열 모델에 기반한 PCB의 내부 방열 설계

전자 기술의 빠른 발전은 전자 제품의 계산 속도, 계산 빈도 및 무결성 측면에서 즉각적인 개선으로 이어집니다. 또한 전자 제품의 부피가 줄어들면서 체적 전력 밀도가 점점 높아지고 있습니다. 또한, 두께, 가벼움 및 소형화의 발전 방향은 모두 전자 부품을 단위 부피의 증가하는 발열량을 특징으로 합니다. 전자 제품의 업그레이드로 인해 PCB의 열 흐름 밀도가 빠르게 증가하여 신뢰성이 크게 저하됩니다. 10도 원칙에 따르면 온도가 섭씨 10도 올라갈 때마다 일부 구성 요소의 일부 매개 변수가 절반으로 감소합니다. 연구에 따르면 전자 장치의 55%는 부품의 정격 값을 우회하는 온도로 인해 손상됩니다. 따라서 합리적인 구성 요소 레이아웃과 PCB 열 방출은 엔지니어가 고려해야 하는 주요 요소였습니다.

전자 제품의 열 설계는 일반적으로 시스템 수준, 보드 수준 및 패키지 수준과 같은 수준으로 나뉩니다. 보드 레벨 열 설계는 라디에이터, 전자 스텐실 및 PCB의 열 설계를 나타냅니다. 이 기사에서는 구성 요소의 온도와 온도 차이를 줄이는 것을 목표로 PCB 레이아웃에 영향을 주지 않고 구성 요소 바닥의 열을 외부로 빠르게 전달하고 구성 요소의 방열 면적을 증가시키는 새로운 방열 방법을 제공합니다. 기존의 방열 방법과 비교하여 이 새로운 방법은 다중 방열 구조, PCB 열 변형 감소 및 작은 공간 점유와 같은 몇 가지 속성을 가지고 있습니다. 구리 함량, 구리 두께, 관통 구멍 및 위치와 같은 여러 기능으로 이어지는 상단 레이어, 하단 레이어 및 라우팅 레이어를 포함한 PCB 레이어의 여러 패턴으로 인해 전체 PCB 열 분산이 이방성입니다. 이 기사에서는 열 분석 소프트웨어와 부품의 물리적 형상 및 열적 특성을 기반으로 단순화된 PCB 및 부품을 설정하고 다양한 조건의 시뮬레이션 데이터 분석을 통해 나오는 실험 결과와 함께 냉각 핀의 길이, 너비 및 수량에 대해 논의합니다.

열분석 원리

PCB 기판 수준의 열분석 이론은 열전달 이론의 기본 원리를 기반으로 합니다. 열 전달 절차는 열 전도, 열 대류 및 열 복사의 세 가지 다른 열 전달 모드를 특징으로 하며, 그 중 열 전도가 주요 열 소산 방법입니다.

열전달 이론에 대한 푸리에의 법칙에 따르면 x 방향을 따라 d의 두께를 갖는 미분층에서 단위 시간에 d를 통과하는 에너지는 온도 변화율의 면적 A에 정비례하며 이는 공식으로 표시할 수 있습니다. .

이 식에서 Q(W)는 단위시간에 A면적을 통과하는 에너지를 말하며, 열류이기도 하다. A(m²)는 전도 방향의 단면적을 나타냅니다. L(m)은 전도 경로의 길이를 나타냅니다. k [W/(m•°C)]는 열전도율입니다. Δ t(°C)는 d의 두 면 사이의 온도차입니다. x(m)는 열 흐름의 경로입니다. 마이너스는 열전달 방향과 온도 상승의 반대를 나타냅니다.

열류 밀도 q(W/m²)는 단위 시간 내에 단위 면적 A를 통과하는 열류량을 나타내며, 식으로 표시됩니다. .

다른 재료는 다른 열전도율 k를 가지며 높은 값은 우수한 전도율을 나타냅니다.

PCB 열저항 이론

PCB는 열전도가 이방성인 복잡한 다층 구조 유형입니다. PCB 열해석은 각 레이어의 재료 구조가 다르기 때문에 그리드 수가 많고 계산 속도가 느리기 때문에 모델 설정이 어렵다. 이 기사에서는 열 분석 소프트웨어를 사용하여 단순화된 모델을 사용합니다. 단순화된 다층 PCB 모델은 아래 그림 1에 나와 있습니다.

구리 층과 FR-4 층의 두께가 동일하고 각 층의 간격이 동일하다고 가정합니다. k_n 이는 정상적인 열전도율이며 k_p입니다. 즉, 각 레이어의 열전도율은 PCB의 열 성능을 설명하는 데 사용됩니다. 다음 공식을 사용하여 k_n 값을 계산할 수 있습니다. 및 k_p .

이 공식에서 δ_Cu 각 구리 층의 두께를 나타냅니다. k_Cu 는 388[W/(m•°C)]의 값을 갖는 구리의 열전도율입니다. k_j 각 구리 라우팅의 열전도율입니다. δ_F 는 각 FR-4 레이어의 두께입니다. k_F 0.35[W/(m·°C)]의 값을 갖는 FR-4의 열전도율; δ_PCB 전체 PCB 두께입니다. A_j 는 레이어 j에서 구리 라우팅의 전체 영역입니다. PCB 열 저항은 그림 2의 단순화된 모델에 나와 있습니다.

PCB 표면층과 바닥층의 온도는 각각 t₁ 및 t₂; 전체 전달 열은 Q입니다. 전체 저항은 R입니다. 두께 방향에서 각 레이어의 열 저항은 R₁입니다. , R₂ 및 R₃ 그리고 길이 L₁ , L₂ 및 L₃; 기판의 면적은 A입니다. 그림 2(a)를 기준으로 방향은 수직으로만 가정하고 열저항은 다음 공식을 통해 계산할 수 있습니다.
R₁ =L₁ (A•k₁ )
R₂ =L₂ (A•k₂ )
R₃ =L₃ (A•k₃ )

그림 2(b)를 기준으로 방향은 수평으로만 가정하고 열 저항은 다음 공식을 통해 계산할 수 있습니다.
R₁ =L/(A₁ •k₁ )
R₂ =L/(A₂ •k₂ )
R₃ =L/(A₃ •k₃ )
1/R =1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

수직 및 수평 방향에 따른 전체 열 저항은 공식 Q =(t₁를 통해 열 저항의 직렬 병렬 연결에 따라 표시될 수 있습니다. - t₂ )/R.

위의 공식을 바탕으로 수평 방향의 전체 열 저항이 수직 방향의 열 저항보다 훨씬 낮음을 알 수 있습니다. 따라서 PCB에 구리를 수평으로 매설하면 더 나은 방열 효과를 얻을 수 있습니다. 이 기사에서는 이중층 PCB를 분석 대상으로 선택합니다. 그림 3은 PCB에 묻힌 구리의 스케치입니다.

시뮬레이션 분석 및 검증

• PCB 모델 설계

단순화된 모델의 크기는 아래 표와 같습니다.

아이템	크기
PCB	100mm*100mm
칩	10mm*10mm
구성 요소 패키지	20mm*20mm
칩의 에너지 소비	8W

PCB의 중앙에 부품이 위치하며 그 아래에 구리가 매설된 열원입니다. 구리 냉각 핀은 구리 옆에 묻혀 있습니다. 그림 4는 0.5mmx30mm 크기의 시뮬레이션 모델입니다.

2A 전류의 회로는 선폭이 최소한 0.5mm, 관통구멍이 0.5mm가 되도록 시뮬레이션 대상으로 설정한다. 매설된 구리에 인접한 냉각 핀은 최소 1mm 간격을 가져야 하며 이 문서에서 냉각 핀의 너비는 0.13mm, 0.25mm, 0.5mm, 0.75mm 및 1mm 및 길이 20mm, 30mm 및 40mm로 정의됩니다. 너비가 10mm이고 간격이 1mm 미만인 조건에서 너비가 다른 냉각 핀의 수가 아래 표와 같이 표시됩니다.

핀 너비(mm)	온도(°C)	핀 길이(mm)			지느러미 수
		20	30	40
0.13	최고	96.7	91.2	89.8	10
	최저	89.1	84.5	83.4
0.25	최고	92.5	89.5	87.5	8
	최저	85.4	83.6	81.9
0.50	최고	92.1	88.6	86.2	7
	최저	85.3	83.2	81.2
0.75	최고	91.9	87.9	85.3	6
	최저	85.2	83.0	80.8
1.00	최고	91.8	87.8	85.1	5
	최저	85.0	82.9	80.8
매립된 구리가 없는 구성요소의 온도(°C)					최고:108.4 최저:98.3

• 결과 분석

표 2를 기반으로 구리 핀의 너비와 길이의 차이가 모두 PCB의 부품 온도를 크게 상승시키는 것으로 추론할 수 있습니다. 그러나 실제 적용에서는 실제 상황과 구리 비용을 고려하여 적절한 PCB 길이와 핀 너비를 선택해야 합니다. 그림 5는 부품의 최고 온도 그래프이고 그림 6은 부품의 최저 온도 그래프입니다.

그래프가 나타내는 변화 경향으로부터 핀의 폭이 0.5mm 미만일 때 핀의 폭이 넓어짐에 따라 부품의 온도가 크게 감소함을 요약할 수 있다. 너비가 0.5mm 이상일 때 온도 감소가 일정합니다. 따라서 가장 낮은 재료비로 핀폭을 0.5mm로 유지할 때 온도차가 가장 크게 나타난다. 냉각 핀이 증가하면 부품 온도가 낮아집니다.

핀 길이가 20mm에서 30mm 범위에 있을 때 온도가 가장 크게 떨어집니다. 5°C 이상입니다. 핀 길이가 30mm에서 40mm 범위에 있을 때 온도는 2°C 이상 또는 미만으로 약간 떨어집니다. 따라서 20mm~30mm 길이의 핀을 비교적 저렴한 비용으로 픽업할 경우 온도차 감소가 상대적으로 크다. PCB 냉각핀이 너무 길지도 너무 넓지도 않다는 점을 고려하면 폭 0.5mm, 길이 30mm의 핀을 픽업하는 것이 적합합니다.

그림 7은 구리가 매설되지 않은 PCB 시뮬레이션 온도 분포 그래프이고, 그림 8은 길이 30mm, 너비 0.5mm인 핀이 있는 PCB 시뮬레이션 온도 분포 그래프입니다.

두 그림에 따르면 최고 온도는 108.4°C에서 88.6°C로 떨어지고 감소 정도는 18.5%임을 알 수 있습니다. 최저 온도는 98.3°C에서 83.2°C로 15.3% 감소합니다. 그림 7과 그림 8의 온도 필드 비교에 따르면, 매립 구리가 있는 PCB는 온도 필드가 고르게 분포되도록 돕고 기판의 온도 차이를 줄여 핫스팟을 피할 수 있습니다. 구리가 매설된 PCB는 부품의 온도를 낮추어 PCB에서 부품의 열 발산을 향상시켜 부품의 신뢰성을 크게 높일 수 있습니다.

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