PCB 트레이스 전류 및 열 전용 IPC-2221 계산기

IPC-2221 표준은 인쇄 회로 기판 설계 및 제조성에 관한 많은 요구 사항을 규정하고 있으며, 이 표준에 기초한 여러 온라인 계산기가 개발되어 있습니다. 임피던스 및 환형 링에 대한 공식 외에도 표준에 포함된 다른 중요한 공식 중 하나는 온도 상승, 트레이스 폭 및 트레이스 전류와 관련되어 있습니다. 열 신뢰성 설계에 대한 이 지침은 IPC-2221 표준과 IPC-2152 표준 모두에 포함되어 있으며, 각 표준의 적용과 관련하여 상당한 논쟁이 있었습니다.

IPC-2221을 규정 준수 메트릭으로 선택했다면 운이 좋은 편입니다. 당사는 특정 가열 한계에 대한 트레이스 폭 한계를 추정할 수 있는 간단한 계산기 프로그램을 개발했습니다. Altium Designer 사용자라면 라우팅 작업 시 PCB 편집기에서 이러한 기능에 액세스할 수 있습니다. IPC-2221의 열 분석 공식에 대해 알아보려면 계속 읽어 보세요. 아래에서 계산기 앱을 확인할 수 있습니다.

IPC-2221에는 무엇이 포함되나요?

IPC-2221 표준은 PCB/PCBA에 대한 일반적인 인쇄 회로 기판 인증 및 승인 표준입니다. 이 표준의 요구 사항은 안전성, 신뢰성 및 제조성을 보장하도록 설계된 특정 설계 제한 사항을 정의합니다. 표준의 자격은 일반적인 표준입니다. 다양한 유형의 기판에 적용되는 더 구체적인 표준은 2220 시리즈 표준 전체에서 확인할 수 있습니다.

IPC-2221 표준에는 PCB에서 이루어지는 도체의 열적 및 전기적 거동 간의 관계를 설명하는 두 섹션이 있습니다.

• 섹션 6.2 - 전도성 재료 요구 사항
• 부록 B

이 두 섹션에는 트레이스 폭과 트레이스가 전달하는 전류의 관계를 나타내는 한 쌍의 그래프가 포함되어 있으며, 이는 IPC-2152의 맥락에서 가장 자주 인용되는 그래프입니다. 링크된 글에서 내부 트레이스와 외부 트레이스에 관한 그래프를 확인할 수 있습니다. 또한 IPC-2221 섹션 6.2에서는 트레이스의 단면적(A(sq. mils))을 주변 전류(∆T(°C)) 및 평균 전류(I(Amps))를 초과하는 목표 온도 상승과 연관 짓는 단일 계산식을 제공합니다.

이는 매우 간단한 공식으로 아래에 제공한 계산기에서 사용할 수 있습니다. 트레이스의 단면적을 결정하기 위해 이 공식을 사용하는 경우라면 구리 무게(두께)를 사용하여 도체의 너비를 결정해야 합니다. 이때 계산하는 너비는 온도 상승을 ΔT에 대해 지정한 값 미만으로 유지하는 데 필요한 최소 너비 값입니다.

IPC-2221 트레이스 폭 계산기

아래 애플리케이션에서는 위 공식을 구현하고 이를 사용하여 온도를 특정 값 미만으로 유지하는 데 필요한 트레이스 폭을 계산합니다. 즉, 구리 중량 값을 계산기에 입력하면 전류 및 온도 상승 한계를 고려하여 필요한 트레이스 폭이 결정됩니다.

결과

온라인 CAD 시스템에는 이러한 툴이 존재할까요? Altium Designer 사용자는 PCB 에디터 창의 라우팅 툴에서 자동화된 IPC-2221 계산기에 액세스할 수 있습니다. 이 기능을 사용하려면 분석하려는 네트워크에서 트레이스를 선택하고 속성 패널에서 네트워크 정보 영역의 데이터를 확장하기만 하면 됩니다. 여기서는 해당 트레이스 섹션에 대한 최대 전류 계산을 확인할 수 있습니다.

• Altium Designer의 IPC-2221 계산기는 허용된 온도 상승이 ΔT = 20°C로 제한된다고 가정합니다.

앞서 언급한 계산기는 경로에 있는 모든 호(arc)에 대해 이미 작동하지만, 최근 업데이트에서 자유형 프리미티브로 변환되지 않은 길이 조정 구간이 추가되었습니다. 버전 22의 최신 업데이트를 설치했다면, 이제 Altium Designer 내의 IPC-2221 계산기가 PCB 레이아웃의 길이 조정 개체에 대해 작동할 것입니다. 위 GIF에 표시된 것과 동일한 프로세스를 길이 조정 섹션에도 사용할 수 있습니다.

IPC-2221 공식에 대한 몇 가지 참고 사항

위에서 설명한 공식은 정확성과 적용 가능성 측면에서 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다.

• 공식은 위에 링크된 기사의 차트를 기반으로 작성되었습니다.
• 이 공식은 기판이 STP의 공기 환경에 있다고 가정합니다.
• 공식을 개발하는 데 사용된 테스트용 기판의 경우 두꺼운 기판 위에서 트레이스를 사용했을 뿐이며, 근처(평면이나 주입 영역)에 열을 전달하는 데 도움이 되는 추가적인 구리는 없었습니다.
• 근접한 여러 병렬 트레이스는 고전류를 전달하기 위해 하나의 큰 트레이스로 처리될 수 있었습니다.
• 표준에서는 기판이 얇은 경우(30밀리미터 이하) 10% 감소보다는 15% 감소를 제안합니다.
• 일반적인 에폭시-유리 섬유 적층판보다 열전도율이 높은 기판에는 서로 다른 전류/트레이스 폭 제한이 적용됩니다.

이 모든 사항은 현대식 PCB의 경우 IPC-2221 계산기의 결과가 상당히 보수적임을 의미합니다. 즉, 트레이스 주변에 평면과 구리 주입 영역을 포함하면 계산된 전류 전달 용량 수치가 과소 추정치일 가능성이 높습니다. 반대로, 계산된 최소 트레이스 폭은 과대 추정치일 가능성이 높습니다. 이와 같이 계산기는 필요한 트레이스 폭을 과대평가할 수 있으므로 이러한 결과를 사용할 때는 유의해야 합니다.

이처럼 알려진 오늘날의 PCB 설계와의 불일치로 인해 더 우수한 특수성과 정확성을 제공할 수 있는 새로운 표준을 개발하려는 노력이 있었습니다. 그 결과가 바로 아래에서 설명할 IPC-2152 표준입니다.

IPC-2221와 IPC-2152 중 어느 것이 더 정확한가요?

필자는 온라인 계산기에 한계가 있음을 자주 언급해 왔으며, 앞서 설명한 IPC-2221 계산기도 예외는 아닙니다. IPC-2221에서 계산하는 최소폭 값은 과대 추정치일 가능성이 높기 때문에, IPC-2152 표준에서는 트레이스 폭, 온도 상승 및 전류 제한을 결정하기 위한 여러 노모그래프를 포함하는 가용 데이터 집합을 확장하려고 시도했습니다.

이 글을 작성하기 위해 조사하던 중 팟캐스트 게스트 중 한 명인 Mike Jouppi가 저술한 오래된 IPC-2152 작업 문서를 발견했습니다. 이 문서는 IPC-2152가 구리 무게, 평면 존재 여부, 트레이스와 평면 간의 거리, 공기 대 진공 사용률의 변화와 같은 회로 기판에서 발생하는 다양한 설계 조건을 포착하려는 시도를 심도 있게 설명합니다.

IPC-2152에 관한 연구가 많이 수행되었던 이유는 무엇일까요? 아래 차트는 왜 그렇게 많은 세부 정보가 필요했는지를 설명합니다. 아래 차트는 IPC-2221 부록 B에서 가져온 것으로, 이 차트의 데이터는 동일한 크기의 트레이스에 공급된 특정 전류에 대한 온도 상승 측정값을 비교합니다. 모든 전류 값에 대해 IPC 결과가 예상 온도 상승을 크게 과대평가하고 있음을 관찰할 수 있습니다. 이것이 IPC-2221 기반 계산기가 필요한 도체 너비를 과대평가하는 경향을 나타낼 수 밖에 없는 이유입니다.

특히 높은 신뢰성이 요구되는 경우 사용자가 제품에 대한 최상의 설계 결정을 내릴 수 있도록 온도 상승 및 전류 제한에 대한 트레이스 폭의 영향을 더 잘 이해할 수 있는 몇 가지 리소스를 정리했습니다.

• 무료 온라인 IPC-2152 계산기
• IPC-2152에 따른 트레이스 폭 대 전류 표(내부 트레이스 표 표시)
• 내부 및 외부 트레이스에 대한 IPC-2152 데이터
• 전원면(Power Plane) 전류 한도 계산
• 열 저항 및 열전도율을 사용하여 온도를 추정하는 방법
• 회로 기판에 대한 열 분석 가이드

PCB에 대한 IPC-2221 계산 결과를 빠르게 검토해야 할 때는 업계 최고인 Altium Designer® PCB 라우팅 툴 세트를 사용해 보세요. 설계를 완료하여 제조업체와 파일을 공유하려는 경우에는 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 협업 및 프로젝트 공유가 간편해집니다.

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