PCB 열 설계 고려 사항

전력 구성 요소가 점점 더 작아지는 표면 실장 패키지로 제공됨에 따라 PCB 설계에서 이러한 구성 요소의 열 소산 요구 사항을 완화하기 위한 일관된 접근 방식을 찾는 것이 중요합니다. PCB 설계의 열 특성에 대한 정확한 수학적 분석을 개발하는 것은 복잡한 프로세스일 수 있지만 몇 가지 간단한 규칙을 적용하여 설계의 열 전도를 향상시킬 수 있습니다. 궁극적으로 설계에서 열 방출을 적절하게 제어하면 보다 안정적이고 경제적인 PCB 설계를 생성할 수 있습니다. 다음은 표준 열 손실 모델에 대한 간략한 설명과 설계에서 열 손실을 처리하기 위한 몇 가지 일반적인 규칙입니다.

먼저 이 항목의 나머지 부분에서 사용할 용어를 정의하는 것이 중요합니다. 다음 그림은 열 관리를 논의할 때 고려해야 하는 전력 IC의 다양한 구성 요소를 보여줍니다. 이 기사 전체에서 구성 요소의 접합부, 상단 및 케이스의 온도와 주변 환경에 대한 열 저항에 대해 논의할 것입니다.

이러한 용어를 사용하여 구성 요소의 열 손실을 시뮬레이션하는 데 사용되는 표준 모델을 간략하게 살펴보겠습니다. 열 저항은 일반적으로 저항 네트워크로 모델링됩니다. 구성 요소의 표준 모델은 다음 그림에 나와 있습니다.

제시된 그림에서 T_J 접합부의 온도로 정의됩니다(구성요소의 내부 작동 부분), T_T 패키지의 "상단" 온도(일반적으로 구성 요소의 플라스틱 인클로저), T_C 는 "케이스"의 온도(구성요소 및 부착된 PCB의 열전도율이 높은 패드의 온도임) 및 T_A 주변 환경의 온도입니다. 전자 설계자의 목표는 접합부와 주변 환경 사이에서 가능한 가장 낮은 열 저항을 생성하는 것입니다. θ_CA 제외 , 시스템의 열 저항(θ_JT , θ_TA 및 θ_JC ) 구성 요소의 속성에 의해 정의되며 해당 구성 요소에 대한 데이터 시트에서 가져올 수 있습니다. PCB 설계자로서 우리는 주로 θ_CA 값에 영향을 미칩니다. , 이는 PCB 설계에 따라 다릅니다. 따라서 설계자의 주요 과제는 이 저항을 줄여 주변 환경에 대한 IC 케이스의 열 저항을 줄이는 것입니다. 이 열 저항을 얼마나 잘 낮출 수 있는지(θ_CA )는 주변 환경과 구성 요소 접합부 사이에서 발생하는 온도 차이(또는 그 부족)를 크게 정의합니다.

열 전도의 다른 경로는 구성 요소의 플라스틱 케이스(또는 "상단")입니다. 대부분의 전력 구성 요소의 플라스틱 포장은 주변 환경에 대한 좋은 열 경로를 제공하지 않기 때문에 설계의 열 분산 효율은 케이스를 통해 주변 환경으로 열 에너지를 분산시키는 설계의 능력에 더 크게 의존합니다. 유일한 예외는 해당 전원 IC가 구성 요소 상단에 있는 열 패드로 설계된 경우입니다. 이 경우 IC는 방열판을 IC 상단에 직접 부착하도록 설계되었으며 "상단"을 통한 부품의 열 발산은 설계에서 훨씬 더 중요한 요소가 됩니다.

전력 부품에서 열을 옮기는 표준 접근 방식은 열 비아를 통해 전력 부품을 인접한 구리 평면에 열적으로 연결하는 것입니다. 이것은 일반적으로 전력 IC의 풋프린트에 다수의 비아를 배치함으로써 달성됩니다. 이 비아는 IC 아래의 구리 층에 열 연결을 제공하여 구성 요소에서 열을 전도합니다.

또한, 상기 열 비아에 의해 전력 IC에 연결된 전력 구리 평면이 많을수록 PCB의 열 소산 효율이 높아집니다. 예를 들어 4레이어 디자인과 2레이어 디자인을 사용하면 해당 디자인의 동일한 영역을 비교할 때 PCB의 전력 손실 용량을 최대 30%까지 높일 수 있습니다.

다음 설계 규칙은 설계의 열 고려 사항에 접근하기 위한 좋은 출발점으로 제공됩니다.

ㅏ. 1와트의 전력을 소비하기 위해 좋은 경험 법칙은 보드 온도가 40°C 상승할 때 소비되는 와트당 15.3cm² 또는 2.4인치²의 면적이 필요하다는 것입니다. 보드에 공기 흐름이 있는 경우 이 요구 사항을 절반으로 줄일 수 있습니다(와트당 7.7cm² 또는 1.2인치²). 이러한 값은 구성 요소가 기판의 가장자리까지 확장된 구리 평면에 열적으로 결합되어 있고 기판이 기판의 양쪽 주위로 자유롭게 흐를 수 있도록 기판이 배치되어 있다고 가정합니다. 이러한 전력 밀도 요구 사항이 설계에 너무 제한적이면 외부 방열판을 포함해야 할 수 있습니다. 또한 40°C의 온도 상승은 회로 기판의 온도를 제어할 때 고려해야 할 좋은 출발점입니다.

비. 보드에 둘 이상의 전원 구성 요소를 배치할 때마다 이러한 구성 요소에 의해 PCB가 고르게 가열되는 방식으로 해당 구성 요소를 배치하는 것이 가장 좋습니다. PCB 설계의 길이 전반에 걸친 큰 온도 차이로 인해 PCB가 장착된 전력 구성 요소에서 열 에너지를 최적으로 변환할 수 없습니다. 설계자가 사용할 수 있는 경우 열화상을 통해 설계 수정이 완료되면 구성 요소 배치를 실증적으로 검사할 수 있습니다.

씨. 구성 요소 아래에 배치할 수 있는 비아가 많을수록 PCB가 연결된 구리 평면으로 열 에너지를 더 잘 변환합니다. 패키지의 전원 패드(구성 요소의 큰 열 전도성 패드)와 접촉하는 수를 늘리기 위한 어레이 비아.

디. 더 높은 전력을 소산시키는 설계에서는 더 높은 구리 중량을 사용해야 합니다. 전원 설계의 시작점으로 1oz 구리가 권장됩니다.

이자형. 구성 요소에서 열 에너지를 분산시키기 위해 구리 주입을 사용할 때 전력 구성 요소에서 멀어지는 열 경로에 수직으로 실행되는 트랙에 의해 주입이 중단되지 않는 것이 중요합니다.

에프. 시스템 온도를 허용 오차로 유지하기 위해 방열판을 사용해야 하는 경우 일반적으로 방열판이 구성 요소의 케이스에 열적으로 연결되는 방식으로 배치되는 경우 훨씬 더 효과적이라는 점에 유의해야 합니다. 이것은 일반적으로 표면 실장 구성 요소에서 보드의 반대쪽에 방열판을 부착하는 것을 의미합니다. 구성 요소 상단에 직접 방열판을 배치하고 싶을 수 있지만 구성 요소 플라스틱 케이스의 열 저항으로 인해 방열판이 효과가 없습니다. 위에서 언급했듯이 이 규칙의 예외는 "상단"에 방열판이 부착되도록 명시적으로 설계된 패키지입니다.

요약하면 설계의 열 성능은 전력 구성 요소로 작업할 때마다 고려해야 하는 매우 중요합니다. PCB의 설계 프로세스 초기에 이 기사에 제시된 설계 규칙을 사용하면 PCB의 온도 제어에 대한 좋은 출발점을 얻을 수 있고 개발 프로세스의 후반부에 급격한 재설계를 피할 수 있습니다.

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