シミュレーション用の銅電流密度、クイック＆ダーティなPCB設計ルールの使用

前回の記事であるモータードライバーPCBにおけるPDNアナライザーのクイックスタートで、MattPVDが「許容される電流密度をどのように決定しますか？」という質問をしました。私はこのボードのシミュレーションを最初に作成していた時、この正確な質問に答えるために多くの時間を費やしたことを認めなければなりません。どの電流密度が許容されるのでしょうか？IPCにはそのガイドラインが文書に隠されていますが、それらの文書にアクセスするには支払いが必要であり、それはすべての人が利用できるアドバイスではありません。

私の考えでは、トレースの電流密度は主に熱制約に関係しています。これは高電流集積回路と全く同じで、最も一般的な制限要因は、熱放散とそれにかかる負荷でどれだけ熱くなるかになるでしょう。これはボードの具体的な実装に完全に依存するため、残念ながら、どの設計にも最適な硬直的なルールやガイドラインは存在しないと思います。

特定のガイドラインに焦点を当てるよりも、実用的なPCB設計ルールをどのように適用して、与えられた設計に対して合理的な銅の電流密度を見積もるかを共有したいと思います。Ansys IcePakのような熱シミュレーションツールは正確な洞察を提供できますが、PDN Analyzerのようなツールを使用することは、実際のテストやより高価なシミュレーションツールにコミットする前に、設計が正しい方向に進んでいるかを効果的に判断する方法を提供します。このアプローチは、特にパフォーマンスの限界を押し広げているときに、設計の方向性を検証するのに役立ちます。

電流密度が重要な理由は?

電流密度計算機は、銅トレースで発生する熱を決定するのに役立ちます。銅の面積が小さいと、抵抗が高くなり、電流が増加すると電圧降下と熱が増加します。電流密度を適切に計算することは、PCB設計で熱を管理し、信頼性の高い性能を確保するために不可欠です。

トレースが過熱すると、次のようなことが起こる可能性があります:

• 基板の剥離（基板の失敗を引き起こす）
• 基板からの剥離（外れる）
• 同じ銅導体上の近くの部品の熱シャットダウンを引き起こす
• トレースの溶解/破損
• 基板上のコンポーネントの寿命を大幅に短縮する

これらはどれも望ましい結果ではありませんので、ボード上の電流密度が健全な範囲内になるようにしたいと思います。

銅の最大電流密度をどのように決定できるか？

電流密度を決定する方法はこれ以外にもあるかもしれません。しかし、設計の妥当性を確認しているだけであれば、これで十分な値を得ることができるはずです。

PCBの銅を通す必要がある電流の量、最大の周囲温度、トレースが到達可能な最大温度を知っていれば、IPC-2221の公式を使用して適切なトレース幅を計算することができます。ああ、とあなたは言うかもしれません、「これをする全てのポイントは、IPCの文献にアクセスできないからではないのか？」と。幸いなことに、多くのオンライントレース幅計算機がこれらの公式を持っています！

私はAdvanced Circuitsのウェブサイト上の計算機を使用していますが、私はアメリカ、リベリア、ミャンマーには居住していないので、これらの計算にはメートル法を使用します。どちらの単位を使用しても構いません。

この例では、PCBの外層で30Aを流す必要があるとします。この外層の制約は2つの理由で重要です：

1. 多くのPCBメーカーは、内部層に薄い銅の電流密度を使用しています。
2. 内部層はPCBによって絶縁されているため、外部層ほど効果的に冷却されません。

このボードをPDN Analyzerでシミュレートしたいのですが、ソフトウェアが提供する電流チェックを使用するには、まず電流密度を知る必要があります。私のボードは最大45°Cのサービス温度で使用されると予想しています。使用している場合はエンクロージャーの内部がどれだけ熱くなるか、また、ボードが使用される可能性のある各国の気候も考慮する必要があります。私は最大温度をボードのガラス転移温度（Tg）である130°C以下に保ちたいと考えています。ガラス転移温度は、ボードが柔らかくなり始め、剥離したり故障したりする可能性がはるかに高くなる点です。また、標準の35μm厚の銅電流密度を使用する予定ですが、ボードが必要とする場合、ほとんどのベンダーからより重い/厚い銅電流密度と高いTgボードを標準オプションとして入手できます。

この一連の入力を使用して、使用可能な最小のトレース幅を計算しようと思います。このトレース幅を使用すると、PCBのサービス寿命が短くなり、製品がサービス中に興味深く創造的な方法で故障する原因となるでしょう。

次に、この最小トレース幅を使用して、基板上で望む電流密度の絶対上限を計算できます。単純にトレース幅に基板の厚さを掛けます。この記事はクイックアンドダーティなPCB設計ルールについてなので、単位変換に悩まされることなく計算を行うためにGoogle Calculatorを使用することにします。

Googleで（8.93mm*35um）をmm2で検索してください。

これで、基板をガラス転移温度まで加熱したい場合に35Aを導くために必要な銅の面積が0.31255mm2であることがわかりました。しかし、PDN Analyzerに必要なのは、amps/mm2での電流密度です。したがって、単純に仮定した電流を計算した面積で割ります—つまり35/0.31255—これで111.98A/mm2を得ます。

もちろん、これが私たちの絶対的な限界であり、この限界を使用する設計は無謀だと言えます。ここで計算する現在の限界を超える設計がある場合、少し見直しが必要かもしれません。

どのようにして合理的な電流密度を決定できるのでしょうか？

製品を長持ちさせたい場合、銅の合理的な電流密度を決定する必要があります。この電流密度を超えるエリアがあっても、特にそれが低い電流密度のエリアに囲まれている場合は問題ないでしょう。銅は電流だけでなく熱も非常によく伝導することを覚えておいてください。そのため、高い電流密度の小さなセクションは熱くなるかもしれませんが、隣接する銅のプールにその熱を伝導することもできます。たとえば、ICに入るトレースの狭まりが、ここで計算するよりも高い電流密度を持っていても、トレースの残りの部分が合理的であれば私は満足です。

以前にトレース幅を計算するために使用した同じ方法を使って、最大温度上昇をもう少し理にかなったものに変更するだけで、私たちが望む銅の電流密度を計算することができます。私は全てのトレースを65°C以下に保つことを試みますが、これは良い温度のようで、接続されたICが過度に熱くなるのを防ぐはずです。45°Cの周囲温度では、私たちが元々計算した85°Cではなく、許容温度上昇は20°Cしか残っていません！

それははるかに多くの銅を意味します！総面積は現在0.7525 mm2で、シミュレーション目的で使用するためにはるかに理にかなった46.5A/mm2を提供してくれます。

シミュレーションに関する少しのアドバイス

これらの数字は、特定のプロジェクトのニーズに応じて変動するでしょう。私の数字をそのまま使用しないでください。それらはあなたの特定の設計には適していないかもしれません。

ほとんどの人間は、55°Cの物体に触れると熱すぎると感じます！彼らにとっては、その温度で肌を触れ続けるのは快適ではありません。もしあなたがはんだ付けを頻繁に行うなら、何かが熱すぎると感じる閾値はおそらくずっと高いでしょう。これを言及する価値があるのは、設計している導電エリアが人の触れる部分に露出している製品の場合、使用者が製品から火傷を負ったと不平を言わないように、トレースの温度を55°C以下に保つことを検討したいかもしれないからです。

もしボードの大きなエリアが、かろうじて電流密度をクリアしている場合、おそらく過熱するでしょう。ボードの熱いエリアと冷たいエリアの適切なバランスについて判断する必要があります。もし25°Cの周囲温度で、負荷時に60°Cになるトレースで30%のエリアが覆われているボードをシミュレートすると、その負荷でボード自体の温度はおそらく全体として50°Cに近くなるでしょう—したがって、周囲の温度について再考する必要があるかもしれません。

銅エリアに接続された電解コンデンサを使用している場合、そのエリアの温度が高くなることが予想されるため、データシートで最大使用温度や温度による寿命の減少を確認することをお勧めします。室温であれば数年持つ安価なアルミニウム電解コンデンサも、85°Cではわずか500時間しか持たない可能性があります。それは1か月未満ですし、お客様やユーザーはそれより長く製品が持つことを期待しているでしょう。

シミュレーションで限界を押し広げていると感じる場合は、Ansys IcePakでの設計のより広範な評価を行うか、広範囲にわたる実世界でのテストを実施するべきです。サーマルカメラと黒いスプレーペイントの缶はIcePakより安価ですが、実世界のテストでは、高価な環境チャンバーなしにさまざまな条件をシミュレートするのが難しいかもしれません。金属は熱波長を反射するため、正確な読み取りを得るには、テスト前に基板全体を黒いスプレーペイントで塗装してからサーマルカメラでテストしてください。

結論

私の許容電流密度の計算方法は、いくつかの汚れたPCB設計ルールに分類されるかもしれませんが、設計が正しい方向に進んでいるかどうかのアイデアを与えるはずです。高電流/温度のトレースの熱的影響は、回路基板全体に広範囲に及ぶ可能性があり、考慮すべきです。この事実のため、すべてのPCBに対して下回るべき黄金の標準電流密度を探すことはお勧めしません。 

高出力のボードを設計している場合、許容される電流密度は、マイクロコントローラーやロジックデバイスに電力を供給する配電網のそれよりもはるかに大きくなる可能性があります。

デバイスの特定のレイアウト、動作環境、およびエンクロージャーのオプションは、設計にとって許容される電流密度に大きく影響します。このガイドが、許容限界を決定するのに役立ち、PDN Analyzerのようなツールを使用して、プロトタイピングする前に設計をサニティチェックできることを願っています。