다층 PCB 에서 전도성 흔적 을 최적화 하는 것: 신뢰성 을 향상 시키는 안내서

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4~40개 이상의 레이어가 전력 분배, 고속 신호, 센서 데이터를 좁은 공간에 욱여넣는 다층 PCB의 복잡한 아키텍처에서 전도성 트레이스는 숨겨진 영웅입니다. 이러한 구리 경로는 전류를 전달하고, 데이터를 전송하며, 구성 요소를 연결하지만, 설계는 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 최적화되지 않은 트레이스는 과열, 신호 손실 또는 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. 자동차, 의료 또는 산업용 애플리케이션용 PCB를 설계하는 엔지니어에게 트레이스 형상, 재료 선택 및 레이아웃을 최적화하는 것은 단순한 모범 사례가 아니라 필수 사항입니다. 이 가이드는 다층 PCB가 10년 이상 안정적으로 작동하도록 열 응력, 진동 및 시간에 견딜 수 있는 트레이스를 엔지니어링하는 방법을 설명합니다.

주요 내용
  1. 전도성 트레이스의 신뢰성은 구리 두께, 너비, 간격 및 재료에 따라 달라지며, 각 요소는 전류 용량, 열 발산 및 신호 무결성에 영향을 미칩니다.
  2. 트레이스 너비를 30% 늘리면 동일한 전류 부하에서 온도 상승이 50% 감소하며, EV 인버터와 같은 고전력 애플리케이션에 중요합니다.
  3. IPC-2221 표준은 트레이스 설계를 안내하며, 너비/두께를 전류 처리와 연결하는 공식이 있습니다(예: 1oz 구리, 0.010” 너비는 30°C 온도 상승에서 2.5A를 안전하게 전달합니다).
  4. 다층 PCB는 전략적 트레이스 라우팅이 필요합니다. 전원/접지 레이어 분리, 비아 최소화, EMI 및 기계적 응력 감소를 위해 날카로운 각도 방지.

다층 PCB에서 전도성 트레이스의 중요한 역할
전도성 트레이스는 단순히 “보드의 와이어” 이상이며, 다음을 담당하는 다층 PCB의 순환계입니다.

  a. 전력 분배: 여러 레이어에서 구성 요소에 안정적인 전압을 전달합니다(예: 마이크로컨트롤러에 12V, 모터에 48V).
  b. 신호 전송: 최소한의 손실이나 왜곡으로 고속 데이터(5G 시스템에서 최대 100Gbps)를 전달합니다.
  c. 열 관리: 열 전도체 역할을 하여 뜨거운 구성 요소(예: FPGA, 전력 트랜지스터)에서 방열판으로 과도한 열을 전달합니다.

다층 설계에서 트레이스는 비아를 통과하고, 인접 레이어와의 누화(crosstalk)를 피하며, 열 사이클링으로 인한 레이어 간 팽창으로 인한 기계적 응력을 견뎌야 하는 고유한 문제에 직면합니다. 20층 자동차 PCB에서 단일 트레이스 고장으로 인해 전체 ADAS 시스템이 비활성화될 수 있으므로 최적화는 안전에 중요한 작업입니다.

트레이스 신뢰성을 저하시키는 요인
설계, 재료 또는 환경적 요인이 용량을 압도하면 트레이스가 고장납니다. 일반적인 원인은 다음과 같습니다.

1. 열 응력
과도한 전류는 트레이스를 가열하여 구리를 약화시키고 산화를 가속화합니다.

  주변 온도보다 10°C 상승하면 구리의 피로 수명이 30% 감소합니다.
  150°C에서 구리가 부드러워지기 시작하여 저항이 증가하고 인접한 유전체(예: FR-4)를 녹이는 핫스팟이 생성됩니다.

고전력 다층 PCB(예: EV 배터리 관리 시스템)에서 트레이스 온도는 부하 시 120°C 이상으로 급증할 수 있으므로 열 설계가 가장 중요합니다.

2. 기계적 피로
다층 PCB는 온도 변화에 따라 팽창 및 수축하여 트레이스에 응력을 가합니다.

  구리(17ppm/°C)와 FR-4(14~20ppm/°C) 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치는 열 사이클 동안 트레이스 늘어짐/압축을 유발합니다.
  진동(예: 자동차 애플리케이션에서 20G)은 이를 악화시켜 비아 연결부에서 “트레이스 크리프” 또는 균열을 유발합니다.

IEEE의 연구에 따르면 산업 환경에서 다층 PCB 고장의 42%가 트레이스의 기계적 피로와 관련이 있습니다.

3. 신호 무결성 손실
고속 설계에서 최적화되지 않은 트레이스는 다음을 통해 신호를 저하시킵니다.

  누화: 인접한 트레이스 간의 전자기 간섭(병렬 실행이 0.5” 이상인 경우 더 심함).
  임피던스 불일치: 트레이스 너비/두께의 변화는 신호 반사를 유발합니다(5G에서 중요하며, <5% 임피던스 변화가 필요합니다).
  표피 효과: 1GHz 이상의 주파수에서 전류가 트레이스 표면에 집중되어 저항과 손실이 증가합니다.

4. 부식
습기, 화학 물질 또는 플럭스 잔류물은 구리 트레이스를 부식시킬 수 있습니다.

  습한 환경(예: 실외 센서)에서 보호되지 않은 트레이스는 산화물 층을 형성하여 5년 동안 저항을 20~50% 증가시킵니다.
  오일 또는 냉각수에 노출된 산업용 PCB는 트레이스를 밀봉하기 위해 컨포멀 코팅이 필요하지만, 코팅에 틈새(종종 비아 근처)가 있으면 부식이 가속화됩니다.

IPC-2221: 트레이스 설계의 골드 표준
IPC-2221 표준은 다음을 기반으로 안전한 전류 용량을 계산하는 공식을 사용하여 트레이스 설계를 위한 프레임워크를 제공합니다.

  a. 구리 두께: 온스(oz) 단위로 측정되며, 1oz = 0.0014”(35μm) 두께입니다.
  b. 트레이스 너비: 전류 처리 및 저항에 영향을 미치는 수평 치수(인치 또는 mm).
  c. 온도 상승: 주변 온도보다 허용 가능한 최대 열 증가(°C)(일반적으로 20~40°C).

주요 IPC-2221 공식
지정된 구리 두께의 경우, 대략적인 전류 용량(I)은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
I = k × (너비 × 두께)^0.725 × (ΔT)^0.44
여기서:

  a. k = 상수(내부 레이어의 경우 0.048, 열 발산이 더 우수한 외부 레이어의 경우 0.024).
  b. ΔT = 온도 상승(°C).

다층 PCB를 위한 트레이스 최적화 전략
신뢰할 수 있는 트레이스를 엔지니어링하려면 전류, 열, 신호 무결성 및 기계적 탄성을 균형 있게 유지해야 합니다. 각 요소를 최적화하는 방법은 다음과 같습니다.

1. 구리 두께: 전류와 무게의 균형
구리 두께는 전류 처리 및 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 더 두꺼운 구리(2oz 대 1oz)는 더 많은 전류를 전달하지만 무게와 비용이 추가됩니다.

참고: 외부 트레이스(외부 레이어)는 공기로의 열 발산이 더 우수하기 때문에 내부 트레이스보다 ~20% 더 많은 전류를 전달합니다.

2. 트레이스 너비: 전류 및 열에 맞게 크기 조정
더 넓은 트레이스는 저항과 열 축적을 줄입니다. 예를 들어:

  a. 0.010” 너비의 1oz 구리 트레이스는 30°C 상승으로 2.5A를 전달합니다.
  b. 너비를 0.020”으로 늘리면 전류 용량이 동일한 온도 상승에서 5A로 두 배가 됩니다.

고전력 영역(예: 배터리 연결)에서 “두꺼운 트레이스”(0.050”+ 너비) 또는 구리 쏟아내기(크고 단단한 구리 영역)는 전류와 열을 분산시켜 핫스팟을 방지합니다.

3. 라우팅: 응력 및 EMI 최소화
다층 PCB는 간섭 및 기계적 변형을 방지하기 위해 전략적 트레이스 라우팅이 필요합니다.

  a. 날카로운 각도 방지: 90° 모서리는 EMI 핫스팟을 생성하고 기계적 응력을 집중시킵니다. 45° 각도 또는 둥근 모서리(반경 ≥3x 트레이스 너비)를 사용하여 응력을 60% 줄입니다.
  b. 전원/신호 트레이스 분리: 고전류 전원 트레이스(1A+)를 전용 레이어로 라우팅하고, 고속 신호 트레이스(예: PCIe, 이더넷)를 라우팅하여 누화를 방지합니다.
  c. 비아 최소화: 각 비아는 저항을 추가하고 고속 신호를 반사하는 “스텁”을 생성합니다. 다층 PCB에서 블라인드/내장 비아를 사용하여 트레이스 길이를 30% 줄입니다.
  d. 접지면: EMI로부터 보호하고 열 싱크 경로를 제공하기 위해 신호 레이어에 인접한 단단한 접지면을 배치합니다.

4. 열 관리: 뜨거운 트레이스 냉각
크기가 적절한 트레이스도 밀도가 높고 고전력 PCB에서 과열될 수 있습니다. 솔루션은 다음과 같습니다.

  a. 열 비아: 전원 트레이스를 따라 0.100”마다 비아(0.020” 직경)를 배치하여 열을 내부 접지면으로 전달하여 온도를 15~20°C 낮춥니다.
  b. 구리 쏟아내기: 전원 트레이스를 큰 구리 영역(예: 1”×1” 쏟아내기)에 연결하면 열 발산 영역이 증가하여 트레이스 온도가 5A 전류에서 25°C 낮아집니다.
  c. 방열판: 극한의 경우(예: 산업용 PCB의 10A+ 트레이스) 열 접착제를 사용하여 트레이스 레이어에 방열판을 접착합니다.

5. 부식 방지: 시간이 지남에 따라 트레이스 보호
부식을 방지하면 특히 가혹한 환경에서 트레이스 수명이 연장됩니다.

  a. 솔더 마스크: 솔더 마스크(액체 또는 드라이 필름)로 트레이스를 덮으면 습기와 화학 물질이 차단됩니다. 패드 영역만 노출합니다.
  b. 컨포멀 코팅: 실외/산업용 PCB의 경우 실리콘 또는 우레탄 코팅은 보호층을 추가하여 염수 분무 테스트에서 부식을 70% 줄입니다.
  c. 도금된 트레이스: 금 또는 주석 도금(예: ENIG 마감)은 고습도 애플리케이션(예: 해양 센서)에서 구리를 보호합니다.

특정 다층 PCB 애플리케이션을 위한 트레이스 설계
다양한 산업 분야에서 맞춤형 트레이스 최적화가 필요합니다.
1. 자동차 전자 제품
차량은 PCB를 -40°C~125°C 온도, 20G 진동 및 오일/냉각수 노출에 노출시킵니다. 트레이스 설계는 다음 사항에 중점을 둡니다.

  a. 두꺼운 구리(2oz): EV 인버터(600V, 50A+)의 전원 트레이스의 경우 열 사이클링을 견딜 수 있도록 합니다.
  b. 둥근 모서리: 차량 진동 시 약간 구부러지는 ADAS 센서 트레이스의 응력 감소.
  c. 부식 방지: 배터리 누출로 인한 산에 저항하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS) 트레이스에 주석 도금.

2. 의료 기기
의료 PCB는 정밀도와 생체 적합성이 필요합니다.

  a. 미세 트레이스(0.003” 너비): MRI 기기의 12+ 레이어 PCB에서 최소한의 노이즈로 저전류(mA) 신호를 전달합니다.
  b. 금 도금: 조직 반응 및 부식을 방지하기 위해 이식형 장치(예: 심박 조율기)의 트레이스에 사용.
  c. 저항 경로: 생명 유지 구성 요소(예: 제세동기 커패시터)에 안정적인 전력 공급 보장.

3. 산업 및 항공 우주
고신뢰성 환경에서는 견고한 트레이스가 필요합니다.

  a. 3oz 구리: 산업용 모터 컨트롤러에서 10°C 온도 상승으로 10A+ 전류 처리.
  b. 무접착 적층: 항공 우주 PCB에서 극한의 온도 변화(-55°C~125°C) 동안 트레이스 박리 위험 감소.
  c. EMI 차폐: 간섭을 최소화하기 위해 레이더 PCB(28GHz+)의 신호 트레이스에 인접한 접지면.

테스트 및 유효성 검사: 트레이스 신뢰성 보장
엄격한 테스트 없이는 설계가 완료되지 않습니다.

  a. 열 화상: FLIR 카메라는 핫스팟을 식별합니다(대상: <30°C는 중요한 트레이스에 대해 주변 온도보다 상승).
  b. 전류 사이클링: 실제 부하 변화를 시뮬레이션하기 위해 10,000개 이상의 전류 펄스(예: 1Hz에서 0~5A)로 트레이스를 테스트합니다.
  c. 진동 테스트: 트레이스 균열 또는 비아 고장을 확인하기 위해 셰이커 테이블(10~2000Hz)에 PCB를 장착합니다.
  d. 임피던스 테스트: 고속 트레이스에서 50Ω/100Ω 임피던스를 확인하기 위해 TDR(Time Domain Reflectometry)을 사용하여 신호 무결성을 보장합니다.

FAQ
Q: 트레이스 너비를 늘리면 PCB 비용에 얼마나 영향을 미칩니까?
A: 더 넓은 트레이스는 라우팅 밀도를 줄여 잠재적으로 더 많은 레이어가 필요할 수 있습니다(비용을 20~30% 증가시킴). 고전류 설계의 경우 이는 고장률 감소로 상쇄됩니다. 자동차 OEM은 최적화된 전원 트레이스로 보증 청구가 40% 감소했다고 보고합니다.

Q: 다층 PCB의 내부 트레이스가 외부 트레이스와 동일한 전류를 전달할 수 있습니까?
A: 아니요. 외부 트레이스는 공기로 열을 발산하므로 내부 트레이스(다른 레이어로의 전도에 의존)보다 ~20% 더 많은 전류를 전달합니다. 1oz, 0.010” 외부 트레이스는 2.5A를 전달하고, 동일한 내부 트레이스는 ~2.0A를 전달합니다.

Q: 다층 PCB에 실용적인 최소 트레이스 너비는 얼마입니까?
A: 상업용 PCB는 미세 피치 구성 요소(예: 0.4mm BGA)에 0.003”(75μm) 트레이스를 사용합니다. 고급 설계(항공 우주)는 0.001”(25μm) 트레이스를 사용하지만 엄격한 제조 공차(±10%)가 필요합니다.

Q: 비아가 트레이스 신뢰성에 어떤 영향을 미칩니까?
A: 비아는 저항과 기계적 응력 지점을 생성합니다. 각 비아는 ~0.01Ω 저항을 추가하고, 비아를 쌓으면(3개 이상의 레이어 연결) 열 사이클링 중에 응력이 증가합니다. 고전류 트레이스에서 비아 수를 제한하고, “열 비아”(더 큰 직경, 0.020”)를 사용하여 저항을 줄입니다.

결론
다층 PCB에서 전도성 트레이스를 최적화하는 것은 전류 용량, 열 관리, 신호 무결성 및 환경 탄성을 균형 있게 유지하는 전체적인 프로세스입니다. IPC-2221 표준을 따르고, 적절한 구리 두께를 선택하고, 전략적으로 라우팅하고, 부식으로부터 보호함으로써 엔지니어는 트레이스가 수십 년 동안 안정적으로 작동하도록 할 수 있습니다. 5G 기지국에서 자율 주행 차량에 이르기까지 점점 더 복잡해지는 전자 제품 시대에 트레이스 설계는 단순한 세부 사항이 아니라 PCB 신뢰성의 기반입니다.

이러한 최적화를 우선시함으로써 제조업체는 고장을 줄이고, 보증 비용을 낮추며, 제품에 대한 신뢰를 구축합니다. 엔지니어의 목표는 분명합니다. 첫날에 단순히 “작동”하는 것이 아니라 앞으로 몇 년 동안 가장 어려운 조건에서도 번창하는 트레이스를 설계하는 것입니다.