구리 전류 밀도 시뮬레이션을 위한 빠르고 간단한 PCB 설계 규칙 사용

제 이전 기사에서, 모터 드라이버 PCB에서 PDN 분석기 빠른 시작, MattPVD가 "수용 가능한 전류 밀도를 어떻게 결정하나요?"라는 질문을 했습니다. 보드에 대한 시뮬레이션을 처음 만들 때 이 질문에 대한 답을 찾기 위해 많은 시간을 보냈다는 것을 인정해야 합니다. 어떤 전류 밀도가 수용 가능한가요? IPC에는 그들의 문서에 가이드라인이 숨겨져 있지만, 그 문서에 접근하려면 비용을 지불해야 하므로 모든 사람이 이용할 수 있는 조언이 아닙니다.

제 생각에, 트레이스의 전류 밀도는 대부분 열 제약으로 귀결됩니다. 이것은 고전류 집적 회로에서와 정확히 같습니다; 제한 요소는 대부분 열 발산과 그것에 가해지는 부하로 인해 얼마나 뜨거워질지에 관한 것입니다. 이것은 보드의 특정 구현에 완전히 의존적이므로, 불행하게도 어떤 설계에도 최적일 법한 확고한 규칙이나 가이드라인이 있다고 생각하지 않습니다.

구체적인 지침에 초점을 맞추기보다, 주어진 설계에 대해 합리적인 구리 전류 밀도를 추정하기 위해 실용적인 PCB 설계 규칙을 어떻게 적용하는지 공유하고 싶습니다. Ansys IcePak과 같은 열 시뮬레이션 도구가 정확한 통찰을 제공할 수 있지만, PDN Analyzer와 같은 도구를 사용하는 것은 실제 테스트나 더 비싼 시뮬레이션 도구에 약속하기 전에 설계가 올바른 방향으로 가고 있는지 가늠하는 효과적인 방법을 제공합니다. 이 접근법은 성능 한계를 뛰어넘으려 할 때 특히 설계 방향을 검증하는 데 도움이 됩니다.

전류 밀도가 중요한 이유는 무엇인가요?

전류 밀도 계산기는 구리 트레이스에서 발생하는 열을 결정하는 데 도움이 됩니다. 구리 면적이 작을수록 저항이 높아져 전류가 증가함에 따라 전압 강하와 열이 증가합니다. 전류 밀도를 올바르게 계산하는 것은 PCB 설계에서 열을 관리하고 신뢰할 수 있는 성능을 보장하는 데 필수적입니다.

트레이스가 너무 뜨거워지면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 기판이 탈착될 수 있습니다(기판이 실패할 수 있음)
• 기판에서 탈착될 수 있습니다(떨어질 수 있음)
• 동일한 구리 도체에 있는 인근 부품의 열 차단을 유발할 수 있습니다
• 트레이스가 녹거나 부러질 수 있습니다
• 기판에 있는 구성 요소의 수명을 크게 줄일 수 있습니다

이러한 결과는 모두 바람직하지 않으므로, 우리의 보드에서 전류 밀도가 합리적인 범위 내에 있도록 하고 싶습니다.

구리의 최대 전류 밀도를 어떻게 결정할 수 있을까요?

이보다 더 좋은 방법이 있을 수 있습니다. 하지만, 단지 설계의 타당성을 확인하는 것이라면, 이 방법으로 충분히 좋은 값을 얻을 수 있어야 합니다.

PCB의 구리를 통해 전달해야 하는 전류량, 최대 주변 서비스 온도가 얼마일 것 같은지, 그리고 트레이스가 도달할 수 있는 최대 온도를 알고 있다면, IPC-2221의 공식을 사용하여 적절한 트레이스 폭을 계산할 수 있습니다. 아, 당신이 말하겠지요, "이 모든 것이 IPC 문헌에 접근할 수 없기 때문에 하는 것이 아닌가요?" 다행히도, 많은 온라인 트레이스 폭 계산기가 이러한 공식을 가지고 있습니다!

저는 Advanced Circuits 웹사이트의 계산기를 사용하고 있으며, 저는 미국, 라이베리아, 미얀마에 위치해 있지 않기 때문에, 이 계산에는 미터법을 사용할 것입니다. 여러분은 여러분이 가장 행복하게 느끼는 단위를 사용하면 됩니다.

이 예시에서, 저는 PCB의 외부 레이어에서 30A를 운영해야 한다고 말할 것입니다. 이 외부 레이어 제약은 2가지 이유로 중요합니다:

1. 많은 PCB 제조업체들이 내부 층에서 더 얇은 구리 전류 밀도를 사용합니다.
2. 내부 층은 PCB에 의해 절연되므로 외부 층만큼 효과적으로 냉각되지 않습니다. 

이 보드를 PDN Analyzer에서 시뮬레이션하고 싶지만, 소프트웨어가 제공하는 전류 검사를 사용하려면 먼저 전류 밀도를 알아야 합니다. 제 보드가 최대 45°C의 서비스 온도에서 사용될 것으로 예상합니다. 사용하는 경우 내부의 온도가 얼마나 뜨거울지, 그리고 보드가 사용될 수 있는 다양한 국가의 기후를 고려해야 합니다. 최대 온도가 내 보드의 유리 전이 온도(Tg)인 130°C 이하로 유지되기를 원합니다. 유리 전이 온도는 보드가 부드러워지기 시작하고 층 분리나 실패가 훨씬 더 가능성이 높아지는 지점입니다. 저는 또한 표준 35μm 두께의 구리 전류 밀도를 사용할 예정이지만, 보드가 요구하는 경우 대부분의 공급업체에서 더 무거운/두꺼운 구리 전류 밀도와 더 높은 Tg 보드를 표준 옵션으로 제공받을 수 있습니다.

이 입력 세트를 사용하여 저는 사용할 수 있는 최소한의 트레이스 폭을 계산할 것입니다. 이 트레이스 폭을 사용하면 PCB의 수명이 짧아지고, 제품이 서비스 중에 흥미롭고 창의적인 방식으로 실패하게 될 것입니다.

그런 다음 이 최소 트레이스 폭을 사용하여 보드에서 원하는 전류 밀도의 절대 상한을 계산할 수 있습니다. 단순히 트레이스 폭에 보드 두께를 곱하면 됩니다. 이 글은 빠르고 간단한 PCB 설계 규칙에 관한 것이므로, 단위 변환에 신경 쓰지 않기 위해 Google 계산기를 사용하여 계산하겠습니다.

Google에서 (8.93mm*35um)을 mm2로 검색하십시오.

이제 우리는 보드를 유리 전이 온도까지 가열하려면 35A를 전도하기 위해 0.31255mm2의 구리 면적이 필요하다는 것을 알게 되었습니다. 그러나 PDN Analyzer에 필요한 것은 amps/mm2의 전류 밀도입니다. 따라서, 우리가 가정한 전류를 계산한 면적으로 나누기만 하면 됩니다—즉, 35/0.31255—111.98A/mm2를 얻을 수 있습니다.

물론, 이것은 우리의 절대 한계이며, 우리의 설계가 이를 사용하는 것은 미친 짓일 것입니다. 여기서 계산한 현재 한계를 초과하는 것이 설계에 있다면, 아마도 약간의 재작업이 필요할 것입니다.

합리적인 전류 밀도를 어떻게 결정할 수 있을까요?

제품이 오래 지속되기를 원한다면, 우리는 대부분의 보드가 충족해야 할 합리적인 구리의 전류 밀도가 무엇인지도 파악해야 합니다. 이 전류 밀도를 초과하는 일부 영역은 특히 그것들이 낮은 전류 밀도 영역에 둘러싸여 있다면 괜찮을 가능성이 높습니다. 구리는 전류뿐만 아니라 열의 아주 좋은 전도체라는 것을 기억하세요. 따라서 높은 전류 밀도의 작은 부분은 뜨거워질 수 있지만, 인접한 구리 푸어로 그 열을 전도할 수도 있습니다. 예를 들어, IC로 들어가는 트레이스의 목 부분이 여기서 계산하는 것보다 높은 전류 밀도를 가지고 있다 해도, 트레이스의 나머지 부분이 합리적이라면 저는 만족할 것입니다.

이전에 추적 폭을 계산하는 데 사용한 방법과 동일하게, 최대 온도 상승을 조금 더 합리적인 것으로 변경함으로써 우리가 원하는 구리의 전류 밀도를 계산할 수 있습니다. 저는 모든 추적을 65°C 이하로 유지하려고 합니다. 이 온도는 좋아 보이며 연결된 IC가 너무 뜨거워지는 것을 방지해야 합니다. 45°C의 주변 온도에서, 이것은 원래 계산한 85°C보다 허용 온도 상승이 20°C밖에 되지 않음을 의미합니다!

그것은 훨씬 더 많은 구리를 의미합니다! 전체 면적은 이제 0.7525 mm2이며, 시뮬레이션 목적으로 사용하기에 훨씬 더 합리적인 46.5A/mm2를 제공합니다.

시뮬레이션에 대한 조언

이 숫자들은 특정 프로젝트의 필요에 따라 달라질 것입니다. 제 숫자를 그대로 사용하지 마십시오. 이는 귀하의 특정 설계에 적합하지 않을 수 있습니다.

대부분의 사람들은 55°C를 만졌을 때 뜨겁다고 느낍니다! 그들은 피부를 그것에 대고 있기에는 너무 불편합니다. 만약 여러분이 납땜 작업을 많이 한다면, 무언가를 너무 뜨겁다고 여기는 임계값이 훨씬 높을 것입니다. 이는 여러분이 설계하는 전도 영역이 사람의 손에 닿을 수 있는 제품을 만들 경우, 사용자들이 제품으로 인해 화상을 입었다고 불평하지 않도록 트레이스 온도를 55°C 이하로 유지하는 것을 고려해야 할 수도 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다.

만약 여러분의 보드에 큰 면적이 겨우 전류 밀도를 통과한다면, 과열될 가능성이 높습니다. 보드의 뜨겁고 시원한 영역의 적절한 균형에 대해 판단을 내려야 합니다. 만약 여러분이 25°C의 주변 온도에서 부하를 받았을 때 60°C가 될 트레이스로 30%의 면적이 덮인 보드를 시뮬레이션한다면, 그 부하로 인해 보드 자체의 온도는 아마도 전체적으로 50°C에 가까울 것입니다—그러므로 여러분의 주변 온도에 대한 재고가 필요할 수 있습니다.

구리 면적에 연결된 전해 커패시터가 있는 경우, 온도가 높아질 수 있는 부분에 대해 데이터시트에서 최대 사용 온도나 온도에 따른 수명 감소를 확인하고 싶을 것입니다. 상온에서는 몇 년 동안 지속될 수 있는 저가의 알루미늄 전해 커패시터가 85°C에서는 단 500시간만 버틸 수도 있습니다. 이는 한 달도 채 되지 않는 시간이며, 고객이나 사용자는 그들의 장치가 그보다 더 오래 지속되기를 기대할 것입니다.

시뮬레이션으로 한계를 정말로 밀어붙이고 있다고 느낀다면, Ansys IcePak에서 디자인에 대한 보다 광범위한 평가를 하거나 실제 환경에서의 광범위한 테스트를 수행해야 합니다. 열 카메라와 검은색 스프레이 페인트 한 캔은 IcePak보다 저렴하지만, 실제 테스트에서는 비싼 환경 챔버 없이 다양한 조건을 시뮬레이션하기가 더 어려울 수 있습니다. 금속은 열 파장을 반사하므로 정확한 측정을 얻으려면 전체 보드를 검은색 스프레이 페인트로 칠한 후 열 카메라로 테스트해야 합니다.

결론

제가 적절한 전류 밀도를 계산하는 방식은 다소 거친 PCB 설계 규칙에 속할 수 있지만, 여러분의 설계가 올바른 방향으로 가고 있는지 여부를 판단하는 데 도움이 될 것입니다. 고전류/고온 트레이스의 열적 영향은 전체 회로 기판에 광범위하게 미칠 수 있으며 고려해야 합니다. 이러한 사실로 인해, 모든 PCB에 대해 아래로 유지해야 하는 황금 표준 전류 밀도를 찾는 것을 추천하지 않습니다. 

고전력 보드를 설계하는 경우, 허용 가능한 전류 밀도는 마이크로컨트롤러나 로직 장치에 전력을 공급하는 전력 분배 네트워크용보다 훨씬 클 수 있습니다.

장치의 특정 레이아웃, 운영 환경 및 인클로저 옵션이 설계에 적합한 전류 밀도에 큰 영향을 미칠 것입니다. 이 가이드가 적절한 한계를 결정하는 데 도움이 되어, PDN Analyzer와 같은 도구를 사용하여 설계를 프로토타이핑하기 전에 정상 여부를 확인할 수 있기를 바랍니다.