PCB 배선 폭, 동박두께, PCB재질에 따른 허용 전류, 도체폭과 두께에 따른 파괴전류와의 관계

PCB 배선 폭, 동박두께, PCB재질에 따른 허용 전류의 관계

이전 포스팅까지 회로부품 간 배선시 별도의 언급 없이 그냥 배선을 진행하였습니다. 이번 포스팅에서는 PCB의 배선 폭, 동박두께, PCB 재질에 따른 허용 전류의 관계에 대해 언급해 보려 합니다

1) PCB 배선 폭과 허용 전류의 관계

. 도체의 허용전류는 전류를 흘렸을 때 도체의 포화온도상승에 의한 성능의 영향이나 안전성을 보고 결정합니다. 온도상승은 도체폭이 좁을수록 또는 동박두께가 얇을수록 커집니다. 이때 적층판의 변색이나 특성변화의 원인이 됩니다. 이 때문에 일반적으로 우선 온도상승이 10도 이하가 되는 도체허용전류를 결정해 이 도체허용전류를 기준으로 도체 폭을 설계할 필요가 있습니다. 동박 두께별 그리고 배선폭별 허용전류는 다음을 참고하시면 됩니다. (아래는 대략적인 정격 전류 허용값입니다)

배선폭 @20deg	동박두께(18um)	동박두께(35um)	동박두께(70um)	동박두께(105um)
1 mm	2 A	2.5 A	4 A	5 A
2 mm	3 A	4 A	6 A	6.5 A
3 mm	3.5 A	5 A	7.5 A	9.5 A
4 mm	4 A	6 A	9 A	12 A

위의 표와 같이 배선폭이 넓을수록 동박 두께가 두꺼울수록 허용전류는 높아집니다. 전자가 이동할 통로가 넓어지기 때문에 당연한 결과이죠. 단 주의해야 할 부분은 배선폭과 동박두께에 따른 허용전류값이 완전한 선형그래프는 아니라는 겁니다. 이 표에서는 20 deg 기준으로 작성하였지만 온도에 따라 다른 그래프 형상이 나옵니다. 이점 꼭 유의하시기 바랍니다. 정리하자면 PCB의 배선 폭과 동박의 두께 결정은 개발하고자 하는 제품의 사용온도 범위를 파악하고, 각 회로 배선별 흐르는 전류값을 계산해서 결정하여야 합니다.

 

2) PCB 재질에 따른 허용 전류의 관계

이번 포스팅에서는 가장 많이 사용하는 FR-4와 FR-1 재질에 대해서만 다뤄 보도록 하겠습니다. 

여기서 FR은 난연재를 의미합니다.

1. FR-4
   • 유리재질에 에폭시 수지를 포함하여 만든 PCB입니다. 온도 및 주파수 특성이 우수하여 가장 널리 사용되는 PCB입니다. 강도가 강하고 다층 PCB 제작이 가능합니다. 대부분 업체에서 FR-4를 사용한다고 보시면 됩니다.
2. FR-1
   • 종이 페놀을 사용하여 홀가공이 어려워 단층 PCB 제작만 가능합니다.

FR-4와 FR-1의 동박두께를 35um로 고정하고 배선 폭에 따른 허용전류를 알아보겠습니다. 아래는 대략적인 정격 전류 허용값입니다.

구분 @20deg	배선폭(5mm)	배선폭(10mm)	배선폭(15mm)	배선폭(20mm)
FR-1	7 A	11 A	14.5 A	18.5 A
FR-4	8 A	11.5 A	15.5 A	19 A

위의 표와 같이 FR-1과 FR-4의 PCB 재질에 따른 온도차는 크지 않지만 FR-1보다는 FR-4가 배선 폭에 따른 온도 특성이 더 우수하다는 결과 확인이 가능합니다. PCB 온도특성에 대해 추가적으로 말씀드리면 Tg(Temperature glass)라는 유리전이온도가 있습니다. PCB자체가 물성을 유지하는 한계 온도를 의미합니다. 이 온도를 넘어서게 되면 PCB가 액체와 같은 물렁물렁한 형태로 변하게 됩니다. 우리가 자주 사용하는 FR-4의 Tg온도는 3종류가 있습니다. 130~140도, 150~160도 그리고 170~180도 이렇게 3 종류가 있습니다. 어떤 제품을 개발하느냐에 따라서 선택을 하면 됩니다. 당연히 높은 온도일수록 비싸집니다. 

 

3) 도체폭과 두께에 따른 파괴전류의 관계

앞서 설명드린 내용은 도체폭과 두께에 따른 허용전류값이었습니다. 이번에는 도체폭과 두께에 따른 파괴전류에 대해서 알아보겠습니다. 다시말해 도체폭과 두께를 기준으로 배선이 파괴되는 전류값을 알아보자는 내용입니다.

동박두께 18um	배선폭 0.5mm	배선폭 1mm	배선폭 1.5mm	배선폭 2mm	배선폭 2.5mm	배선폭 3mm
허용전류	6 A	10 A	12.5 A	15 A	16 A	17 A

 

동박두께 35um	배선폭 0.5mm	배선폭 1mm	배선폭 1.5mm	배선폭 2mm	배선폭 2.5mm	배선폭 3mm
허용전류	8 A	12.5 A	16 A	20 A	24 A	27 A

 

동박두께 70um	배선폭 0.5mm	배선폭 1mm	배선폭 1.5mm	배선폭 2mm	배선폭 2.5mm	배선폭 3mm
허용전류	10 A	16 A	22 A	27 A	32 A	37 A

위의 표에서와 같이 동박 두께가 두꺼울수록 배선폭이 넓을수록 파괴전류값은 높아집니다.  이점 유의하시고 설계하시기 바랍니다.

 정리해 보면 우리가 PCB를 설계할때 체크해야할 내용은 PCB재질, 동박의 두께, 그리고 배선의 폭 입니다. 이 3가지를 검토하지 않고 설계를 진행한다면 불량이 발생할 뿐마 아니라 화재까지 발생할  수 있는 위험한 상황이 발생합니다. 제가 처음부터 이런 내용을 언급하지 않았던 이유는 회로설계와 PCB설계에 흥미를 잃어 버릴까봐 언급하지 않았습니다. 처음부터 이런 내용들을 알고 접근하면 PCB 설계에 관심과 흥미가 떨어지게 되기 때문입니다. 그래서 아무런 언급없이 이전 포스팅에서는 빠른 시간내에 회로설계와 PCB 설계를 진행했던겁니다. 

 

완벽한 설계를 위해서 알아야 할 게 너무 많습니다. 흥미가 있으신 분들과 함께 하나씩 알아가 보도록 하겠습니다.

그럼 다음 포스팅에서 뵙겠습니다.