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온도는 인쇄 회로 기판(PCB)에서 안전, 신뢰성 및 성능의 중요한 요소입니다. 고온은 빠르게 오작동 및 영구적인 손상을 유발할 수 있습니다.
여러 상황에서 PCB 작동에 열이 발생할 수 있습니다. PCB에 장착된 부품은 과도한 열을 발생시킬 수 있습니다. 외부 요소(예:항공 우주 시스템 또는 의료 응용 프로그램과 같은 복잡한 시스템의 다른 구성 요소)는 과도한 열을 생성할 수 있습니다. 부적절한 환기로 인해 PCB에 열이 축적될 수 있습니다. 또는 PCB 조립 시 드릴링 및 납땜 시 발생하는 열로 인해 부품에 과도한 열 스트레스가 발생하여 기판 결함이 발생할 수 있습니다.
이유가 무엇이든 엔지니어는 PCB가 불가피하게 직면하게 될 높은 열 스트레스를 견딜 수 있도록 열을 관리할 방법이 필요합니다. 효과적인 PCB 방열 기술과 PCB 온도 상승을 방지하는 방법은 무엇입니까? 아래에서 이러한 질문에 대해 자세히 답변해 드리겠습니다.
고온은 PCB의 구조를 변경하고 성능을 저하시키거나 고장을 일으킬 수 있으므로 PCB 온도를 모니터링하는 것은 매우 중요합니다.
PCB 온도 측정은 고온으로 인한 문제가 국지적으로 남아 있지 않기 때문에 중요합니다. PCB의 다른 구성 요소로 빠르게 확산되어 일련의 오작동 및 손상을 일으킬 수 있습니다.
PCB의 과도한 열은 다음 유형의 손상을 일으킬 수 있습니다.
PCB 온도를 측정하기 전에 PCB의 주요 열원(일반적으로 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서)을 파악하고 온도 센서를 찾는 것이 중요합니다.
일반적으로 열원의 기판에 부착되는 접지(GND) 핀을 찾는 것도 필요합니다. PCB에서 생성된 열의 많은 부분이 이 GND 핀을 통해 온도 센서로 이동합니다. 핀이 기판에 연결되기 때문에 온도 센서와 열원 사이의 PCB 구성 요소 중 열 저항이 가장 적습니다.
이러한 정보가 있으면 온도 모니터링을 시작할 수 있습니다. PCB 온도 측정에는 일반적으로 세 가지 단계가 포함됩니다.
이 단계를 따르면 1차 열원의 온도를 측정할 수 있으며 따라서 PCB 전체의 온도를 정확하고 정확하게 측정할 수 있습니다.
PCB가 견딜 수 있는 열의 양은 구성되는 재료에 따라 다릅니다. 최적의 열 특성을 가진 재료는 고열의 영향에 대해 안정적인 저항을 제공하는 반면 일부 재료는 고온에 덜 안정적입니다. 유리 전이 온도(TG)로 알려진 메트릭은 이 저항을 나타내는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, FR-4의 TG는 약 섭씨 135도입니다.
PCB는 일반적으로 섭씨 150도의 온도 제한을 견딜 수 있는 경우 고온 PCB로 정의됩니다. 일부 고온 PCB는 더 높은 열을 견딜 수 있지만 내열성이 낮은 재료로 제조된 기판은 훨씬 낮은 온도에서만 안전하게 작동할 수 있습니다. 고온 PCB는 극한의 온도가 작업 환경의 일부인 자동차 및 산업 애플리케이션과 같은 애플리케이션에서 점점 더 일반화되고 있습니다.
PCB에서 열이 발생하는 일반적인 원인 중 하나는 PCB 내의 한 구성 요소가 오작동하고 소산되어 일반적으로 생산하는 전력량을 생성하지 못하는 것입니다. 이런 일이 발생하면 주변 구성 요소가 보상하기 위해 더 많은 전력을 생성해야 합니다. 더 많은 전력을 생성하면 과열될 위험이 있습니다.
스루홀 부품과 방열판 부품은 전원을 공급하는 PCB 부품이다. 그들은 열을 생성하고 공기 중으로 발산합니다. 방열판이 잘못 납땜되거나 PCB의 다른 구성 요소가 스루홀을 방해하는 경우 다른 구성 요소는 이를 보상하기 위해 평소보다 더 많은 열을 생성합니다. 이 시나리오는 또한 과열의 위험으로 이어집니다.
표면 실장 장치(SMD)는 스루홀 구성요소와 동일한 방식으로 PCB에 연결됩니다. 이를 통해 관통 구멍 및 방열판 구성 요소를 통한 전류 흐름이 더 원활해집니다. 그러나 관통 구멍 구성 요소와 SMD는 서로 올바른 거리에 배치되어야 합니다. 그것들이 너무 멀다면, 조류는 더 멀리 이동할 수 있을 것입니다. 전류가 이동하는 데 걸리는 추가 시간으로 인해 수신 부품이 너무 오랫동안 냉각 상태를 유지할 수 있습니다. 이 경우 다른 구성 요소가 보상을 위해 과열될 수 있습니다.
고온은 고주파 회로를 사용하는 애플리케이션에서 특히 발생하기 쉽습니다. 그 이유는 더 많은 전력을 생산할수록 자연스럽게 더 많은 열이 발생하기 때문입니다.
예를 들어 무선 주파수 회로는 PCB 엔지니어링에서 빠르게 성장하는 분야를 나타냅니다. 이러한 회로는 매우 복잡하지만 의료 및 산업 제품의 무선 보안에서 스마트폰에 이르기까지 많은 유용한 응용 프로그램이 있습니다. 이러한 고주파 회로는 엄청난 양의 열을 발생시키는 경향이 있으므로 이러한 유형의 PCB에는 특별한 설계 기술이 필요합니다.
전반적으로 PCB 산업은 유해 물질 제한(RoHS)을 향해 나아가고 있습니다. RoHS PCB는 무연 솔더를 사용하고 무연 솔더는 높은 온도가 필요하므로 자유롭게 흐를 수 있습니다.
지금까지 살펴본 바와 같이 PCB 온도 상승을 방지하는 것이 중요합니다. 그러나 PCB의 열을 어떻게 줄일 수 있습니까? 엔지니어는 몇 가지 다른 PCB 방열 기술을 사용할 수 있습니다.
PCB는 기본적으로 열을 발생시키는 모든 구성 요소를 포함하고 있기 때문에 열을 발생시키는 공장입니다. PCB는 모든 열 에너지를 분산시킬 방법이 필요합니다. 일반적으로 답은 방열판과 관련이 있습니다. 방열판은 열을 안전하게 발산하므로 보드가 쌓이거나 손상되지 않습니다.
대부분의 전자 장치에는 냉각용 팬이 포함되어 있으며 이러한 팬의 목적 중 일부는 PCB 냉각을 돕는 것입니다. 냉각 팬은 전자 장치의 열을 분산시키는 동시에 시원한 공기를 유입시켜 과열을 방지하고 PCB의 수명과 성능을 연장하는 데 도움이 됩니다.
PCB에서 열을 줄이기 위한 가장 효과적인 전략 중 하나는 내열성 재료를 선택하는 것입니다. 예를 들어 두꺼운 구리판으로 구성된 무거운 구리 PCB는 내구성과 고온을 견딜 수 있는 능력이 탁월한 선택입니다. 더 높은 수준의 전류를 처리하고 더 오랜 시간 동안 고온에 견디며 표준 PCB보다 더 강력한 연결 지점을 제공합니다. 이러한 이유로 자동차, 항공, 중장비 및 전력 변환기 애플리케이션 및 기타 중부하 환경에서 특히 유용합니다.
많은 PCB에는 난연제로 유용하지만 극도로 높은 온도를 견딜 수 없는 FR-4가 포함되어 있습니다. PCB 구성에 FR-4가 포함되어 있다는 사실을 알면 엔지니어는 재료가 견딜 수 있는 것보다 더 많은 열을 생성하지 않는 회로를 설계할 수 있습니다.
무선 주파수 회로에 사용되는 RF 재료 및 폴리아미드와 같은 재료도 고온에 민감합니다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 RF 기판에서 매우 일반적이지만 드릴링 열 아래서 번질 수 있고 번짐은 제거하기가 매우 어렵습니다. 이러한 재료는 FR-4만큼 PCB에서 일반적이지 않지만 엔지니어는 이러한 재료로 작업하는 경우 설계에 주의해야 합니다. 이러한 상황에서는 고온 라미네이트를 사용하는 것이 좋습니다.
PCB에서 두꺼운 판은 얇은 판보다 열을 덜 효과적으로 전도하는 경향이 있습니다. 고온에 도달하려면 더 많은 전력이 필요하므로 올바른 엔지니어링을 사용하면 과열, 뒤틀림 및 중단의 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
라미네이트를 적용하는 것은 고온으로 인한 손상을 방지하는 또 다른 방법입니다. 고온 PCB 라미네이트는 PCB 구성 요소에 열 보호 기능을 제공하여 과열을 방지할 수 있습니다.
고온 라미네이트에는 다음과 같은 보호 특성이 있어야 합니다.
열팽창 계수(CTE)는 고온에 노출되었을 때 재료가 얼마나 팽창하는지 측정합니다. PCB 설계에서 유전체 층이 구리 층과 유사한 CTE를 갖는 것이 이상적입니다. 그렇게 하면 레이어가 확장될 때 최소한의 손상으로 이어지는 균일한 방식으로 확장됩니다.
다층 스택에서 CTE가 정렬되지 않으면 레이어가 완전히 다른 속도로 확장되어 뒤틀림과 중단이 발생할 수 있습니다. 이러한 불균일한 팽창이 PCB 조립 중에 발생하면 오정렬도 드릴링에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.
CTE가 낮은 PCB 재료를 선택하면 과열을 방지하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 직조된 유리 또는 마이크로 유리 섬유로 채워진 PTFE는 우수한 전기적 특성을 갖지만 높은 CTE를 갖습니다. 따라서 이 재료는 열 인성이 최우선 순위일 때 좋지 않은 선택입니다. 반면에 세라믹으로 채워진 PTFE는 CTE가 낮고 고온에서 훨씬 더 나은 성능을 보이지만 전기적 특성은 약간 떨어집니다.
PCB에서 부품 간격을 결정하는 것은 까다로운 프로세스일 수 있습니다. 보드 구성 요소가 너무 가까우면 혼선이 발생할 수 있습니다. 즉, 서로 다른 구성 요소가 바람직하지 않은 방식으로 서로 상호 작용하기 시작할 수 있습니다. 이러한 원치 않는 상호 작용은 피부 효과로 알려진 것으로 이어집니다. 표피 효과가 발생하면 미량 저항이 증가하여 저항 손실이 발생하고 회로에 열이 추가됩니다. 표피 효과는 고주파 PCB에서 특히 일반적이므로 엔지니어는 기판이 과열되지 않도록 부품 간격에 각별한 주의를 기울여야 합니다.
PCB의 히트 파이프는 열 분산에도 도움이 될 수 있습니다. 파이프의 액체는 열을 흡수하여 보드의 구성 요소가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.
상대 열 지수(RTI)와 최대 작동 온도(MOT)는 엔지니어가 PCB 설계 시 주의해야 하는 두 가지 관련 측정입니다.
RTI는 재료가 특성을 변경하거나 성능을 저하시키지 않고 처리할 수 있는 최고 온도를 나타냅니다. MOT는 특정 회로 기판 구성이 특성 변경이나 성능 저하 없이 견딜 수 있는 최고 온도를 나타냅니다. 엔지니어는 PCB 설계 시 이 두 가지 측정을 모두 염두에 두고 이러한 측정 기준에 따라 결정되는 강력한 내열성을 가진 재료 및 회로 구성 요소를 선택해야 합니다.
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PCB라고도 하는 인쇄 회로 기판은 오늘날 모든 전자 부품의 핵심을 형성합니다. 이 작은 친환경 부품은 일상적인 가전제품과 산업 기계 모두에 필수적입니다. PCB 설계 및 레이아웃은 모든 제품 기능의 중요한 구성 요소입니다. 이것이 장비의 성공 또는 실패를 결정합니다. 기술의 끊임없는 진화와 함께 이러한 디자인은 계속해서 발전해 왔습니다. 오늘날 이러한 설계의 복잡성과 기대치는 전기 엔지니어의 혁신 덕분에 새로운 수준에 도달했습니다. 최근 PCB 설계 시스템 및 기술의 발전은 업계 전반에 걸쳐 광범위한 영향을 미쳤습니다. 결과적
가장 일반적인 구성 요소 통합 플랫폼인 다층 PCB는 회로 기판과 구성 요소를 함께 연결합니다. 전자 제품의 경량화, 박형화, 소형화, 고성능화에 따라 IC 부품의 집적도가 높아져 PCB의 무결성이 높아졌습니다. 그 결과, 특히 A/D 또는 D/A 유형과 같은 고주파 IC 부품의 대량 활용 및 회로 주파수의 상승으로 인해 열 발생이 분명히 증가하고 PCB의 열 밀도가 점점 더 높아졌습니다. 막대한 열 손실을 내보내지 못하면 전자 장비의 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 통계에 따르면 전자기기 고장의 원인 중 온도가 55%를 차지한다고