고전압 설계에 IPC-2221 PCB 공간 거리 계산기 사용하기

| 작성 날짜: 일월 17, 2020 | 업데이트 날짜: 이월 4, 2023

PCB 설계 및 어셈블리 표준은 생산성을 제약하기 위한 것이 아니라 여러 업계에서 제품 설계 및 성능에 대한 일관된 기대치를 생성하는 데 도움이 되기 위한 것입니다. 표준화에는 특정 설계 측면에 대한 계산기, 감사 및 검사 프로세스 등 표준화 준수를 위한 도구가 사용됩니다.

고전압 PCB 설계에서 PCB 설계에 대한 중요한 일반 표준은 IPC-2221입니다. 이 설계 표준에는 여러 중요한 설계 측면이 요약되어 있으며, 그중 일부는 간단한 수학 공식으로 귀결됩니다. 고전압 PCB의 경우 IPC-2221 계산기를 사용하면 PCB에 있는 전도성 소자 간의 적절한 간격 요구 사항을 빠르게 확인할 수 있으므로 다음 고전압 기판이 동작 전압에서 안전하게 유지되도록 하는 데 도움이 됩니다. 설계 소프트웨어에 이러한 사양이 자동화된 설계 규칙으로 포함되어 있으면 기판을 구축할 때 생산성을 유지하고 레이아웃 실수를 방지할 수 있습니다.

IPC-2221이란 무엇일까요?

IPC-2221(2012년부터 수정 버전 B 시행)은 널리 인정받고 있는 업계 표준으로, 여러 PCB 설계 측면을 정의합니다. IPC-2221의 몇 가지 예로는 재료(기판 및 도금 포함), 테스트 가능성, 열 관리 및 열 완화, 애뉼러 링에 대한 설계 요구 사항이 있습니다.

일부 설계 지침은 더 구체적인 설계 표준으로 대체됩니다. 예를 들어 IPC-6012 및 IPC-6018은 각각 경성 PCB 및 고주파 PCB에 대한 설계 사양을 제공합니다. 이러한 추가 표준은 일반 PCB에 대한 IPC-2221 표준과 대체로 일치합니다. 하지만 IPC-2221은 일반적으로 제품 안정성 또는 제조 수율/결함을 평가하는 데 사용되는 검증 표준이 아닙니다. 경성 기판의 경우 제작된 경성 PCB를 검증하는 데는 보통 IPC-6012 또는 IPC-A-600이 사용됩니다.

고전압 설계에 대한 IPC-2221B 도체 간격 요구 사항

고전압 PCB 설계에 대한 중요한 설계 요구 사항은 IPC-2221B 표준에 지정되어 있습니다. 그중에는 다음과 같은 두 가지 사항을 해결하기 위한 도체 공간 거리 요구 사항도 있습니다.

높은 전기장 강도에서 코로나 또는 절연 파괴 가능성
수지상 성장이라고도 하는 전도성 양극 필라멘테이션의 가능성(아래 참조)

첫 번째 사항은 PCB의 도체 간에 적절한 최소 간격을 설정하여 매우 쉽게 제어할 수 있으므로 가장 중요합니다. 두 번째 효과도 적절한 트레이스 간격, 재료 선택 및 처리 시의 일반적인 청결도를 통해 억제할 수 있습니다. 이러한 효과를 방지하는 데 필요한 간격은 IPC-2221 표준에 두 도체 간 전압의 함수로 요약되어 있습니다.

아래 이미지는 IPC-2221 표준의 표 6-1입니다. 이러한 값은 두 도체 간 전압의 함수로 최소 도체 간격을 나타내며, 도체 간 피크 AC 또는 DC 전압의 관점에서 지정됩니다. IPC-2221은 최대 500V의 전압에 대해서만 고정된 최소 도체 간격을 지정합니다. 두 도체 간의 전압이 500V를 초과하면 아래 표에 나와 있는 볼트당 간격 값이 최소 도체 간격을 계산하는 데 사용됩니다. 500V를 초과하는 경우 표의 맨 아래 행에 있는 볼트당 간격이 필요한 최소 간격에 추가됩니다.

IPC-2221 표 6.1 — *IPC-2221B 도체 간격 요구 사항*

고전류에서의 온도 상승

모든 고전압 PCB가 고전류에서 작동하는 것은 아니지만, 고전류를 사용하는 고전압 PCB는 도체가 충분히 크지 않을 경우 높은 온도 상승을 경험할 수 있습니다. PCB의 온도 상승은 도체의 DC 저항과 관련된 줄 발열로 인해 발생합니다. 따라서 전류가 크면 고전류가 흐르는 도체의 단면적도 커야 합니다.

최적의 단면적을 확인하려면 IPC-2221 및 IPC-2152 표준에 게재된 데이터를 기반으로 하는 계산기를 사용하면 됩니다. IPC-2152 계산기에 사용되는 데이터 세트는 더 복잡하지만, IPC-2221 계산기보다 더 정확한 결과를 제공할 수 있습니다.

전력 변환 장치에 대한 IPC-9592B 표준

IPC-9592B 표준은 특히 전력 변환 장치에 대한 도체 간격 요구 사항을 제공합니다. 이러한 표준은 IPC-2221에 지정된 필수 도체 간격 함께 그래프로 표시해 보면 매우 일관성이 있음을 알 수 있습니다. 아래는 IPC-9592B에서 간격 요구 사항을 지정하는 표입니다. 이 표에는 피크 전압 값의 함수로 최소 트레이스 간격이 정의되어 있습니다. 차이점은 이 표준이 위 테이블에 나와 있는 500V 제한 미만으로 적용된 전압으로 최소 도체 간격 값을 조정한다는 것입니다.

최소 간격(mm)	전압 범위(V)
0.13	V_peak < 15
0.25	15 ≤ V_peak < 30
0.1 + (0.01*Vpeak)	30 ≤ V_peak < 100
0.6 + (0.005*Vpeak)	100 ≤ V_peak

전력 변환 장치에 대한 IPC-9592B 도체 간격 요구 사항

온라인에서 찾아보면 위의 값으로 미리 프로그래밍된 계산기를 찾을 수 있습니다. 적절한 간격 값을 확인한 후에는 이러한 값을 설계 규칙에 개체 간의 공간 거리로 프로그래밍할 수 있습니다. 또한 보통 네트마다 서로 다른 전압에서 작동하기 때문에 이러한 값을 설계 규칙에 네트별로 프로그래밍할 수도 있습니다. 이렇게 하면 설계의 밀도가 높아질 경우 특정 네트를 서로 더 가깝게 설치할 수 있게 됩니다.

IPC-9592 및 IPC-2221B 공간 거리 계산기

아래의 계산기는 위에서 언급된 표준을 기반으로 안전한 공간 거리 계산을 제공합니다. 이 계산기를 사용하려면 기판이 작동할 사용 전압을 입력하세요. 그러면 계산기에서 PCB 레이아웃의 내부, 외부 및 피복된 트레이스에 대한 공간 거리 요구 사항 값을 얻을 수 있습니다. 또한 이 계산기에서 IPC-9592 준수 전력 변환 장치에 대한 결과도 얻을 수 있습니다.

IPC-2221B 결과

IPC-9592 결과

금속 이동 오류

금속 이동은 도체 밀도가 높은 고전압 설계의 여러 오류 메커니즘 중 하나입니다. 두 도체를 높은 퍼텐셜로 끌어올리면 도체에 수용성 염류가 있는 잔류물이 포함되어 있을 때 금속성 수지상 전기 화학적 성장이 발생할 수 있습니다. 아래에서 두 솔더 볼 사이의 수지상 성장을 보여 주는 SEM 이미지를 확인하세요.

두 솔더 볼 사이의 극심한 수지상 성장을 보여 주는 SEM 이미지 (이미지 출처)

이러한 금속성 수지상 성장이 발생하면 고밀도 PCB의 두 지점이 합선될 수 있습니다. 사실 이 전기장 효과 때문에 최소 간격 요구 사항이 있는 것입니다. 즉, 주어진 퍼텐셜 차에 대해 도체 간격을 늘리면 도체 간의 전기장이 작아져서 수지상 성장이 억제됩니다.

IPC-2221 계산기 이외의 사항

IPC-2221 표준은 스스로 지켜야 하는 표준이라는 점에 유의하세요. 하지만 건축 및 전기 규정에 정의된 대로 안전 표준이 적용되는 제품의 경우 관련 UL 또는 IEC 표준의 연면 거리 및 공간 거리 요구 사항을 준수해야 할 수 있습니다. 예를 들어 AC 메인 및 배터리 전원을 사용하는 IT 및 통신 제품에 대한 관련 안전 요구 사항은 IEC 62368-1 표준(IEC 60950-1 표준을 대체함)에서 확인할 수 있습니다. 연면 거리의 경우 IPC-2221B에 지정되어 있는 간격은 RMS 사용 전압, 오염도(1~3) 및 재료 그룹에 따라 다릅니다. 두 후자 용어에 대한 정의는 UL 62368-1 표준에서 확인할 수 있습니다. IEC, IPC 또는 기타 필수 안전 표준을 준수해야 하는 경우 적절한 PCB 설계 소프트웨어를 사용하면 설계 요구 사항을 설계 규칙으로 지정할 수 있습니다.

연면 거리로 인해 레이어를 따라 도체 간 파괴가 발생하지 않도록 하기 위해서는 적절한 도체 간격만큼이나 재료 선택도 중요합니다. 재료의 파괴 저항력은 CTI(비교 추적 지수)로 알려진 측정 기준을 사용하여 요약됩니다. PCB 적층판 재료의 CTI 값은 기판 표면의 도체에 대한 연면 거리 제한을 설정하는 데 사용됩니다. IEC-60112 표준은 더 큰 CTI 등급 기판이 절연 파괴를 경험하기 전에 더 높은 전압을 견딜 수 있도록 CTI 값을 정의합니다. 이 내용에 대해서는 다음 문서에서 고전압 PCB 적층판 재료 및 해당 재료를 선택하는 방법을 설명할 때 더 자세히 다루겠습니다. 지금은 연면 거리와 공간 거리를 함께 고려해야 한다는 점과 공간 거리를 기반으로 하여 간격을 결정하는 것이 새로운 설계를 시작할 때 좋은 출발점이라는 것을 기억하세요.

Altium Designer^®의 CAD 도구 및 라우팅 기능은 기판을 만들 때 레이아웃을 자동으로 확인하는 통합 규칙 기반 설계 엔진을 기반으로 합니다. IPC-2221 계산기로 공간 거리 요구 사항을 확인한 후에는 설계 규칙에 공간 거리를 프로그래밍하여 기판이 고전압에서도 계속 안전하게 가동되도록 할 수 있습니다. 또한 제조 및 어셈블리를 준비하는 데 도움이 되는 모든 문서 기능에도 액세스할 수 있습니다.

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작성자 정보

Zachariah Peterson은 학계 및 업계에서 폭넓은 기술 분야 경력을 가지고 있으며, 지금은 전자 산업 회사에 연구, 설계 및 마케팅 서비스를 제공하고 있습니다. PCB 업계에서 일하기 전에는 포틀랜드 주립대학교(Portland State University )에서 학생들을 가르치고 랜덤 레이저 이론, 재료 및 안정성에 대한 연구를 수행했으며, 과학 연구에서는 나노 입자 레이저, 전자 및 광전자 반도체 장치, 환경 센서, 추계학 관련 주제를 다루었습니다. Zachariah의 연구는 10여 개의 동료 평가 저널 및 콘퍼런스 자료에 게재되었으며, Zachariah는 여러 회사를 위해 2천여 개의 PCB 설계 관련 기술 문서를 작성했습니다. Zachariah는 IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society 및 PCEA(Printed Circuit Engineering Association)의 회원입니다. 이전에는 양자 전자 공학의 기술 표준을 연구하는 INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee에서 의결권이 있는 회원으로 활동했으며, 지금은 SPICE 급 회로 시뮬레이터를 사용하여 광자 신호를 나타내는 포트 인터페이스에 집중하고 있는 IEEE P3186 Working Group에서 활동하고 있습니다.

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