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

 

 

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안녕하세요.

이번 포스팅에서는 인가 전압에 따른 PCB의 패턴 사이에 간격을 IPC-221B의 기준과 IPC-9592의 기준으로 계산하는 과정을 진행해 보겠습니다.

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패턴폭에 대한 포스팅은 아래 링크 참조해주세요.

https://semicircuit.tistory.com/entry/PCB-%EB%8F%99%EB%B0%95-%EB%91%90%EA%BB%98-%EB%B0%8F-%EC%A0%84%EB%A5%98%EC%99%80%EC%9D%98-%EA%B4%80%EA%B3%84-IPC-2221-%EA%B3%B5%EC%8B%9D

PCB 동박 두께 및 전류와의 관계 ( IPC-2221 공식 )

 

 

※1. 목차1

PCB(Printed Circuit Board) 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나는 패턴 사이의 이격거리(Clearance)입니다. 이격거리란 전도체 패턴들 사이의 간격을 의미하며, 이는 신호 간섭, 전기적 단락, 전기적 노이즈 등을 방지하기 위해 매우 중요합니다. 적절한 이격거리를 유지하지 않으면 PCB는 설계 의도와 다르게 동작할 수 있으며, 심지어 제품의 신뢰성까지 위협할 수 있습니다. 

▶1. 중요성

1. 전기적 간섭 방지

패턴 사이의 이격거리는 전기적 간섭을 최소화하는 데 중요합니다. 신호 라인들이 너무 가깝게 배치되면, 상호 간섭으로 인해 신호 왜곡이나 데이터 전송 오류가 발생할 수 있습니다. 고속 신호일수록 이 간섭이 더 심해지기 때문에 이격거리를 적절히 유지하는 것이 필수적입니다.

2. 전기적 단락 방지

PCB에서의 전기적 단락은 설계 실패의 주요 원인 중 하나입니다. 특히, 고전압 회로의 경우 패턴 사이의 충분한 이격거리를 유지하지 않으면, 전압이 높은 전도체 간에 불필요한 전류가 흐르게 되어 단락이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 회로가 손상되거나 제품이 오작동할 수 있습니다.

3. 제조 공정의 제약 고려

제조 공정에 따라 패턴 사이의 최소 이격거리가 다를 수 있습니다. 일반적으로 PCB 제조업체들은 특정 최소 이격거리를 권장하며, 이는 제조 공정의 한계를 반영합니다. 설계자는 이러한 제조 기준을 반드시 준수해야 합니다. 이 기준을 어길 경우, 제조 과정에서 단락이나 회로 불량이 발생할 수 있습니다.

4. EMI/EMC 규제 준수

패턴 사이의 이격거리는 EMI(Electromagnetic Interference) 및 EMC(Electromagnetic Compatibility) 규제를 준수하는 데도 중요한 역할을 합니다. 충분한 이격거리를 통해 외부 신호로부터의 방해를 줄이고, PCB에서 발생할 수 있는 전자파 방출을 최소화할 수 있습니다.

5. 신호 품질 유지

PCB에서 신호 품질을 유지하려면 패턴 사이의 적절한 이격거리를 유지해야 합니다. 특히 고속 디지털 회로에서 신호 간섭을 줄이기 위해 차폐 효과를 높이는 것이 중요합니다. 또한, 이격거리를 통해 임피던스 매칭을 적절히 조정할 수 있습니다.

결론

PCB 설계에서 패턴 사이의 이격거리는 단순한 치수의 문제가 아니라, 회로의 성능과 신뢰성을 좌우하는 중요한 요소입니다. 설계 초기 단계에서부터 충분한 이격거리를 고려하고, 제조사와 협력하여 기준을 준수하는 것이 성공적인 PCB 설계를 위한 필수 조건입니다. 표준을 참고하고, 전압과 환경에 맞는 이격거리를 계산하며, 제조사의 규격을 준수하는 것이 중요합니다. 이를 통해 설계의 신뢰성을 높이고, 제조 공정에서의 문제를 최소화할 수 있습니다.

 

 

 

 

※2. IPC-2221B

IPC-2221B는 PCB 설계의 일반적인 표준으로, 다양한 회로 환경에서 전기적 안전성과 신호 무결성을 유지하기 위한 패턴 이격거리에 대한 지침을 제공합니다. 이 표준에서는 전도체(패턴) 사이의 이격거리를 결정할 때 여러 요소를 고려합니다. 

 

IPC-2221B는 아래 표준 테이블을 따릅니다. (계산기가 존재하므로 억지로 해석해 보려하지 않아도 됩니다.)

▶1. 주요 요소

 

• 동작 전압: IPC-2221B에서는 동작 전압에 따라 요구되는 최소 이격거리를 명확히 규정합니다. 높은 전압에서는 더 큰 이격거리를 요구하며, 이는 전기적 단락 및 코로나 방전을 방지하기 위함입니다.
• 환경 조건: PCB가 사용될 환경에 따라 이격거리가 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 고습도나 고온 환경에서는 전압 내성을 유지하기 위해 더 큰 이격거리가 필요할 수 있습니다.
• 재료 특성: 사용되는 PCB 재료의 절연 특성에 따라 이격거리가 결정됩니다. 절연 강도가 높은 재료는 더 작은 이격거리를 허용할 수 있습니다.

 

 

▶2. 적용 예시

 

• 공기 중의 이격거리: 100V 이하에서는 약 0.1mm, 500V에서는 약 0.5mm가 요구됩니다.
• 표면 이격거리: 표면 절연 특성에 따라 공기 중보다 더 큰 이격거리를 요구할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

※3. IPC-9592

IPC-9592는 전력 변환 장치(예: 전원 공급 장치)의 성능 및 신뢰성에 중점을 둔 표준으로, 특히 고전력 및 고전압 회로에 대한 요구 사항을 다룹니다. IPC-9592는 제품의 장기적인 신뢰성과 안전성을 보장하기 위해 설계에서의 패턴 이격거리에 대한 엄격한 규정을 제시합니다. 

 

IPC-9592는 아래 표준 테이블을 따릅니다. (계산기가 존재하므로 억지로 해석해 보려하지 않아도 됩니다.)

▶1. 주요 요소

 

• 고전압 및 고전력 설계: IPC-9592는 고전압 및 고전력 회로를 다루기 때문에, 이격거리는 특히 중요한 요소입니다. 높은 전압과 전류로 인해 발생할 수 있는 절연 파괴 및 전기적 스트레스를 방지하기 위해 매우 보수적인 이격거리를 요구합니다.
• 환경 스트레스 테스트: IPC-9592는 환경 스트레스 테스트를 통해 제품의 내구성을 평가하며, 이 과정에서 패턴 이격거리는 중요한 역할을 합니다. 테스트 중 극한 환경에서도 안정성을 유지할 수 있도록 충분한 이격거리가 필요합니다.
• 안전 규제 준수: IPC-9592는 UL, CE 등의 안전 규제를 준수하는 데 필요한 이격거리를 규정하며, 이는 설계에서 반드시 고려되어야 합니다.

 

 

 

▶2. 적용 예시

고전압 회로에서는 1000V 이상일 경우, IPC-9592는 몇 밀리미터 이상의 이격거리를 요구할 수 있으며, 이는 IPC-2221B에서 요구하는 기본 이격거리보다 훨씬 큽니다.

 

 

 

 

 

※4. ICP2221B와 ICP9592에 따른 패턴 이격거리 계산

유명 PCB Artwork 소프트웨어 제조사 Altium에서도 계산기를 제공하고 있지만 mil단위만을 다룹니다.

https://resources.altium.com/p/using-an-ipc-2221-calculator-for-high-voltage-design?vpk=5

Using an IPC-2221 PCB Clearance Calculator for High Voltage Design

 

 

 

 

 

 

우리에게 mm를 제공해주는 것이 편리하므로 다른 외국인이 만들어준 계산기를 이용하겠습니다. 해당 사이트에서는 inch와 mm 단위를 제공합니다.

https://www.smps.us/pcbtracespacing.html#calculator

PCB Trace Spacing Calculation for Voltage Levels

Lazar Rozenblat

▶1. 입력 전압값 입력

교류를 입력할 경우 가장 최대 전압값인 VPeak 값을 입력해주세요. 

10V를 동작하는 PCB 패턴이라고 가정합시다.

 

"Calculate" Click

 

▶2. 결과값 해석

IPC2221B로 해석할 경우 External(Top, Bottom) Layer에서 패턴을 형성시 이격거리를 0.1mm 이상으로 형성시켜야 하며, Internal Layer에서 패턴을 형성시 이격거리를 0.05mm 이상으로 형성시켜야 합니다. 또한 솔더 마스(Solder mask), 컨포멀(Conformal)과 같은 코딩 처리가 된 경우 또한 0.05mm 이상을 다른 패턴과 이격해야 합니다.

 

IPC9592의 경우 0.13mm로 다른 패턴과 이격하면 됩니다.

 

 

 

 

 

 

이상으로 PCB에서 패턴 이격거이에 대한 설명과 계산기 사용에 대한 포스팅을 마치겠습니다.

감사합니다.