PCB 트레이스 폭 계산기

PCB 트레이스 폭 계산기는 IPC-2221 표준을 사용하여 주어진 전류, 온도 상승 및 구리 두께에 필요한 최소 트레이스 폭을 결정합니다. 이는 과열이나 고장 없이 필요한 전력을 처리할 수 있는 신뢰성 있는 인쇄 회로 기판을 설계하는 데 필수적입니다.

IPC-2221이란 무엇인가요?

IPC-2221은 Association Connecting Electronics Industries (IPC)에서 발행한 "Generic Standard on Printed Board Design"이라는 제목의 산업 표준입니다. 이 표준은 특정 전류를 전달하는 데 필요한 최소 트레이스 폭 계산 공식을 포함하여 PCB 설계에 대한 포괄적인 가이드라인을 제공합니다.

이 표준은 광범위한 테스트를 통해 얻은 경험적 공식을 통해 전류 전달 능력과 트레이스 기하학적 구조 간의 관계를 정의합니다.

IPC-2221 트레이스 폭 공식

계산은 다음 두 가지 주요 단계로 이루어집니다:

단계 1: 단면적 계산

여기서:

• A = 단면적 (단위: mils², square mils)
• I = 전류 (단위: Amperes)
• k = 레이어 상수 (외부 레이어: 0.048, 내부 레이어: 0.024)
• ΔT = 주변 온도 대비 온도 상승 (단위: °C)
• b = 0.44 (지수 상수)
• c = 0.725 (지수 상수)

단계 2: 트레이스 폭 계산

여기서:

• W = 트레이스 폭 (단위: mils)
• A = 1단계에서 계산된 단면적
• T = 구리 두께 (단위: mils)

외부 레이어 vs 내부 레이어

IPC-2221 표준은 외부(겉면) 레이어와 내부 레이어의 방열 특성이 다르기 때문에 이를 구분합니다:

• 외부 레이어: 공기에 노출되어 있어 대류를 통해 열 방출이 더 잘 됩니다. k = 0.048을 사용합니다.
• 내부 레이어: 열전도율이 낮은 FR4 기판으로 둘러싸여 있습니다. k = 0.024(외부의 절반)를 사용합니다.

이는 동일한 전류 전달 능력을 위해 내부 레이어 트레이스가 일반적으로 외부 레이어 트레이스보다 약 두 배 더 넓어야 함을 의미합니다.

구리 중량 참조표

온도 상승 가이드라인

적절한 온도 상승치는 애플리케이션에 따라 달라집니다:

• 10°C 상승: 중요 애플리케이션, 군사/항공우주, 온도에 민감한 부품이 근처에 있는 보드를 위한 보수적인 선택
• 20°C 상승: 환기가 적절한 일반 상업용 애플리케이션에서 흔히 사용
• 30°C 상승: 열 방출이 양호한 산업용 애플리케이션에서 허용 가능
• 40°C+ 상승: 공간이 극히 제한적이고 단시간의 전류 스파이크가 예상되는 경우에만 사용

중요: 온도 상승은 주변 온도 기준입니다. 장치가 40°C 환경에서 작동하고 20°C 상승을 허용한다면 트레이스 온도는 60°C에 도달할 수 있습니다.

저항 및 전압 강하

전력에 민감한 애플리케이션의 경우 트레이스 저항과 전압 강하가 중요한 고려 사항입니다:

여기서:

• R = 저항 (단위: Ohms)
• ρ = 구리 비저항 (20°C에서 1.7 × 10⁻⁸ Ω·m)
• L = 트레이스 길이
• A = 단면적

트레이스 양단의 전압 강하는 다음과 같습니다:

열로 소산되는 전력 손실은 다음과 같습니다:

설계 모범 사례

안전 마진

• 생산 편차를 고려하여 계산된 폭에 20-50%의 안전 마진을 추가하십시오.
• 구리 두께의 제조 공차(일반적으로 ±10%)를 고려하십시오.
• 정상 상태 전류뿐만 아니라 전류 스파이크 및 과도 현상을 고려하십시오.

열 관련 고려 사항

• 써멀 비아(thermal vias)를 사용하여 열을 다른 레이어나 그라운드 플레인으로 분산시키십시오.
• 고전류 트레이스를 온도에 민감한 부품 근처에 배치하지 마십시오.
• 추가적인 열 분산을 위해 구리 포어(copper pours) 사용을 고려하십시오.

고주파 고려 사항

• 트레이스가 넓을수록 인덕턴스가 낮아져 전력 공급에 유리합니다.
• 임피던스 제어 라인의 경우 트레이스 폭이 임피던스에 영향을 줍니다.
• 100 MHz 이상의 주파수에서는 표피 효과(skin effect)를 고려하십시오.

자주 묻는 질문

PCB 트레이스 폭에 대한 IPC-2221 표준은 무엇인가요?

IPC-2221은 특정 온도 상승을 초과하지 않고 특정 전류를 전달하는 데 필요한 최소 트레이스 폭을 계산하는 공식을 포함하여 PCB 설계를 위한 가이드라인을 제공하는 산업 표준입니다. 이 공식은 전류, 허용 온도 상승, 구리 두께 및 트레이스가 외부 레이어에 있는지 내부 레이어에 있는지 여부를 고려합니다.

내부 레이어가 외부 레이어보다 더 넓은 트레이스를 필요로 하는 이유는 무엇인가요?

내부 레이어는 공기 대신 FR4 기판 재료로 둘러싸여 있기 때문에 열 방출 효율이 낮습니다. 외부 레이어는 주변 공기로 열을 더 효과적으로 방출할 수 있으므로 동일한 전류에 대해 더 좁은 트레이스로도 대응이 가능합니다. IPC-2221 공식은 이러한 차이를 반영하기 위해 서로 다른 상수(외부 k=0.048, 내부 k=0.024)를 사용합니다.

PCB 트레이스 계산 시 어떤 온도 상승값을 사용해야 하나요?

일반적인 온도 상승값은 주변 온도보다 10°C, 20°C 또는 30°C 높은 값입니다. 10°C 상승은 보수적인 선택이며 정밀한 애플리케이션에 권장됩니다. 온도 상승값이 높을수록 트레이스 폭을 줄일 수 있지만, 주변 부품에 영향을 주거나 트레이스의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 선택 시 주변 작동 온도와 부품의 열 제한을 고려하십시오.

구리 중량(Copper weight)이 트레이스 폭에 어떤 영향을 미치나요?

구리 중량이 무거울수록(oz/ft²가 높을수록) 트레이스가 더 두꺼워지며, 동일한 폭에서 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다. 표준 1 oz 구리의 두께는 35µm(1.38 mils)입니다. 2 oz 구리를 사용하면 두께가 두 배가 되어 동일한 전류 용량에 대해 약 절반의 폭만 필요하게 됩니다. 하지만 구리가 무거울수록 비용이 비싸지고 미세 피치 설계 시 에칭이 어려워집니다.

추가 자료

• 인쇄 회로 기판 - 위키백과
• IPC-2221 표준 - IPC.org
• 구리 도체 특성 - 위키백과