고전류 응용 용품에 대한 무거운 구리 PCB 설계: 포괄적 인 가이드

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전기차(EV) 인버터부터 산업용 모터 드라이브에 이르기까지 고전력 전자 제품에서 표준 1oz 구리 PCB는 부족합니다. 이러한 시스템은 과열 없이 30A에서 200A 전류를 처리하고, 열 사이클링에 저항하며, 신호 무결성을 유지할 수 있는 PCB가 필요합니다. 헤비 구리 PCB를 사용하세요. 3oz(105μm) 이상의 구리 트레이스와 플레인으로 정의되며, 고전류 설계의 고유한 과제를 해결하도록 설계되었습니다.

헤비 구리 PCB를 설계하는 것은 단순히 '더 두꺼운 구리 사용'에 관한 것이 아니라 트레이스 형상, 재료 호환성, 열 관리 및 제조 가능성을 신중하게 고려해야 합니다. 이 가이드는 재료 선택부터 레이아웃 모범 사례까지 고전류 애플리케이션을 위한 헤비 구리 PCB 설계의 중요한 원리를 분석하고 일반적인 함정을 피하는 방법을 설명합니다. 50A EV 배터리 관리 시스템(BMS) 또는 150A 산업용 전원 공급 장치를 설계하든, 이 리소스는 안정적이고 고성능 보드를 만드는 데 도움이 될 것입니다.

주요 내용
1. 헤비 구리(3oz+) 트레이스는 표준 1oz 구리보다 2~5배 더 많은 전류를 처리합니다. 3oz 트레이스(105μm)는 30A를 전달하는 반면, 10oz 트레이스(350μm)는 동일한 너비에서 80A를 지원합니다.

2. 중요한 설계 요소에는 트레이스 너비/두께(IPC-2221 표준 준수), 열 완화 패턴(핫스팟을 40% 감소), 비아 채우기(솔리드 구리 비아가 도금된 비아보다 3배 더 많은 전류를 전달) 등이 있습니다.

3. 고전류 설계에는 150°C 이상의 작동 온도를 견딜 수 있으므로 고Tg 기판(≥170°C) 및 세라믹 충전 라미네이트가 필수적입니다.

4. 표준 PCB에 비해 헤비 구리 설계는 열 저항을 60% 줄이고 고전력 시스템에서 구성 요소 수명을 2~3배 연장합니다.

헤비 구리 PCB가 고전류 애플리케이션에 이상적인 이유는 무엇입니까?
고전류 회로는 상당한 열을 발생시키고(줄의 법칙: P = I²R), 표준 PCB는 이 에너지를 발산하는 데 어려움을 겪습니다. 헤비 구리 PCB는 세 가지 핵심적인 이점을 통해 이를 해결합니다.

  a. 낮은 전기 저항: 더 두꺼운 구리는 저항(R = ρL/A, 여기서 A = 단면적)을 줄여 전력 손실과 열 발생을 최소화합니다. 3oz 구리 트레이스는 동일한 너비의 1oz 트레이스보다 저항이 66% 적습니다.
  b. 우수한 열 전도성: 구리의 열 전도성(401 W/m·K)은 FR4(0.3 W/m·K)보다 1,300배 더 높습니다. 두꺼운 구리 플레인은 IGBT 및 MOSFET과 같은 구성 요소에서 열을 분산시키는 내장형 방열판 역할을 합니다.
  c. 향상된 기계적 내구성: 두꺼운 구리(특히 5oz+)는 열 사이클링(-40°C ~ 125°C) 및 진동으로 인한 피로에 저항하여 트레이스 균열(표준 PCB에서 흔한 고장 지점)을 줄입니다.

헤비 구리 두께 대 전류 전달 용량
구리 두께와 전류 간의 관계는 선형적이지 않습니다. 트레이스 너비, 주변 온도 및 기류도 역할을 합니다. 다음은 고전류 설계를 위한 실용적인 참조입니다(IPC-2221 및 업계 테스트를 기반으로 하며, 25°C 주변 온도 및 10cm 트레이스 길이를 가정):

참고: 100A 이상의 전류의 경우 과도한 트레이스 너비와 제조 문제를 피하기 위해 병렬 트레이스(예: 200A의 경우 두 개의 10oz, 1.5mm 트레이스)를 사용하십시오.

헤비 구리 PCB를 위한 중요한 설계 원리
고전류용 헤비 구리 PCB를 설계하려면 전기적 성능, 열 관리 및 제조 가능성의 균형을 맞춰야 합니다. 설계를 최적화하려면 다음 핵심 원리를 따르십시오.

1. 대상 전류에 대한 트레이스 너비 및 두께 계산
고전류 설계의 기초는 과열 없이 예상 전류를 처리하도록 트레이스 크기를 조정하는 것입니다. 다음 지침을 사용하십시오.

 a. IPC-2221 표준 준수: IPC-2221 사양은 전류, 온도 상승 및 구리 두께를 기반으로 트레이스 너비에 대한 공식을 제공합니다. 10°C 온도 상승(고신뢰성 설계에서 일반적)의 경우:
    3oz 구리: 0.8mm 너비 = 25A
    5oz 구리: 0.8mm 너비 = 38A
 b. 주변 온도 고려: 고온 환경(예: EV 엔진 베이, 85°C)에서는 전류를 30~40% 감소시키십시오(위 표 참조).
 c. 과도한 크기 조정 방지: 더 두꺼운 구리가 전류에 더 좋지만, 15oz+ 구리는 에칭 및 라미네이팅이 어려워집니다. 대부분의 상업적 애플리케이션의 경우 10oz를 최대값으로 유지하십시오.

도구 권장 사항: PCB Trace Width Calculator(Sierra Circuits 제공) 또는 Altium의 내장 전류 정격 도구와 같은 온라인 계산기를 사용하여 크기를 확인하십시오.

2. 열 관리 우선 순위 지정
두꺼운 구리를 사용하더라도 고전류 구성 요소(예: IGBT, 전력 저항)는 핫스팟을 생성합니다. 다음 전략으로 이를 완화하십시오.

  a. 열 완화 패드: 전력 구성 요소를 열 완화 패턴(열 전달과 납땜성을 균형 있게 유지하는 슬롯형 패드)을 사용하여 헤비 구리 플레인에 연결합니다. TO-220 구성 요소에 대한 5mm×5mm 열 완화 패드는 솔리드 패드에 비해 핫스팟 온도를 40% 줄입니다.
  b. 열 확산을 위한 구리 플레인: 전력 구성 요소 아래에 3~5oz 구리 플레인(트레이스뿐만 아니라)을 사용합니다. 5oz 구리 플레인은 3oz 플레인보다 열을 2배 더 빠르게 확산시킵니다.
  c. 열 비아: 뜨거운 구성 요소 주변에 구리 충전 열 비아(0.3~0.5mm 직경)를 추가하여 열을 내부/외부 플레인으로 전달합니다. 최대 효율을 위해 비아를 1~2mm 간격으로 배치합니다. 10개의 열 비아는 구성 요소 온도를 15~20°C 낮춥니다.
  d. 트레이스 수축 방지: 10oz, 1.5mm 트레이스를 커넥터용 0.8mm로 좁히면 병목 현상이 발생하여 온도가 25°C 상승합니다. 너비 변경이 필요한 경우 점진적인 테이퍼(1:3 비율)를 사용하십시오.

사례 연구: 5oz 구리 플레인과 12개의 열 비아를 사용하는 50A 산업용 전원 공급 장치는 IGBT 접합부 온도를 120°C에서 85°C로 낮추어 구성 요소 수명을 3년에서 7년으로 연장했습니다.

3. 고전류용 비아 설계 최적화
비아는 고전류 설계에서 종종 간과되지만 레이어를 연결하고 전류를 전달하는 데 중요합니다.

  a. 구리 충전 비아 사용: 표준 도금 비아(25μm 구리)는 10~15A를 전달합니다. 구리 충전 비아(솔리드 구리 코어)는 직경에 따라 30~50A를 처리합니다. 0.5mm 충전 비아는 35A를 전달합니다. EV BMS 상호 연결에 이상적입니다.
  b. 비아 직경 증가: 50A 이상의 전류의 경우 여러 비아(예: 120A의 경우 4개의 0.5mm 충전 비아) 또는 더 큰 비아(0.8mm 직경 = 충전 비아당 50A)를 사용하십시오.
  c. 비아 스터브 방지: 사용하지 않는 비아 스터브(스루홀 비아에서 일반적)는 임피던스 불일치 및 열을 생성합니다. 고전류 경로의 경우 스터브를 백 드릴하거나 블라인드/매립 비아를 사용하십시오.

4. 호환 가능한 재료 선택
헤비 구리 PCB에는 고온 및 기계적 응력을 견딜 수 있는 재료가 필요합니다.

a. 기판(코어 재료):
   고Tg FR4(Tg ≥170°C): 대부분의 고전류 설계(예: EV BMS)에 표준입니다. 150°C 연속 작동 및 무연 리플로우(260°C)를 견딥니다.
   세라믹 충전 FR4(예: Rogers RO4835): 열 전도성 0.6 W/m·K(표준 FR4보다 2배 높음)는 태양광 인버터와 같은 70A+ 시스템에 이상적입니다.
   금속 코어 PCB(MCPCB): 헤비 구리를 알루미늄/구리 코어와 결합하여 열 전도성 1~5 W/m·K를 제공합니다. 고전력 LED 드라이버 및 EV 충전 모듈에 사용됩니다.
b. 구리 호일 유형:
   전해 구리: 3~7oz 두께에 비용 효율적입니다. 대부분의 애플리케이션에 적합합니다.
   압연 구리: 10oz+ 구리 및 유연한 헤비 구리 PCB(예: 접을 수 있는 EV 충전 케이블)에 더 높은 연성(균열 방지)을 제공합니다.
c. 솔더 마스크: 260°C 리플로우에 저항하고 구리 산화를 방지하는 DuPont PM-3300과 같은 고온 솔더 마스크(Tg ≥150°C)를 사용하십시오.

재료 비교 표:

5. 제조 가능성을 위한 레이아웃 모범 사례
헤비 구리(특히 7oz+)는 표준 구리보다 에칭 및 라미네이팅이 더 어렵습니다. 다음 일반적인 레이아웃 실수를 피하십시오.

 a. 트레이스 간격: 에칭 문제를 방지하기 위해 헤비 구리 트레이스 사이에 트레이스 너비의 2배 이상을 유지합니다. 1.0mm, 5oz 트레이스의 경우 2.0mm 간격을 사용하십시오.
 b. 가장자리 여유 공간: 라미네이션 중 박리 현상을 방지하기 위해 헤비 구리 트레이스를 PCB 가장자리에서 1.5mm 이상 유지하십시오.
 c. 에칭 보상: 헤비 구리는 더 느리게 에칭됩니다. 에칭 손실을 고려하여 설계에서 트레이스 너비에 0.05~0.1mm를 추가하십시오(예: 최종 너비가 1.0mm인 경우 1.05mm 트레이스 설계).
 d. 구성 요소 배치: SMD 구성 요소(예: 0402 저항)를 헤비 구리 트레이스에서 2mm 이내에 배치하지 마십시오. 트레이스의 열로 인해 납땜 중 작은 구성 요소가 손상될 수 있습니다.

레이아웃 실수 대 솔루션 표:

초고전류 시스템(100A+)을 위한 고급 설계 전략
EV 인버터(150A+) 및 산업용 정류기(200A+)와 같은 시스템의 경우 기본 헤비 구리 설계로는 충분하지 않습니다. 다음 고급 기술을 사용하십시오.

1. 병렬 트레이스 라우팅
단일 와이드 트레이스(예: 3mm 10oz) 대신 2~4개의 병렬 트레이스(예: 두 개의 1.5mm 10oz 트레이스)를 사용하여 다음을 수행합니다.

  a. 에칭 어려움 감소(와이드 트레이스는 언더컷되기 쉽습니다).
  b. 전류 분포 개선(병렬 트레이스는 저항 변화를 최소화합니다).
  c. 구성 요소 배치 용이(더 좁은 트레이스는 보드 공간을 확보합니다).

경험 법칙: 병렬 트레이스를 상호 가열을 방지하기 위해 너비의 1배 이상 간격으로 배치합니다. 1.5mm 간격으로 배치된 두 개의 1.5mm 10oz 트레이스는 160A를 전달합니다(하나의 1.5mm 트레이스의 경우 80A).

2. 버스 바 통합
200A+ 전류의 경우 헤비 구리 버스 바(15oz+ 구리, 2~3mm 두께)를 PCB에 통합합니다.

  a. 버스 바는 트레이스 제한 없이 보드 전체에 전류를 전달하는 '전력 고속도로' 역할을 합니다.
  b. 기계적 및 전기적 안정성을 위해 구리 충전 비아(0.8mm 직경, 5mm 간격)를 통해 버스 바를 PCB에 부착합니다.

예: 250A 산업용 모터 드라이브는 12개의 충전 비아가 있는 20oz 구리 버스 바를 사용하여 트레이스 전용 설계에 비해 전력 손실을 25% 줄입니다.

3. 열 인터페이스 재료(TIM)
헤비 구리 PCB를 TIM과 페어링하여 열을 외부 방열판으로 전달합니다.

  a. 50~100A 시스템의 경우 PCB와 방열판 사이에 열 그리스(열 전도성 3~6 W/m·K)를 사용합니다.
  b. 100A+ 시스템의 경우 열 패드(예: Bergquist Gap Pad)를 8~12 W/m·K 전도성으로 사용합니다. 공기 간극을 채우고 더 높은 압력을 처리합니다.

영향: TIM이 있는 100A EV 인버터는 TIM이 없는 경우에 비해 PCB 온도를 20°C 낮추어 인버터 수명을 3배 연장합니다.

일반적인 설계 함정과 이를 방지하는 방법
경험이 풍부한 설계자조차 헤비 구리 PCB로 실수를 합니다. 이를 포착하고 수정하는 방법은 다음과 같습니다.
1. 온도 상승 과소 평가
함정: 35A에 3oz, 1.0mm 트레이스(30A 정격 초과)를 사용하면 30°C 온도 상승 및 트레이스 산화가 발생합니다.
수정: 5oz, 1.0mm 트레이스(45A 정격) 또는 3oz, 1.2mm 트레이스(35A 정격)를 사용하여 온도 상승을 <10°C로 유지합니다.

2. 열 사이클링 스트레스 무시
함정: 두꺼운 구리(10oz+)와 표준 FR4는 열팽창 계수(CTE)가 일치하지 않아 500번의 열 사이클 후에 트레이스 균열이 발생합니다.
수정: 압연 구리(더 높은 연성) 및 고Tg FR4(구리에 더 가까운 CTE)를 사용하여 1,000번 이상의 사이클을 견딥니다.

3. 열악한 비아 열 완화
함정: 5oz 구리 플레인을 솔리드 패드가 있는 구성 요소에 연결하면 열이 갇혀 솔더 조인트 고장이 발생합니다.
수정: 열 전달과 납땜성을 균형 있게 유지하기 위해 4~6개의 슬롯(각 0.2mm 너비)이 있는 열 완화 패드를 사용합니다.

4. 납땜성 간과
함정: 10oz+ 구리 트레이스는 열 질량이 커서 솔더가 너무 빨리 냉각되어 콜드 조인트를 형성합니다.
수정: 납땜 중 PCB를 120°C로 예열하고 더 긴 리플로우 프로파일로 고온 솔더(예: SAC305, 융점 217°C)를 사용합니다.

고전류 시스템에서 헤비 구리 PCB의 실제 적용
헤비 구리 PCB는 고전류 및 신뢰성이 중요한 산업 전반에 걸쳐 혁신적입니다.
1. 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 EV
  a. EV 인버터: DC 배터리 전원을 모터용 AC로 변환(150~300A). Tesla Model Y 인버터는 5oz 구리 트레이스와 구리 충전 비아를 사용하여 3oz 설계에 비해 전력 손실을 18% 줄입니다.
  b. 배터리 관리 시스템(BMS): 배터리 셀을 모니터링하고 균형을 유지합니다(20~50A). Chevrolet Bolt BMS의 3oz 구리 트레이스는 균일한 전류 분포를 보장하여 배터리 수명을 2년 연장합니다.
  c. 충전 모듈: 급속 충전 시스템(100~200A)은 7oz 구리 버스 바와 알루미늄 MCPCB를 사용하여 고전류를 처리하고 열을 발산합니다.

2. 재생 에너지
 a. 태양광 인버터: DC 태양광 전원을 AC로 변환(50~100A). 10kW 태양광 인버터의 5oz 세라믹 충전 FR4 PCB는 핫스팟 온도를 25°C 낮추어 효율을 3% 향상시킵니다.
 b. 풍력 터빈 컨트롤러: 터빈 피치 및 전력 관리(80~120A). 10oz 압연 구리 PCB는 진동(20G) 및 온도 변화(-40°C ~ 85°C)를 견뎌 터빈당 연간 20,000달러의 유지 관리 비용을 절감합니다.

3. 산업 기계
  a. 모터 드라이브: AC 모터 속도 제어(30~80A). Siemens Sinamics V20 드라이브는 5oz 구리 플레인과 열 비아를 사용하여 표준 PCB 설계에 비해 드라이브 크기를 30% 줄입니다.
  b. 용접 장비: 고전류 아크 전달(150~200A). Lincoln Electric 용접기의 15oz 구리 버스 바는 과열 없이 200A를 처리하여 일관된 용접 품질을 보장합니다.

4. 의료 기기
  a. 휴대용 제세동기: 300A 충격 전달(단기). 10oz 트레이스 및 구리 충전 비아가 있는 헤비 구리 PCB는 응급 사용에 중요한 안정적인 전력 전달을 보장합니다.
  b. 투석기: 펌프 및 히터 전원 공급(20~40A). 3oz 고Tg FR4 PCB는 살균 화학 물질에 저항하고 안정성을 유지하여 ISO 13485 표준을 충족합니다.

고전류용 헤비 구리 PCB 설계에 대한 FAQ
Q: 헤비 구리 PCB에 사용할 수 있는 최대 구리 두께는 얼마입니까?
A: 상업 제조업체는 최대 20oz(700μm) 구리를 지원하지만, 대부분의 설계의 경우 10oz가 실용적인 제한입니다(15oz+는 특수 에칭 장비가 필요함). 극한의 고전류 요구 사항의 경우 맞춤형 군사/항공우주 설계는 30oz(1050μm)에 도달할 수 있습니다.

Q: 헤비 구리 PCB가 고속 신호(예: 5G)를 지원할 수 있습니까?
A: 예, 신중한 설계를 통해 가능합니다. 전력 경로에는 3~5oz 구리를 사용하고 고속 트레이스에는 1oz 구리를 사용하여 제어된 임피던스를 유지합니다. 플라즈마 에칭은 1Gbps+ 신호에 대해 0.1mm/0.1mm의 트레이스 너비/간격을 보장합니다.

Q: 고전류 성능을 위해 헤비 구리 PCB를 테스트하는 방법은 무엇입니까?
A: 다음 테스트를 수행합니다.

전류 사이클링: 트레이스 균열을 확인하기 위해 정격 전류의 120%를 1,000 사이클(-40°C ~ 125°C) 적용합니다.
열 화상: 적외선 카메라를 사용하여 핫스팟을 매핑합니다. 온도는 85°C 주변 온도에서 <125°C를 유지해야 합니다.
저항 측정: 시간 경과에 따른 트레이스 저항을 추적합니다. 10% 이상의 증가는 산화 또는 손상을 나타냅니다.

Q: 헤비 구리 PCB에 가장 적합한 설계 소프트웨어는 무엇입니까?
A: Altium Designer 및 Cadence Allegro에는 헤비 구리를 위한 내장 도구가 있습니다.

Altium: '헤비 구리' 설계 규칙 검사기(DRC) 및 전류 정격 계산기.
Cadence: 열 분포를 시뮬레이션하는 열 분석 모듈.

Q: 헤비 구리 PCB의 비용은 표준 PCB에 비해 얼마나 듭니까?
A: 3oz 구리는 1oz보다 2배 더 비쌉니다. 10oz 구리는 4~5배 더 비쌉니다. 프리미엄은 방열판 비용 절감(30~50% 절감) 및 구성 요소 수명 연장으로 상쇄됩니다.

결론
고전류 애플리케이션용 헤비 구리 PCB를 설계하는 것은 전류 용량과 제조 가능성, 열 관리와 비용, 내구성과 신호 무결성 사이의 균형을 맞추는 것입니다. IPC 표준을 따르고, 올바른 재료를 선택하고, 열 완화 및 비아 설계를 우선시함으로써 30A에서 200A 전류를 안정적으로 처리하는 보드를 만들 수 있습니다.

헤비 구리 PCB는 표준 PCB에서 단순히 '업그레이드'된 것이 아니라 EV에서 재생 에너지 시스템에 이르기까지 차세대 고전력 전자 제품에 필수적입니다. 이러한 산업이 성장함에 따라 스마트하고 효율적인 헤비 구리 설계에 대한 수요는 증가할 뿐이며, 이는 엔지니어와 제조업체에게 중요한 기술이 될 것입니다.

성공의 열쇠는 무엇입니까? 과도하게 설계하지 말고(예: 20A 설계에 10oz 구리 사용) 과소 설계하지 마십시오(예: 40A에 3oz). 구리 두께를 전류 요구 사항에 맞추고, 열 관리를 전략적으로 사용하고, 헤비 구리 제작 경험이 있는 제조업체와 협력하십시오. 이러한 단계를 통해 압력 하에서 성능을 발휘하는 PCB를 구축할 수 있습니다.