PCB 동박 두께 및 전류와의 관계 ( IPC-2221 공식 )

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안녕하세요.

이번 시간에는 PCB 설계시 배선을 타고 지나가는 전류의 크기에 따라 어떻게 배선의 두께를 지정해야 하는지에 대해 알아 보겠습니다.

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패턴의 이격거리에 대한 계산은 아래 링크 참조해주세요.

https://semicircuit.tistory.com/entry/PCB-%EB%B0%B0%EC%84%A0-%EC%9D%B4%EA%B2%A9-%EA%B1%B0%EB%A6%AC%ED%8C%A8%ED%84%B4pattern%EA%B0%84%EA%B2%A9-IPC-2221B-IPC-9592

PCB 배선 이격 거리(패턴(pattern)간격) : IPC-2221B / IPC-9592

 

 

※1. Oz단위  (온즈, 온스)

PCB 두께를 표현하는 oz (온스)는 무게의 단위입니다. 

가로,세로 1피트X1피트의  면적에 1oz 무게의 구리를 깔았을 때
형성되는 동박의 두께를 PCB의 패턴 두께를 의미합니.

일반적으로 1oz 또는 Half(0.5)oz를 많이 사용합니다.다.

 

Oz에 따른 PCB 동박 두께는 다음과 같습니다.

0.5oz	17.5 μm
1oz	35 μm
2oz	70 μm
3oz	105 μm

 

계산식은 다음과 같습니다.

1. 동박 두께(t) = 동박 부피 / 면적

이때, 예를 들어 1oz의 구리 동박의 경

 

1-1) 동박 부피 = 무게(1oz) / 밀도

=> 구리 동박 부피 = 1oz / 구리의 밀도  =  1oz / 8.92g/㎤  =  28.35g / 8.92g/㎤  = 3.18㎤

1-2) 면적 = 1ft X 1ft

=>  면적 = 30.48㎝ X 30.48㎝   = 929.0304cm ㎠

 

그러므로

동박두께(t) = 3.18㎤ / 929.0304cm ㎠  =  34.229μm  올림을 통해 35μm로 구분합니다.

 

이에 따라 1oz의 35μm를 기준으로 0.5oz는 35μm /2 = 17.5μm, 2oz는 35μm X 2 = 70μm... 등으로 35μm기준으로 단순곱을 통해 계산하면 편리합니다.

 

 

 

 

※2. 패턴 두께에 따른 최대 허용 전류

PCB에서 전류에 따른 패턴의 두께를 결정할 수 있는 기준에는 다양한 방법이 존재합니다. 그중 가장 보편적으로 많이 사용하는 IPC-2221 공식을 기반으로 전류에 따른 패턴의 폭을 계산해 보겠습니다.

▶1. IPC-2221 

IPC-2221은 인쇄회로기판(PCB) 설계의 일반 표준으로, "Generic Standard on Printed Board Design"이라고도 합니다. 이 표준은 인쇄회로기판의 설계에 대한 기본적인 지침과 요구 사항을 정의합니다. IPC-2221은 다양한 전자 제품에 적용될 수 있으며, 신뢰성, 성능, 제조 가능성, 원가 효율성을 극대화하기 위한 기본적인 설계 규칙을 제공합니다.

IPC-2221의 주요 내용:

• 트레이스 폭 계산: 전류를 견딜 수 있는 최소 트레이스 폭 계산에 관한 내용이 포함되어 있습니다.
• 간격(클리어런스) 요구 사항: 고전압과 관련된 회로를 포함한 설계에서 절연 요구 사항이 명시되어 있습니다.
• 열 관리: PCB 설계에서 열을 효과적으로 관리하기 위한 지침을 제공합니다.
• 재료 선택: 사용되는 기판 재료, 도체 재료 등에 대한 선택 기준을 제시합니다.
• 전기적 테스트 및 신뢰성 요구 사항: PCB의 테스트 및 신뢰성 평가 기준을 포함합니다.

IPC-2221은 특정 환경이나 응용 분야에 맞는 추가적인 지침을 제공하는 다른 IPC 표준의 기반이 되며, IPC-2221B가 현재의 최신 버전입니다.

이 표준에서 언급된 "공식"은 주로 PCB 설계의 물리적, 전기적 요구 사항을 충족하기 위한 다양한 설계 계산을 의미합니다. 예를 들어, 트레이스 폭 계산, 간격 계산, 열 방출 계산 등입니다.

 

[ IPC-2221 공식 ]

Digikey

위 공식을 통해 허용 최대 전류(I), oz두께(T), 현재온도, 상승온도, 패턴의 길이를 파라미터로 사용시

패턴의 폭, 저항(임피던스), Voltage Drop, Power Loss를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

※3. 예시

허용 최대 전류(I)=1A, oz두께(T)-1oz, 현재온도-26도, 상승온도(파워인가에 따른 PCB동작에 있어서 온도증가 정도를 의미)=10도, 패턴의 길이=100cm로 계산기 돌려보겠습니다.

계산은 아래 디지키와 외국사이트에서 제공하는 링크 참조해보세요. 두 사이트에서 결과같은 같은 ICP-2221공식을 따르기에 동일합니다.

http://circuitcalculator.com/wordpress/2006/01/31/pcb-trace-width-calculator/

The CircuitCalculator.com Blog » PCB Trace Width Calculator

https://circuitcalculator.com/wordpress/2006/01/31/pcb-trace-width-calculator/

The CircuitCalculator.com Blog » PCB Trace Width Calculator

 

▶1. 입력 파라미터

단위를 필요에 따라 변경하여 잘 입력해 보세요.
(참고로 Trace Lenth는 모든 패턴의 길이가 달라 특정 길이로 정하기 어려울 수 있는데 Trace Length는 계산 결과에서 Resistance에 영향을 주고 패턴 폭에는 영향을 주지 않기에 패턴 폭만을 계산하는 경우 대략적인 수치를 입력해주세요.)

 

▶2. 계산기 출력 해석

내부 층의 경우 최대 1A의 전류를 흐르게 하기 위해서는 0.78mm의 패턴 폭이 요구되며,  외부층(Top, Bottom)의 경우 0.3mm의 패턴 폭이 요구됨을 알수 있습니다.

 

(추가적으로 Resistance의 경우 디지털 회로의 경우 큰 문제가 되는 경우는 없으나 고주파 신호가 이동하는 배선의 경우 임피던스 매칭이 되지 않아 신호의 손실이 발생하게 됩니다. 고주파의 경우 임피던스 매칭에 유의해야합니다.)

 

 

 

 

※4. 정리

매번 전류량이 다른 배선마다 정확하게 패턴 폭을 계산해서 설정하는 것은 너무 번거롭고 복잡한 회로에서는 불가능 할 수도 있는 작업입니다. 그렇기에 보편적으로 회사나 연구실에서 사용하는 값이 존재합니다.

보편적으로 최대 사용 전류에 따른 패턴 폭으로 사용하는 값으로 참고만 해주세요. 프로젝트의 목적, 환경, 특성에 따라 차이가 존재 합니다.

Pattern Width (mm)	전류 (A)
0.4	1.0
0.6	1.4
0.8	1.8
1.0	2.2
1.5	3.0
2.0	3.4
3.0	3.8
1oz, T=25℃, Trise=10℃   /   External Layer

 

 

 

 

이상으로 PCB 동박에 대한 두께 설에 대해 마치겠습니다. 감사합니다.