사람의 경우 몸이 너무 뜨거우면 병에 걸리기 쉽습니다. 전자제품의 경우 부품이 너무 뜨거워지면 고장이 납니다. 신뢰성이 떨어집니다. 따라서 회로 기판을 잘 냉각하는 것이 매우 중요합니다.
열 설계에서 PCB는 열을 전달하는 주요 매개체입니다. PCB의 열은 세 곳에서 발생합니다:
- 전자 부품에서 발생하는 열.
- PCB 자체에서 발생하는 열.
- 시스템의 다른 부분에서 발생하는 열.
이 세 가지 중 부품에서 발생하는 열이 가장 큽니다. 이것이 주요 열원입니다. 다음은 PCB에서 발생하는 열입니다. 외부에서 발생하는 열은 전체 시스템 열 설계에 따라 달라집니다.
실제 PCB 설계에서 엔지니어는 많은 냉각 항목을 고려해야 합니다. 여기에는 보드 소재, 부품 선택, 부품 레이아웃 등이 포함됩니다. 아래에서는 냉각에 중점을 두고 PCB 레이아웃 단계.
1. PCB 냉각이 중요한 이유
PCB 설계에서 냉각을 최적화하는 것은 디바이스를 안정적으로 유지하고 오래 사용할 수 있도록 하는 핵심 요소입니다. 레이아웃, 라우팅, 재료, 구조를 동시에 고려해야 합니다. 다음은 체계적인 냉각 전략입니다.
2. 재료 및 스택업 최적화
높은 열 전도성 베이스 소재
- 열전도율이 높은 고열 FR-4(예: ≥ 1.0W/m-K)를 사용하거나 금속 코어 보드를 사용하세요.
- 알루미늄 베이스보드의 열전도율은 약 5~10W/m-K입니다.
- 고주파 장면의 경우 세라믹 보드를 고려하세요. Al₂O₃는 약 24W/m-K입니다. AlN은 약 180W/m-K입니다.
구리 두께 전략
- 전원 및 접지면에는 더 두꺼운 구리를 사용합니다. 예를 들어 2온스(약 70μm) 이상의 두꺼운 구리를 사용합니다.
- 고전류 경로의 경우 3~6온스의 국부 구리 두께를 추가하고 계단식 구리 설계를 사용합니다.
3. 레이아웃 냉각 팁
부품 레이아웃 규칙
- 뜨거운 부품(전원 MOSFET, 전압 레귤레이터, 드라이버 IC)을 분산 배치하세요. 한 곳에 열이 쌓이지 않도록 하세요.
- 민감한 부품(크리스털, ADC)은 열원으로부터 최소 5mm 이상 떨어져 있어야 합니다. 필요한 경우 열 차단 슬롯을 추가하세요.
- 고전력 부품을 보드 가장자리 근처나 방열판이 장착될 수 있는 곳 근처에 배치하세요.
열 채널 설계
좋은 열 경로 예시입니다:
[전원 IC] → [써멀 비아 어레이] → [내부 구리 평면] → [기판 가장자리 써멀 패드]
↘ [외부 히트싱크]
이 경로는 IC에서 비아로, 내부 구리로, 보드 가장자리 또는 외부 방열판으로 열이 빠져나가는 것을 보여줍니다.
4. 구리 부어 및 구리 열 향상
구리 주입 최적화
- 전원 부품 아래에 단단한 구리 영역을 만듭니다. 구리 영역을 부품 면적의 3배 이상으로 만듭니다.
- 가능하면 메시 구리 모양을 사용하세요. 메쉬는 열 스트레스를 낮춥니다. 메시를 많은 비아로 연결합니다.
특수 구리 구조
- 스루홀 또는 키 패드에 열 완화 패드를 사용하여 납땜 조인트가 차가워지는 것을 방지하세요.
- 매우 높은 전력 영역의 경우 구리 인레이 기술을 사용합니다. 이는 보드에 단단한 구리 블록을 배치합니다.
5. 열 전달을 위한 비아 매트릭스
어레이 설계를 통한
- 열원 아래에서 비아 어레이를 사용합니다. 일반적인 비아 구멍 크기: 0.3 ± 0.05mm. 이 크기는 열 전달과 제조 가능성의 균형을 맞춥니다.
- 비아 피치: 비아 직경의 1.5~2배. 어레이는 최소 5 × 5 크기여야 합니다.
- 채우기 체계:
- 사전 비용: 레진으로 채워진 비아를 사용합니다.
- 최상의 열전사를 위해: 전기 도금된 충전 비아를 사용하세요. 이렇게 하면 열 전달을 40% 이상 높일 수 있습니다.
연결 전략을 통해
- 다층 보드의 경우 비아가 모든 전원 및 접지면을 통과하도록 합니다.
- 단면 보드의 경우 뒷면에 구리 섬과 비아 그룹을 추가하여 열이 빠져나갈 수 있도록 합니다.
6. 외부 냉각 및 보드 레벨 통합
보드 레벨 냉각 통합
- 방열판 장착을 위한 구멍을 남겨둡니다. 1mm 간격의 M3 나사를 사용합니다.
- 솔더 마스크의 전원 부품 아래에 창을 만듭니다(솔더 마스크 정의된 창)을 사용하여 열 인터페이스를 개선합니다.
인터페이스 재료 선택
| 재료 유형 | 열 전도성(W/m-K) | 사용 사례 |
|---|---|---|
| 열 그리스 | 1 - 5 | 작은 틈새 채우기(0.1mm 미만) |
| 열 패드 | 3 - 12 | 중간 간격(0.2 - 1mm) |
| 상 변화 재료 | 5 - 8 | 고르지 않은 표면 자동 채우기 |
| 액체 금속 | 15 - 80 | 매우 높은 전력 밀도 케이스 |
갭 크기와 전력 밀도에 맞는 인터페이스 재질을 선택하세요.
7. 강제 공기 냉각 설계
공기 흐름에 맞는 레이아웃
- 열 부품을 공기 흐름 방향으로 정렬합니다. 이렇게 하면 다운스트림 부품이 과열되는 것을 방지할 수 있습니다.
- 높은 부품 주변에는 최소 3mm의 공기 통로를 남겨두세요.
- 보드 레벨 덕트를 추가하여 공기 흐름을 안내하고 냉각 경로를 개선하세요.
8. 열 시뮬레이션 및 검증
시뮬레이션 흐름
다음 단계를 따르세요:
- 3D 모델을 구축합니다.
- 열 경계 조건을 설정합니다.
- 정상 상태 또는 과도 상태 분석을 실행합니다.
- 온도 필드를 시각화합니다.
- 85°C가 넘는 핫스팟이 있는지 확인하세요.
- 그렇다면 레이아웃과 냉각을 최적화하세요.
- 그렇지 않은 경우 열 위험 보고서를 출력합니다.
일반적인 도구: 앤시스 아이스팩, 플로썸 XT, 심센터 플로프디.
9. 공정 참고 사항 및 제조 관리
납땜 신뢰성
- 열 비아를 패드 중앙에 직접 배치하지 마세요. 대신 교차형 열 릴리프 패턴을 사용하세요.
- 웨이브 납땜의 경우 부품 쪽의 열 비아를 채우거나 마스킹하여 땜납이 흐르지 않도록 합니다.
열 스트레스 제어
- 리플로우 납땜 온도를 충족하려면 높은 Tg 재료(Tg ≥ 170°C)를 사용합니다.
- 큰 구리 영역은 보드가 뒤틀리는 것을 방지하기 위해 양쪽의 균형을 맞춰야 합니다.
10. 주요 설계 규칙
- 전력 밀도가 0.05W/cm²를 초과하는 경우 특별한 열 설계를 수행해야 합니다.
- 구성 요소 접합 온도(T_j)를 데이터시트에서 제한하는 80% 미만으로 유지하세요.
- CPU 및 FPGA와 같은 복잡한 칩의 경우 열 저항 매트릭스 모델을 사용하세요:
T_j = T_a + Σ(P_i × θ_ji)
여기서 T_j는 접합 온도, T_a는 주변 온도, P_i는 소스 i의 전력, θ_ji는 소스 i에서 접합 j까지의 열 저항입니다. 칩 데이터시트에서 θ_ji를 구합니다.
11. PCB 자체를 통한 냉각
일반적인 PCB 기본 재료는 구리 피복 에폭시 유리 직물 또는 페놀 유리 직물입니다. 종이 기반 구리 피복 보드를 사용하는 보드도 몇 개 있습니다. 이러한 재료는 전기 및 처리 특성이 우수하지만 열을 잘 전도하지 않습니다. 뜨거운 부품의 경우 열을 전달하기 위해 PCB 수지에 의존할 수 없습니다. 열은 부품 표면에서 공기 중으로 이동해야 합니다.
오늘날 전자제품은 더욱 콤팩트해졌습니다. 부품은 서로 가깝게 배치되어 더 많은 열을 발생시킵니다. 작은 부품 표면적만으로는 부품을 냉각하기에 충분하지 않습니다. 또한 QFP와 같은 많은 표면 실장 부품과 BGA 열을 PCB로 전달합니다. 따라서 가장 좋은 해결책은 열을 전달하는 PCB 자체의 능력을 개선하는 것입니다. PCB가 열을 전도하거나 방출하게 하세요.
부품 패키지 선택
- 열 설계를 계획할 때는 패키지 데이터와 열 전도 사양을 읽어보세요.
- 패키지와 보드 사이에 양호한 열 경로를 제공하세요.
- 열 경로에 공기 틈이 생기지 않도록 하세요. 틈이 있는 경우 단열재로 메우세요.
12. 핵심 아이디어: 열 저항 최소화
열 설계는 열 저항을 가능한 한 작게 만드는 것입니다. 다음 전략을 활용하세요:
- 낮은 전도 저항: 더 두꺼운 구리, 높은 열 베이스 재료.
- 열 경로 단축: 방열판이나 내부 구리면으로 바로 연결되는 비아를 사용하세요.
- 표면적 늘리기: 구리 타설을 확장하고 지느러미를 추가합니다.
- 열 교환 개선: 강제 공기 또는 액체 냉각을 사용합니다.
실제 디자인에서는 비용, 공간, 제조 가능성 간의 균형을 맞춰야 합니다. 여러 가지 옵션을 시도하고 각각에 대해 시뮬레이션을 사용하세요. 프로토타입에서는 보드에 여러 가지 냉각 옵션을 남겨두세요. 예: 방열판 장착용 구멍, 열전대 테스트 포인트, 팬 커넥터 등이 있습니다. 이렇게 하면 튜닝이 더 쉬워집니다.
13. 최종 참고 사항
좋은 열 설계는 레이아웃 규칙과 기판 선택을 모두 사용합니다. 신중한 부품 배치, 넓은 구리, 비아 어레이, 우수한 인터페이스 재료를 사용하세요. 열 시뮬레이션과 실제 프로토타입으로 테스트하세요. 부품 접합부 온도를 데이터시트 제한 이하로 유지합니다. 서비스 및 테스트 지점을 계획하세요. 이를 통해 위험을 낮추고 제품을 안전하고 안정적으로 유지합니다.
