일 수 있습니다.중요한 설계의 경우 실제 치수를 아는 것이 중요합니다.

당사의 PCB 트레이스 폭 계산기 를 사용하여 트레이스 치수를 계산하십시오. IPC-2221 및 IPC-2152 결과를 나란히 표시하므로 차이를 확인하고 정보에 입각한 선택을 할 수 있습니다.전류, 온도 상승, 구리 중량을 모두 더하면 필요한 트레이스 폭을 얻을 수 있습니다.손으로 계산하는 것보다 훨씬 빠르며 다양한 시나리오를 시도하여 레이아웃에 가장 적합한 것이 무엇인지 쉽게 확인할 수 있습니다.