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Thermal

PCB 트레이스 온도 상승

IPC-2152 기술을 사용하여 부하 전류 하에서 PCB 구리 트레이스 온도 상승을 계산합니다.

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공식

ΔT=(I/(k×Wb))(1/c)—IPC−2152ΔT = (I / (k × W^b))^(1/c) — IPC-2152

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

ΔT— 주변 온도보다 높은 온도 상승 (°C)
I— 트레이스 전류 (A)
k— IPC-2221 상수 (외부: 0.048)
b— IPC-2221 지수 (0.44)
c— IPC-2221 횡단면 지수 (0.725)

작동 방식

PCB 트레이스 온도 계산기는 트레이스 과열로 인해 솔더 조인트 고장 및 PCB 박리가 발생하는 전력 전자 장치, 모터 드라이버 및 LED 회로에 필수적인 전류 전달 트레이스의 정상 상태 온도 상승을 계산합니다.열 엔지니어는 이를 사용하여 설계가 적절한 안전 여유와 함께 FR4의 유리 전이 온도 (Tg = 130-180C) 미만으로 유지되는지 확인합니다.

IPC-2152 (IPC-2221 구식 1950년대 데이터 대체) 에 따르면 온도 상승은 경험식을 따릅니다. 델타 = (I/(k x A^b)) ^ (1/c). 여기서 외부 트레이스의 경우 k=0.048, 내부 트레이스의 경우 0.024, A는 단면적 (단위: 밀), b=0.44, c=0.725입니다.대류 냉각이 주변 유전체에 의해 차단되기 때문에 내부 트레이스는 동일한 전류에서 외부 트레이스보다 40-50% 더 뜨겁습니다.

실제 온도 = 주변 온도+DeltaT.주변 온도 25C에서 20C 상승 설계는 45C에 달하고, 자동차 주변 온도 85°C에서는 105C에 도달합니다. 이는 솔더 리플로우 온도 (183-220C) 에 근접하여 장기적인 신뢰성을 위협합니다.IPC-9701A 기준으로 온도가 10C 증가할 때마다 열 사이클링 피로로 인해 솔더 조인트 수명이 절반으로 줄어듭니다.

ASTM B193당 구리 저항률은 0.393% /C 증가합니다.75C (기준 25C보다 높은 50C) 에서의 트레이스는 실온에서 계산한 것보다 20% 더 높은 저항을 가지므로 고전류에서 열 폭주로 이어질 수 있는 포지티브 피드백이 생성됩니다.설계 계산에서는 최악의 온도를 저항으로 사용해야 합니다.

계산 예제

문제: 주변 온도가 55°C인 4레이어 보드에서 연속으로 4A를 전달하는 1.5mm 너비 2oz 구리 (70um) 내부 트레이스를 확인합니다.최대 허용 온도는 105C입니다.

IPC-2152 기준 솔루션: 1.단면적: A = 1.5mm x 70um = 105,000um^2 = 163마일^2 2.내부 레이어 상수: k = 0.024 3.온도 상승: 델타 = (4/(0.024 x 163^0.44) ^ (1/0.725) 4.계산: 163^0.44 = 9.1, 0.024 x 9.1 = 0.218, 4/0.218 = 18.3, 18.3^1.38 = 46.5C 5.실제 온도: T = 55C + 46.5C = 101.5C 6.마진: 105C - 101.5C = 3.5C — 마진이 부족합니다!

해결책: (1) 트레이스를 2mm로 넓히거나 (상승을 35C로 감소), (2) 3oz 구리 사용 (상승을 32C로 감소) 또는 (3) 트레이스를 외부 레이어로 이동 (대류 냉각으로 인한 상승을 23C로 감소) 하십시오.

실용적인 팁

  • ✓IPC-2152 표 6-1 권장 사항에 따라 보수적 설계의 경우 10C, 소형 보드의 경우 20C, 비용 최적화된 소비자 제품의 경우 최대 30C 상승을 목표로 합니다.
  • ✓전력 트레이스 주변에 구리 주입 추가 — 열 확산은 열 시뮬레이션 연구당 효과적인 냉각 성능을 15-25% 향상시켜 동일한 전류에서 온도 상승을 줄입니다.
  • ✓자동차 (주변 온도 85C): 전력 트레이스에 2oz 구리가 포함된 외부 레이어를 사용하십시오. 동일한 온도 상승에서 내부 1oz에 비해 2배의 전류 용량을 제공합니다.

흔한 실수

  • ✗1950년대 군사 데이터를 기반으로 한 IPC-2221 차트를 사용하여 현재 용량을 20-40% 과소평가합니다.IPC-2152 (2009) 은 테스트를 통해 검증된 최신 열 모델링을 사용하며 업계 표준입니다.
  • ✗제품이 55-85C에서 작동할 때 주변 온도 25C에서 계산하면 IPC-9701A 기준으로 작동 온도가 높으면 솔더 피로가 크게 가속됩니다.계산된 온도 상승에 항상 실제 주변 환경을 추가하세요.
  • ✗내부 레이어 열 손실은 무시합니다. 열은 공기로 대류하는 대신 유전체를 통해 전도되어야 하기 때문에 내부 트레이스는 외부 트레이스보다 40-50% 더 뜨겁습니다. IPC-2152내부 전력 트레이스의 크기는 50~ 100% 더 넓습니다.

자주 묻는 질문

IPC-2152 적용 분야에 따라 다름: 소비자 가전은 일반적으로 20-30°C 상승하고, 산업용 전자제품은 10-20°C, 자동차/항공 우주는 신뢰성 요구 사항으로 인해 최대 10°C 상승합니다.중요한 제약은 솔더 조인트입니다. IPC-9701A 기준 10C 사이클링 범위마다 피로 손상이 두 배로 증가합니다.장기적인 신뢰성을 위해 총 온도 (주변 온도 + 상승) 를 105C 미만으로 유지하십시오.
IPC-2152 기준으로 전류 용량은 A^0.725로 확장되며 여기서 A는 단면적입니다.폭을 두 배로 늘리면 (동일한 두께) 용량이 2배가 아니라 2^0.725 = 1.65x (65%) 증가합니다. 트레이스가 넓을수록 냉각 표면적도 더 넓어지기 때문입니다.동일한 온도 상승의 경우: 2A에서 1mm 트레이스, 3.3A에서 2mm 트레이스, 4.5A에서 3mm 트레이스.
예 — IPC-2152 공식은 단면적을 직접 사용합니다. 1mm 너비의 1온스 구리 (35um) 는 A = 35,000um^2이고, 동일한 너비의 2온스 (70um) 는 A = 70,000um^2이므로 전류 용량이 1.65배 증가합니다.또한 구리가 두꺼울수록 열 확산이 개선되어 열 모델링당 5-10% 의 추가 용량 보너스가 제공됩니다.
IPC-2152 기준: (1) 주변 온도 — 계산된 상승에 직접 추가; (2) 인접 트레이스 — 열 커플링은 5-15C를 추가합니다. (3) 구리 타설 — 열 확산을 15-25% 향상시킵니다. (4) 솔더 마스크 — 열을 가두어 5-10C를 추가합니다. (5) 보드 소재 — FR4는 폴리이미드보다 열을 더 잘 전도합니다.이러한 요소에 대해서는 20-30% 의 여유를 포함하십시오.
IPC-2152 설계 가이드라인에 따라: (1) 초기 설계 시 — 예상 전류에 대한 트레이스 크기 조정, (2) 레이아웃 후 — 실제 트레이스 길이 및 구리 분포 확인, (3) 전류 증가 후, (4) 생산 — IR 카메라 또는 열전대를 사용하여 프로토타입의 실제 온도를 측정합니다.최악의 작동 조건에서 계산하십시오.

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