PCB Design을 하다보니 궁금한 게 많이 생기는 거 같습니다. 한번 쭉 나열을 해볼까요?
- PCB 레이어를 몇 개로 할까?
- GND Plane, Power Plane을 별도 만들까? 만든다면 레이어 어디다가 배치할까?
- 5V, 3.3V 전원선 트레이스 폭은 어느 정도로 해야 될까?
- 5V, 3.3V 전원선 보다 큰 배터리(ex. 7.4V 2S) 전원선은 어느 정도로 해야 될까?
- 큰 전류를 감당하려면 최소한 트레이스 폭은 어느 정도 되어야 할까? 만약에 이걸 무시하면?
- 열 관리는 어떻게 할까?
- 부품의 풋프린트가 없으면 어떻게 새로 만들까?
하다보면 이게 맞는 걸까? 이렇게 하면 될까? 선택의 순간이 수 없이 생깁니다. 정답이 있는 것도 있고 없는 것도 있습니다. 다시 말해 이건 지켜야 되는 거고, 이건 내가 선택하면 되는 것도 있습니다.
사실 오랜 경험이 있어야겠죠. 경험이 쌓이고 이건 좀 아닌거 같고, 이건 괜찮을 거 같고. 이런 노하우가 쌓여야 될텐데 실패하는 경험도 있어야 될 거고요. 저는 아직 한참 걸음마 단계라서 어렵습니다.
일단 저는 이번에 PCB Design 하다가 궁금한 것들을 영상도 보고 글도 보고 AI한테 물어보면서 어찌저찌 해봤습니다만... 이번시간엔 그런 내용을 정리를 해보려고 합니다.
트레이스가 감당 가능한 전류는?
가장 처음에 궁금하고 어려웠던 건 이 질문이었습니다. 저는 드론에 대한 PCB를 만들어보고 있습니다. 모터 하나 당 최대 12A 출력을 낼 수 있고요. 총 4개를 사용한 쿼드 콥터 드론을 만들려고 하기 때문에 최대 48A 전류를 내보내야 합니다.
배터리 한개와 ESC 4개, 모터 4개를 연결해야 하는데, ESC와 모터는 외부에서 연결하고요. 배터리와 ESC 4개를 PCB를 통해 연결 및 분배를 하려다보니, 트레이스 폭은 도대체 몇으로 해야 될지 감이 안잡히더라고요. 만약에 그냥 무작정 이정도면 되겠지~ 라는 생각으로 만들었다가 감당이 불가능한 열이 발생하면 어떻게 하지...? 이런 생각도 들었고요.
💻 참고: EEVblog 1559 - PCB Design: Trace Current Rating
그래서 비슷한 질문을 다룬 영상을 찾아봤는데요. 이 동영상은 PCB 트레이스에 70~80A의 전류를 흘릴 수 있도록 설계하는 방법에 대한 질문에 답합니다. 특히 단일 PCB 레이어에서 해결할 수 있는지에 대한 질문에 답변을 합니다.
무엇이 문제인가
가장 먼저 생각해야 할 것은 이것입니다. 어떤 도체에 전류를 흘리면 그 도체에는 반드시 저항이 존재합니다. PCB의 구리도 물론 도체입니다. 그리고 옴의 법칙에 따라 저항이 있고 전류가 흐르면 그에 따른 전압 강하가 발생합니다. 이것은 문제가 될 수 있습니다.
또 하나 중요한 것은 전력 손실입니다. 전류가 흐르면 I²R 손실로 인해 열이 발생합니다. 즉, 전류의 제곱에 트레이스의 저항을 곱한 만큼 전력이 소모되면서 열이 발생합니다.
이 문제를 다루기 위해서는 몇 가지 방법이 있습니다. 일반적으로는 경험적인 규칙도 있고 특정 전류에 대해 필요한 트레이스 폭을 대략적으로 보여주는 간단한 차트들도 있습니다. 하지만 실제로는 그 뒤에 훨씬 더 많은 공학적, 과학적인 계산이 있습니다.
PCB 트레이스 계산기
우리에게 유용한 도구가 있습니다. 이 프로그램은 Saturn PCB Design Toolkit 인데 무료로 다운로드 할 수 있습니다. 이것을 이용해 여러 상황에 대해 트레이스 계산을 해볼 수 있습니다.
💻 다운로드: https://saturnpcb.com/
이 프로그램에는 정말 다양한 기능이 있다고 하는데 여기서는 우리가 필요한 것만 설명하겠습니다. 우리는 "Conductor Properties(도체 특성)"에 대한 계산 기능이 필요합니다. 여기에서 여러 가지 파라미터를 입력할 수 있습니다. 그러면 프로그램이 도체의 DC 저항, 즉 해당 트레이스가 가지는 저항을 계산해 줍니다. 또한, 전압 강하와 해당 도체가 처리할 수 있는 최대 전류도 계산해 줍니다.
하지만 이런 계산에는 고려해야 할 요소가 꽤 많습니다. 그 부분을 한번 살펴보겠습니다.
전류 처리 계산에서 중요한 요소
특정 PCB 트레이스가 처리할 수 있는 최대 전류를 결정하는 주요 요소는 세 가지가 있습니다. "트레이스 폭과 구리 두께(무게), 그리고 PCB 스택업" 입니다.
첫 번째는 당연히 트레이스의 크기, 즉 폭입니다. 아주 얇고 작은 트레이스, 예를 들어 10 thou (0.254mm = 0.01 inch) 정도의 트레이스라면 큰 전류를 흐르게 할 수 없습니다. 트레이스를 더 두껍고 더 넓게 만들수록 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 왜냐하면 트레이스 폭이 넓어지면 저항이 줄어들기 때문입니다. 저항이 줄어들면 I²R 손실도 줄어들고 발생하는 열도 줄어듭니다. 그래서 이것이 가장 중요한 첫 번째 요소입니다.
📌 참고. mils(밀)은 1/1000 인치(0.001 inch)를 의미합니다. 흔히 thou라고도 불립니다.
두 번째 요소는 구리의 두께(무게)입니다. PCB는 다양한 구리 두께로 제작될 수 있습니다. 여기서는 미터법 같은 건 쓰지 않겠습니다. 이 분야에서는 보통 임페리얼 단위를 사용합니다. PCB 제작을 주문할 때는 PCB 스택업에 있는 각 레이어의 구리 두께를 지정할 수 있습니다.
기본적으로 PCB 안에 있는 모든 구리 레이어를 생각해 보면 됩니다. 예를 들어 8층 보드(8-layer board) 라면 그 안에는 8개의 구리 레이어가 있습니다. 그리고 각 레이어의 구리 두께를 개별적으로 지정할 수 있습니다. 이것을 PCB 스택업(stack-up) 이라고 합니다.
예를 들어 보드의 특정 영역이나 특정 레이어에서 매우 큰 전류를 흘려야 한다면 "이 레이어에는 더 두꺼운 구리를 사용해 주세요" 라고 제조사에 요청할 수 있습니다. 그러면 제조사가 그렇게 제작해 줍니다. 만약 이런 것을 아무것도 지정하지 않으면 제조사는 기본 스택업을 사용합니다.
일반적으로 기본값은 1온스 구리(1 oz copper) 입니다. 이것은 약 35 마이크로미터(µm) 두께입니다. 0.035mm = 0.0014 inch = 1.4 mil 입니다. 이야 엄청 얇네요.
아래 그림이 PCB 단면인가봅니다. 중간에는 비아인가요? 스루홀? 아무튼 여러 층이 있고 1oz와 0.5oz 처럼 레이어에 구리 두께를 지정할 수 있다는 걸 보여주네요.
구리 두께
1온스 구리는 일반적으로 사용되는 표준 두께입니다. 하지만 멀티레이어 보드의 경우 내부 레이어에는 0.5온스 또는 심지어 0.25온스두께의 구리를 사용하는 경우도 많습니다. 그래서 만약 이를 따로 지정하지 않으면 실제로 어떤 두께의 구리를 받게 될지는 제조사에 따라 달라질 수 있습니다.
📌 참고. 멀티 레이어(다층 PCB)는 3 Layer 이상 보통 4, 6, 8 이상 레이어를 말합니다. 1 Layer는 단면 PCB, 2 Layer를 양면 PCB 라고 부릅니다. (난 2층부터 멀티인줄 알았는데)
물론 기본적으로 1온스보다 더 두꺼운 구리를 제조사가 알아서 넣어 주는 일은 없습니다. 구리는 비싸기 때문입니다. 제조사는 비용을 낮추려고 하기 때문에 특별히 요청하지 않으면 보드의 어떤 레이어에서도 1온스보다 두꺼운 구리를 사용하지 않습니다. 하지만 명확하게 요청하면 보통 2온스 구리로 올릴 수 있습니다. 이 경우 두께가 두 배가 되기 때문에 저항이 더 낮아집니다.
그리고 4온스나 5온스 정도가 되면 정말 두꺼운 구리라고 할 수 있습니다. 이 정도는 상당히 두껍고 비용도 많이 듭니다. 이런 두께는 보통 특수한 애플리케이션에서 사용됩니다. 예를 들어 매우 높은 전류를 처리해야 하는 보드인데 보드 밀도가 높아서 트레이스를 넓게 만들 수 없는 경우입니다. 라우팅 공간이 매우 좁다면 트레이스를 크게 만들 수 없기 때문에 대신 4온스나 5온스 구리를 사용해야 할 수도 있습니다.
외부 레이어와 내부 레이어의 차이
또 하나의 파라미터가 있습니다. 앞의 것들만큼 중요하지는 않지만 그래도 영향을 줍니다. 그것은 구리가 PCB의 외부 레이어에 있는지, 즉 위쪽이나 아래쪽 레이어에 있는지, 아니면 PCB 내부 레이어에 있는지입니다.
도체가 열을 발생시키고 있는데 그 도체가 PCB 내부에 끼워져 있다고 생각해 보세요. 보드 중앙에 샌드위치처럼 레이어 사이에 끼워져 있는 구조입니다. PCB의 유리섬유(FR-4) 는 꽤 좋은 절연체입니다. 그래서 열이 밖으로 빠져나가기 어렵습니다. 열이 내부에 갇히게 되고 온도가 더 높아지게 됩니다. 온도가 올라가면 도체의 저항도 증가합니다. 그래서 완전히 폭주하는 수준은 아니더라도 온도가 올라갈수록 저항이 더 커지게 됩니다. (악순환이네)
반면에 외부 레이어에 있는 트레이스는 공기와 접촉하고 있기 때문에 훨씬 더 쉽게 냉각됩니다.
또 하나 영향을 주는 것이 있습니다. 바로 솔더 마스크(solder mask) 입니다. 트레이스 위에 솔더 마스크가 덮여 있다면 그것 역시 구리 위에 있는 절연층입니다. 그래서 이것도 열 방출에 어느 정도 영향을 줄 수 있습니다. 참고로 솔더 마스크는 초록색 칠한거 라고 보면 됩니다. 부식을 막기 위해 페인트칠(?) 한거죠.
🤔 그러면 Power Plane 은 내부 레이어보다 외부 레이어로 배치하는게 좋은건가?
물론 내부 레이어보다 외부 레이어가 열 방출 효과가 더 좋겠지만 Power Plane을 내층에 배치하는 이유는 열 외에 더 중요한 설계 이득이 있기 때문입니다. 내층에 Power와 Ground를 샌드위치처럼 배치하면 노이즈 차단, 신호 무결성 측면에서 좋아지고요. Top/Bottom 레이어는 부품 배치와 복잡한 신호선 통과을 위해 사용합니다.
🤔 온도가 올라갈수록 저항이 높아지는 이유는?
원자 진동에 의한 전자 흐름 방해 때문입니다. 금속 내부의 원자들은 제자리에서 진동하고 있습니다. 온도가 높아지면 이 진동 에너지가 커져서 더 격렬하고 넓은 범위로 움직이게 됩니다. 전류는 전자가 원자들 사이를 지나가면서 흐르는 것인데, 격렬하게 진동하는 원자들이 전자의 길을 막는 '장애물' 역할을 하게 됩니다. 이로 인해 전자와 원자가 충돌할 확률이 높아집니다.
PCB의 구리 패턴도 금속이기에 온도가 오르면 저항이 커집니다. 저항이 커지면 전압 강하가 심해지고, 늘어난 저항 때문에 다시 열이 더 발생하는 악순환이 생길 수 있습니다.
최대 전류 정격을 초과하면 어떻게 될까?
종합해보면 제일 중요한 것은 구리의 두께와 구리 트레이스의 폭이라는 사실을 알았습니다. 만약 최대 전류 정격을 초과하면 어떻게 될까요? 구리 트레이스가 갑자기 터지거나 불이 붙거나 순간적으로 끊어지는 것은 아닙니다.
실제로 PCB 트레이스를 퓨즈처럼 사용할 수도 있습니다. PCB 트레이스 자체를 퓨즈로 설계하는 방법도 있습니다. 이 부분에는 약간의 경험적인 기술과 공학적인 계산이 필요합니다.
어쨌든 트레이스는 갑자기 전류를 완전히 차단하는 것이 아니라 단순히 점점 더 뜨거워집니다. 그리고 결국에는 보드에서 박리될 수도 있습니다. 약 130~170도 정도면 기판 소재(FR-4)가 흐물거리고 박리가 시작됩니다. 약 250~300도 정도면 구리와 기판을 붙여주는 접착제가 타버리며 연기가 나고, 기판이 검게 그을립니다.
📌 참고. PCB에서 박리(delamination)란 쉽게 말해 기판의 층과 층 사이가 벌어지거나, 구리 패턴(trace)이 기판 바닥면에서 들뜨는 현상을 말합니다. PCB는 구리와 절연체(FR-4 등)를 강력한 접착제로 붙여놓은 구조입니다. 하지만 과도한 전류로 트레이스가 뜨거워지면 구리와 절연체 사이의 열팽창 계수 차이, 접착제 연화 등으로 인해 들뜸이 발생할 수 있습니다. (아하...)
온도 상승 허용
그래서 핵심은 설계에서 얼마나 많은 온도 상승을 허용할 것인가입니다. 위 프로그램에서 하나의 파라미터를 볼 수 있습니다. 예를 들어 20°C 온도 상승을 허용한다고 설정할 수 있습니다.
여기서 주의할 점이 온도 상승과 주변 온도 설정이 있는데요. 가장 중요한 것은 최종 온도(Absolute Temperature)입니다. 예를 들면 이런 거예요.
- 상황 A: 주변 온도 20도 + 허용 상승 20도 = 최종 40도 (매우 안전)
- 상황 B: 주변 온도 80도 (산업용 장비 내부) + 허용 상승 20도 = 최종 100도 (위험할 수 있음)
즉, '주변 온도'는 당신이 조절할 수 없는 외부 환경이고, '온도 상승 허용'은 그 환경에서 안전을 위해 우리가 결정하는 설계 스펙입니다. 보통 PCB 설계 시에는 기기가 쓰일 가장 더운 환경(주변 온도)을 먼저 정하고, 거기서 기판 소재(FR-4 등)가 견딜 수 있는 온도까지의 여유 폭을 허용 상승 온도로 잡습니다.
이 영상에서는 개인적으로 이런 계산을 할 때 10°C 온도 상승을 사용하는 것을 선호한다고 하네요.
계산기를 이용한 문제 계산
이제 실제로 이 계산기를 사용해서 간단한 예제를 하나 계산해보겠습니다. 예를 들어 표준 1온스 구리를 사용한다고 가정해 보겠습니다.
PCB 도금(plating)도 영향을 줍니다. 위에 덮이는 솔더 마스크뿐만 아니라 도금 상태도 영향을 줄 수 있습니다. 하지만 대부분의 보드는 보통 베어 구리 위에 솔더 마스크가 덮인 형태입니다. 이것을 SMOBC (Solder Mask Over Bare Copper) 라고 합니다. 그래서 여기서는 단순히 베어 PCB라고 설정하면 됩니다.
📌 참고. SMOBC 공정을 거치면 솔더 마스크가 덮이지 않은 패드(Pad) 부분만 구리가 노출되는데, 이 부분은 부식 방지를 위해 반드시 별도의 표면 처리(Surface Finish)를 해야 합니다. 가장 흔히 보시는 HASL 이나 금도금인 ENIG가 바로 이 노출된 구리 위에 입혀지는 처리입니다.
외부 레이어를 사용한다고 가정하겠습니다. 즉 PCB의 외부 레이어에 있는 트레이스이고 베어 PCB 위에 솔더 마스크가 덮여 있는 구조입니다. 사실 솔더 마스크가 있든 없든 이 계산에서는 큰 차이가 나지 않습니다. 이 계산기에도 솔더 마스크 항목도 따로 포함되어 있지 않습니다.
그리고 트레이스 폭을 10 mil로 설정하는 것은 말이 안 됩니다. 그래서 100 thou, 즉 100 mil (2.24mm) 트레이스로 설정해 보겠습니다. 그리고 도체 길이도 입력해야 합니다. 하지만 이 값은 아직 알 수 없습니다. 이것은 여러분의 실제 PCB 레이아웃에 따라 달라지기 때문입니다. 전체 저항은 당연히 도체의 길이에 따라 달라집니다. 그리고 그 값에 따라 설계에서 허용할 수 있는 전압 강하가 결정됩니다.
다음으로 스킨 깊이(skin depth) 와 스킨 깊이 비율 같은 항목도 있습니다. 이 부분은 열 문제 뿐만 아니라 전기적 설계 문제가 될 수도 있습니다. 고주파 신호를 다루는 경우라면 이런 요소도 고려해야 합니다. 이 부분은 여기서 다루지 않겠습니다. 우리는 지금 DC 전류에 대해 이야기하고 있습니다.
병렬 도체도 없고 여기서는 특별히 중요하지 않습니다. 이제 계산을 실행해 보겠습니다.
결과가 나왔습니다. 100 mil 폭의 트레이스에서 저항은 약 5 밀리옴입니다. 그리고 이 트레이스가 처리할 수 있는 전류는 약 3.27A입니다. 즉 일반적으로 100 mil 폭의 도체에 약 3.3A를 흐르게 하면 온도가 약 10°C 상승하게 됩니다(보드의 외부 레이어에 있을 경우). 이 정도 온도 상승이 여러분의 설계에서 허용 가능한 수준인지 스스로 판단해야 합니다.
우리가 궁금한 건 70~80A정도였죠. 그러면 80A를 기준으로 생각해 보겠습니다. 1000 mil 라고 설정해보면 약 25.4mm 폭의 트레이스, 즉 1인치 폭의 트레이스가 됩니다. PCB 보드에서 2.5cm 라고 생각해보면 꽤나 큰 값이죠. 이제 1온스 구리에서 이 조건으로 계산을 한번 해보겠습니다.
1온스 구리에서는 약 12.6A 정도밖에 처리할 수 없습니다. 이번에는 구리 두께를 늘려보겠습니다. 2온스 구리를 선택해서 두께를 두 배로 늘려 보겠습니다. 그러면 전류 허용치가 18.6A로 늘어납니다. 두께가 두 배로 늘린다고 해서 전류가 두 배로 늘진 않는군요. 4온스 구리로 해보면 27.8A 이 나옵니다. (영상이랑 다르게 더 작네요)
1인치(약 25mm) 폭의 트레이스에 아주 두꺼운 구리를 사용해도 이정도라니... 어렵군요.
질문에서는 단일 레이어에서 해결하려고 합니다. 이 정도 전류에서는 그렇게 하면 상당히 무리가 됩니다. 4온스 구리도 사실 꽤 특수한 수준입니다. 일부 저가 PCB 제작 업체에서는 아예 이런 두께를 지원하지 않기도 합니다. 그리고 PCB에서 트레이스를 1인치보다 더 넓게 만드는 것도 현실적으로 쉽지 않습니다. 보드에서 엄청난 공간을 차지하게 되기 때문입니다. 그래서 아마 다른 방법을 고려해야 할 것입니다.
납과 주석 도금 트레이스
이 말은 PCB 위에 구리로 된 회로 선이 드러나 있을 때, 그 위에 납이나 주석을 얇게 입혀서 덮어버린다는 뜻입니다. 보통의 PCB는 솔더마스크(초록색 코팅)가 구리 트레이스를 꽉 덮고 있어서 부식을 막아줍니다. 그럼에도 불구하고 굳이 솔더마스크를 벗겨내고 그 위에 납이나 주석 도금을 올리는 이유는 보통 다음 두 가지 특수 상황 때문입니다.
- 허용 전류량(Current Capacity) 확대: 솔더마스크는 절연체일 뿐이지만, 납은 도체입니다. 구리 트레이스 위에 납을 두껍게 올리면 선의 두께가 보강되면서 더 큰 전류를 태워도 선이 타지 않고 견딜 수 있습니다.
- 방열 효과: 구리보다 표면적을 넓히거나 금속 층을 두껍게 해서 열을 조금이라도 더 빨리 배출하려는 목적도 있습니다.
아... 원래는 구리 트레이스 위에 솔더 마스크가 있는데, 솔더 마스크를 없애고 납이나 주석을 덮어버려서 전류 허용량을 높이는 방법이구나.
하지만 이 공정은 두께를 정확하게 제어하기가 매우 어렵습니다. PCB 제조사에 “이 부분에 주석 도금을 해 주세요.”라고 요청할 수는 있습니다. 하지만 도금 두께를 정밀하게 제어하는 것은 생각보다 쉽지 않습니다. 그리고 이것은 제조 비용을 크게 증가시킵니다.
예를 들어 1온스 두께의 도금을 추가한다고 해도 결과는 약 32A 정도입니다. 우리가 원하는 80A에는 아직도 한참 부족합니다.
음. 현재는 온도 상승을 10°C로 제한하고 있습니다. 이 값을 20°C 온도 상승으로 바꾸면 허용 전류가 42A로 증가합니다. 만약 제가 더 극단적으로 가서 주변 온도보다 50°C 상승까지 허용한다고 해 보겠습니다. 주변 온도가 20°C라면 PCB 트레이스 온도는 약 70°C까지 올라가게 됩니다. 이렇게 하면 71A 까지 올라갑니다.
결국 종합해보면 70~80A 허용 전류를 단일 레이어로 구현한다고 하면 4온스 구리 PCB 재료 + 1인치 트레이스 + 납과 주석 도금 트레이스 + 50도 온도 상승까지 고려하면 가능할 수 있다는 거죠. 그리고 이 값들은 계산 결과일 뿐입니다. 실제 환경에서는 여러 변수들이 있기 때문에 완전히 정확하다고 보장할 수는 없습니다.
IPC 2152와 IPC 2221 표준
여기 보면 IPC-2152 라고 되어 있죠. Tools > Program Options 에 가보면 IPC 2221로도 변경이 가능합니다.
IPC-2152와 IPC-2221은 PCB 트레이스의 폭과 허용 전류, 그리고 그에 따른 온도 상승을 결정할 때 사용하는 국제 표준 가이드라인입니다. 쉽게 비유하자면, IPC-2221은 '구형 공식', IPC-2152는 '현대식 정밀 데이터'라고 볼 수 있습니다.
IPC-2221는 과거의 표준입니다. 1950년대에 만들어진 데이터를 기반으로 한 차트입니다. 공기 중에 떠 있는 아주 단순한 보드 모델을 기준으로 계산했기 때문에, 실제 현대의 다층(Multilayer) PCB 환경을 정확히 반영하지 못합니다. 보통 실제 필요한 것보다 트레이스 폭을 너무 넓게 계산하는 경우가 있습니다.
IPC-2152는 현재의 표준입니다. IPC-2221의 한계를 극복하기 위해 수천 번의 실제 테스트를 거쳐 2009년에 발표된 최신 표준입니다. 보드 두께, 재질, 내층/외층 여부, 주변 부품과의 거리 등 다양한 변수를 고려합니다. 훨씬 정밀하며, 많은 경우 IPC-2221보다 더 효율적으로 트레이스를 설계할 수 있게 해줍니다.
어쨌거나 IPC 2152 를 사용하는게 현재로서는 가장 현실적인 계산 방법입니다.
그 외 요소
#1. 물리적 요소
제품 설계에서 물리적 요소와 열적인 요소는 매우 중요합니다. 예를 들어 보드 위로 바람을 불어주는 팬이 있다면, 외부에 있는 트레이스들은 내부에 있는 트레이스들보다 더 좋은 열 특성을 가질 수 있습니다. 이런 요소들은 IPC 2221이나 IPC 2152 표준 계산에는 당연히 반영되어 있지 않습니다. 따라서 이런 요소들은 실제로 중요한 영향을 미칠 수 있습니다.
#2. 플레인 여부
또한 열이 플레인(plane)으로 전달되는 경우도 중요합니다. 예를 들어, 트레이스가 큰 구리 플레인 아래에 있는지 여부도 영향을 줍니다. 트레이스와 그 아래에 있는 얇은 프리프레그(prepreg) 사이를 통해 열 전도가 일어날 수 있기 때문입니다. 트레이스 바로 아래층(내층)에 넓은 그라운드(GND)나 파워 플레인이 있으면, 열이 얇은 절연층(Prepreg)을 통과해 아래로 수직 이동합니다. 이 넓은 플레인이 열을 보드 전체로 골고루 퍼뜨려줍니다.
이 프로그램에 보면 “플레인이 존재하는지 여부(plane present)” 옵션이 있습니다. 이걸 선택해보면 꽤 크게 전류 용량이 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 41A 에서 63A 로 상승함.
중요한 점은 이 전류가 그 플레인을 통해 흐르는 것이 아니라는 것입니다. 아래에 있는 큰 파란색 구리 플레인을 통해 전류가 흐르는 것이 아닌데도, 단순히 가까이 존재한다는 사실만으로 이런 효과가 생깁니다.
그래서 여기에는 “플레인과의 거리(distance to plane)” 항목도 있습니다. 지금은 10mil로 설정되어 있는데, 이는 약 0.25mm 정도의 거리입니다. 만약 이 거리를 0.25mm에서 1mm로 늘리면 값이 약간 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이 모든 것은 플레인으로의 열 전도 때문입니다.
결론
이 문제를 깊이 파고들면 고려해야 할 요소가 굉장히 많습니다. 질문의 핵심으로 돌아가 보자면, “한 개의 레이어만 사용해서 해결할 수 있느냐?”라는 질문에 대한 답은 “거의 불가능하다”입니다. 물론 아주 두꺼운 트레이스를 사용하고, 큰 온도 상승을 허용한다면 가능할 수도 있습니다. 하지만 현실적으로는 최소 두 개의 트레이스를 사용하거나, 내부 플레인의 일부를 활용해야 할 것입니다. 70~80A 정도의 전류를 처리하는 것은 꽤 큰 수준이기 때문입니다.
또 다른 방법으로는 트레이스 위에 주석 도금이나 납땜을 해서 두께를 늘리는 방법도 있습니다. 이렇게 하면 전류 처리 능력이 증가합니다.
1인치 두께, 즉 25mm 폭의 트레이스를 사용한다고 가정해 보면, 이는 보드에서 사용할 수 있는 꽤 큰 트레이스입니다. 이 경우에도 약 35A 정도밖에 처리하지 못합니다. 그래서 현실적으로는 단면(single layer)만으로는 어렵고, 최소한 양면(double-sided) 설계를 고려해야 합니다.
다른 대안 - 비아 스티칭
비아 스티칭(Via Stitching)은 PCB의 서로 다른 층(Layer)에 있는 넓은 구리 플레인(주로 GND)들을 다수의 비아(Via)를 촘촘히 박아 연결하는 기법입니다. 마치 옷감을 바느질(Stitching)하듯 연결한다고 해서 붙여진 이름입니다.
이 방법이 저항 측면에서 큰 도움을 주는 것은 아닙니다. 하지만 구리가 추가로 생기는 듯한 효과를 주기 때문에 열 방출 측면에서는 약간의 도움이 됩니다. 그래서 일반적인 설계 관행으로 그 구간을 따라 비아 스티칭을 해 줄 수도 있습니다.
하지만 비아를 무작정 많이 넣는 것은 좋지 않습니다. 비아를 너무 많이 넣으면 결국 구리 면적이 줄어드는 효과가 있기 때문입니다. 보통은 위쪽과 아래쪽 레이어에 두꺼운 트레이스를 하나씩 배치하고, 확실하게 하기 위해 내부 레이어에 추가적인 전원 플레인을 사용하는 정도면 충분합니다.
다른 대안 - 버스 바
버스바(Busbar)는 PCB의 얇은 트레이스만으로는 감당하기 힘든 어마어마한 대전류를 흘리기 위해 사용하는 두꺼운 금속 막대(또는 판)입니다.
💻 이미지 출처: https://www.flexiblepcbboard.com/pcb-busbar/
커다란 금속판이 될 수도 있고요. 구리 막대를 보드 위에 납땜해서 붙일 수도 있습니다.
이런 것들은 보통 맞춤 제작이 필요하기 때문에, 버스바를 전문적으로 제작하는 회사에 의뢰해야 합니다. 이런 버스바는 특히 부품 밀도가 높은 보드에서 꽤 흔하게 사용됩니다. 그래서 이런 방식을 고려해 보는 것도 충분히 가치가 있습니다.
직접 만들어 볼 수도 있습니다. 예를 들어 금속 봉(합금 막대 같은 것)을 하나 준비한 다음, 보드에 있는 나사형 인서트(threaded insert)에 나사로 고정하는 방식도 가능합니다.
경우에 따라서는 PCB 자체를 두껍게 만드는 것보다 버스 바를 사용하는 것이 오히려 더 저렴할 수도 있습니다. 특히 보드가 큰데 단 하나의 트레이스만 굉장히 큰 전류를 처리해야 한다면, 보드 전체를 4oz 구리로 만드는 것은 낭비입니다. 이런 경우에는 PCB 위에 만들기보다는 작은 맞춤형 버스바를 설계하는 편이 더 낫습니다.
다른 대안 - 점퍼 와이어
맞춤형 버스바를 제작하고 싶지 않다면 사용할 수 있는 작은 팁이 하나 있습니다. 바로 굵은 점퍼 와이어를 사용하는 방법입니다. 보드 위를 가로질러 굵은 전선을 하나 연결하는 방식인데, 이런 방법을 사용한다고 해서 이상한 것이 아닙니다. 실제로 많은 사람들이 이렇게 합니다.
수백만 개의 제품을 생산하는 상황이 아니라면, 이런 방법도 충분히 괜찮은 해결책입니다. 특히 큰 전류가 필요한 트레이스가 한두 개 정도밖에 없다면 더더욱 그렇습니다.
이 경우에는 그냥 일반적인 1oz 또는 0.5oz 구리 PCB를 사용하고, 그 대신 굵은 전선을 하나 납땜해서 PCB 트레이스를 아예 우회하도록 만들면 됩니다. 충분히 굵은 전선이라면 80A 정도의 전류도 문제없이 흘릴 수 있습니다.
참고 자료
- EEVblog 1559 - PCB Design: Trace Current Rating (영상)
