무거운 구리 열 완화: 암페어와 납땜 사이의 전쟁

스크린에서, 스키매틱이 검증되고 Altium의 DRC는 깨끗하며, 전력 평면은 100암페어를 무리 없이 전달하도록 설계된 3oz 구리의 거대한 판이다. 화면상에서는 저임피던스 라우팅의 걸작처럼 보인다. 넷이 완전히 연결되어 있고, 에어와이어는 사라졌으며, 시뮬레이션은 현재를 위한 아름답고 차가운 푸른 경로를 보여준다.

그런데 보드가 제작사에서 돌아오면, 벽돌이 된다.

커넥터는 납땜이 차갑고 조각져서 빠진다. 전원 FET는 현장에서 고장이 나는데, 이는 실제로 패드에 잘 적셔지지 않아서 높은 저항 접촉이 되어 열이 올라가 결국 깨지기 때문이다. 회로를 설계한 것이 아니라, 리플로우 오븐의 열 에너지를 통째로 삼킨 방열판을 설계한 것이다.

이것이 전력 PCB 설계의 근본적인 충돌이다. 많은 전류를 흐르게 하는 데 필요한 구리 형상은 종종 신뢰할 수 있는 납땜 접합을 방해하는 바로 그 형상이다. 물리학은 네트리스트 연결에 신경 쓰지 않는다. 납땜이 흐를 수 없다면, 보드가 아니다.

벽돌의 열역학

전기공학자로 생각하는 것을 멈추고, 열 흐름을 다루는 배관공처럼 생각해라. 큰 구리 평면(특히 2oz, 3oz 또는 그 이상일 때)에 직접 부품 패드를 놓는 것은 작은 용융 금속 풀을 거대한 열 저장소에 연결하는 것이다.

리플로우 오븐이나 납땜 인두가 그 패드에 닿으면, 일반적으로 SAC305의 경우 약 217°C로 납이 녹는 온도까지 국부 온도를 높이려고 시도한다. 그러나 구리는 뛰어난 도체이다. 그 거대한 접지 평면은 고속도로처럼 작용하여 열 에너지를 빠르게 패드에서 멀리 옮긴다. 이는 바닥이 배수구가 달린 소방호스를 채우려는 것과 같다. 인두를 450°C까지 높일 수 있지만, 접합부에 열이 머무르지 않고 평면으로 방출된다.

그 결과는 “콜드 조인트”다. 납은 부품 리드에서 녹을 수 있지만, 구리 패드에 닿는 순간 얼어붙는다. 이는 마치 수은 방울처럼 표면에 뭉쳐서 매끄럽게 흐르지 않고 구슬처럼 둥글게 만든다. 작업자가 45초 동안 인두를 그 자리에서 유지하려 하면, 보통은 패드를 박리하거나, 납이 적시기 전에 플럭스를 태워버리기 때문이다. 이는 일반적으로 사람들이 도구를 탓하며, 더 강한 와트수의 인두가 필요하다고 생각하는 곳이다. 그러나 무거운 끝이 달린 Metcal MX-500조차 4oz 평면과 싸울 수 없다. 열 질량이 항상 승리한다.

"직접 연결" 신화

전력 전자공학에서 지속적으로 회자되는 신화는 고전류 경로가 반드시 직접 접속 폴리곤을 사용하세요. 논리는 sound해 보입니다: 구리 경로의 제한이 있으면 저항이 증가하고, 이는 열을 증가시킵니다. 따라서 열을 최소화하려면 구리 접촉을 최대화해야 합니다.

그 논리는 위험합니다. 제조 현장을 무시하기 때문입니다. 냉납땜이 발생하는 직설 연결은 온도 완화 스포크를 통한 적절히 적신 조인트보다 접촉 저항이 훨씬 높습니다. 그 냉납땜은 시한 폭탄과 같습니다. 열 순환—모터 컨트롤러가 가열되고 냉각되는 것과 같은—에서 냉납땜의 미세 구조가 깨지면 저항이 치솟고, 접합부가 가열되며 결국 파손된 회로 또는 화재가 발생할 수 있습니다.

이것은 큰 커넥터에만 국한된 것이 아닙니다. 동일한 열 불균형은 작은 수동 부품에서도 템스턴을 유발합니다. 신호 트레이스를 접지 평면에 연결하는 0603 커패시터가 있고 접지 측에 직접 연결을 사용하는 경우, 신호 측의 솔더가 먼저 녹습니다. 표면 장력은 부품을 세우면서 세운 상태로 끌어올립니다. 리플로우 오븐은 보드를 고르게 가열하지만, 보드는 받아들입니다. 열을 고르게 받지 않습니다. 임피던스 불연속성이 중요한 RF 작업이나, 스포크를 즉시 증발시킬 수 있을 만큼 높은 펄스 전류를 다루지 않는 한, 전원 평면에 대한 직접 연결은 보통 최적화로 위장된 설계 결함입니다.

타협 계산

열 완화 도입: 패드를 평면에 연결하는 차량바퀴 스포크입니다. 이는 열 방벽 역할을 하여, 리플로우 기간인 60-90초 동안에 패드가 온도에 도달할 수 있도록 열 흐름을 적당히 제한합니다.

이것이 두려움이 발생하는 지점입니다. 스포크를 너무 얇게 만들면 퓨즈처럼 작동하게 됩니다.

CAD 기본값은 당신을 죽일 수 있습니다. KiCad 또는 Eagle의 표준 규칙은 신호 층에 맞게 조정되어 있으며, 20암페어를 밀어넣으면 즉시 증발하는 10밀 스포크를 만듭니다. 실제 부하에 따라 스포크 너비를 계산해야 합니다. 절충안은 충분한 구리를 사용하여 전류를 운반하면서도 열을 차단하는 것 입니다.

기본부터 시작하세요. 핀당 전류를 파악하세요. 만약 커넥터 핀이 40암페어를 운반한다면, 스포크가 40암페어를 독립적으로 운반해야 한다고 가정하지 마세요. 보통 핀 자체가 병목이지만, 그 부하를 지원해야 한다고 가정해 봅시다. IPC-2152 표준을 사용하여 특정 온도 상승에 필요한 트레이스 너비를 결정하세요. 만약 10°C의 상승과 함께 해당 전류를 운반하기 위해 100밀 구리 너비가 필요하고, 네 개의 스포크가 있다면, 각 스포크는 25밀 너비가 필요합니다.

하지만 잠시만요. 3온스 구리의 25밀 스포크는 여전히 상당한 열 파이프입니다. 표준 리플로우 프로파일에 대해 너무 열 전도율이 높을 수 있습니다. 스포크 수를 두 개의 더 넓은 스포크로 줄이거나, 더 긴 열 경로를 만들기 위해 스포크 길이를 늘려야 할 수도 있습니다. 이것은 반복적인 과정입니다. 스포크가 퓨즈(전기적 고장) 되는 위험과 조인트가 제대로 적시되지 않는(기계적 고장) 위험 사이의 균형을 잡는 과정입니다.

여기에는 불확실성이 존재합니다. IPC 표준은 보수적이며, 실제 성능은 공기 흐름과 특정 기판의 열 전도율에 따라 달라집니다. 하지만, 상상보다 수학적 계산에 의존하는 것이 더 낫습니다. 일부 디자이너는 패드 주변에 비아를 스티치하여 수직 전류 흐름을 늘리려고 시도하지만, 모든 도금 관통 구멍이 표면에서 열을 잡아당기는 또 다른 열 고리임을 기억하세요.

DFM 현실: 기술자의 투쟁

이 계산들을 무시하고 플레인에 홍수를 일으키면 사실상 조립 현장에 선전포고를 하는 것과 같습니다. 열 방출이 나쁜 보드가 재작업 벤치에 닿았을 때, 그것은 악몽이 됩니다.

기술자가 보드에 있는 MOSFET을 교체하려고 한다고 상상해 보세요. 그들은 인두를 대지만 아무 일도 일어나지 않습니다. 납땜이 녹지 않습니다. 그들은 접촉 면적을 늘리기 위해 팁에 새 납을 추가합니다. 이제는 걸쭉한 냄비 같은 상태입니다. 그들은 히트 플레이트를 잡고, 보드를 고정시킨 후, 전체 어셈블리를 150°C로 예열해야 합니다—커패시터의 전해질을 굽는 것과 같죠—그냥 인두가 간극을 메울 수 있도록 열 차이를 충분히 낮추기 위해서입니다.

이 열 스트레스는 FR-4 재료를 손상시키고, 보드상의 다른 모든 구성 요소의 수명을 단축시킵니다. 직결 방식을 사용하면 2밀리옴의 저항을 줄일 수 있지만, 회사에는 수천 달러의 재작업 시간과 스크랩된 조립품이라는 비용이 듭니다. 재작업이 불가능한 보드는 일회용 보드입니다. 만약 버려지는 소비자 장난감을 만든 것이 아니라면, 재작업 가능성은 필수 조건입니다.

오븐용 설계

목표는 간단합니다: 열이 필요한 곳에 머물도록 속여서, 납땜 연결부를 진짜로 만들어주는 금속간 결합을 형성할 수 있을 만큼만 유지하는 것입니다.

CAD 도구에 휘둘리지 마세요. 설계 규칙에 들어가서 전원 네트에 대한 구체적인 클래스를 설정하세요. 소프트웨어가 글로벌 기본값 대신 계산된 열 스포크를 사용하도록 강요하세요. 이러한 규칙을 세우고 검증하는 데 레이아웃 단계에서 한 시간이 더 걸리지만, 그 시간은 첫 프로토타입에서 커넥터가 떨어지는 경우 수 주의 시간 절약으로 이어집니다.

우리는 완벽한 전기 회로도를 찾는 데 자주 길을 잃고, 전자가 경로를 가지면 작업이 끝났다고 생각하지만, 제조 과정이 실패하면 전자는 흐를 기회를 갖지 못합니다. 무거운 구리는 열역학에 대해 깊이 생각해야 합니다. 열을 존중하고, 패드에서 흐름을 차단하며, 납땜이 제 역할을 할 수 있도록 하세요.