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온도는 인쇄 회로 기판(PCB)의 안전성, 신뢰성, 성능에서 중요한 요소입니다. 고온은 빠르게 오작동과 영구적 손상을 초래할 수 있습니다.
여러 상황이 PCB 작동에 열을 유입시킬 수 있습니다. PCB에 장착된 부품이 과도한 열을 발생시킬 수 있습니다. 외부 요소(예: 항공우주 시스템이나 의료 애플리케이션 같은 복잡한 시스템의 다른 부품)가 과도한 열을 발생시킬 수 있습니다. 환기 불량으로 PCB에 열이 축적될 수 있습니다. 또는 PCB 조립 중 드릴링과 납땜에서 발생하는 열이 부품에 과도한 열 응력을 가해 결함 보드를 초래할 수 있습니다.
이유가 무엇이든 엔지니어는 PCB가 필연적으로 겪게 될 높은 열 응력을 견딜 수 있도록 열을 관리하는 방법이 필요합니다. 효과적인 PCB 방열 기술과 PCB 온도 상승 방지 방법은 무엇일까요? 아래에서 자세히 답변해 드립니다.
PCB 온도 모니터링은 고온이 PCB 구조를 변경하고 성능을 저하시키거나 고장을 일으킬 수 있기 때문에 중요합니다.
PCB 온도 측정은 고온으로 인한 문제가 국소화되지 않고 다른 PCB 부품으로 빠르게 퍼져 오작동과 손상의 연쇄 반응을 일으킬 수 있기 때문에 중요합니다.
PCB 과열로 인한 손상 유형은 다음과 같습니다.
PCB 온도를 측정하기 전에 PCB의 주요 열원(일반적으로 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서)과 온도 센서 위치를 파악하는 것이 필수적입니다.
또한 열원의 기판에 일반적으로 연결된 그라운드(GND) 핀을 찾아야 합니다. PCB에서 생성된 열의 상당 부분은 이 GND 핀을 통해 온도 센서로 이동합니다. 핀이 기판에 연결되어 있으므로, 온도 센서와 열원 사이의 PCB 모든 구성 요소 중 가장 낮은 열 저항을 가집니다.
이 정보를 확보하면 온도 모니터링을 시작할 수 있습니다. PCB 온도 측정은 일반적으로 세 가지 단계로 이루어집니다.
이 단계를 따르면 주요 열원(따라서 전체 PCB)의 온도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있습니다.
PCB가 견딜 수 있는 열의 양은 구성 소재에 따라 다릅니다. 최적의 열적 특성을 가진 소재는 고열 영향에 대해 신뢰성 있는 저항을 제공하지만, 일부 소재는 고온에 덜 신뢰성 있게 견딥니다. 유리 전이 온도(TG)라는 지표가 이 저항을 나타내는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 FR-4의 TG는 약 135°C입니다.
PCB는 일반적으로 150°C의 온도 한계를 견딜 수 있다면 고온 PCB로 정의됩니다. 일부 고온 PCB는 더 높은 열도 견딜 수 있지만, 내열성이 낮은 소재로 제조된 보드는 훨씬 낮은 온도에서만 안전하게 작동할 수 있습니다. 고온 PCB는 자동차 및 산업 애플리케이션 등 극한 온도가 작업 환경의 일부인 분야에서 점점 더 일반화되고 있습니다.
PCB 고열의 일반적인 원인 중 하나는 PCB 내 한 부품이 오작동하여 소산되면서, 일반적으로 생성하는 전력량을 생성하지 못하는 경우입니다. 이때 주변 부품이 보상하기 위해 더 많은 전력을 생성해야 하며, 이는 과열 위험을 초래합니다.
스루홀 부품과 히트싱크 부품은 PCB에 전력을 공급하는 구성 요소입니다. 이들은 열을 생성하고 공기로 방출합니다. 히트싱크가 잘못 납땜되었거나, PCB의 다른 부품이 스루홀을 방해하는 경우, 다른 부품이 보상하기 위해 평소보다 더 많은 열을 생성합니다. 이 시나리오도 과열 위험을 초래합니다.
표면 실장 장치(SMD)는 스루홀 부품과 같은 방식으로 PCB에 연결됩니다. 스루홀과 히트싱크 부품을 통해 전류가 더 원활하게 흐르도록 합니다. 하지만 스루홀 부품과 SMD는 서로 적절한 거리에 위치해야 합니다. 너무 멀리 떨어져 있으면 전류가 더 멀리 이동해야 합니다. 전류 이동에 걸리는 추가 시간으로 인해 수신 부품이 너무 오랫동안 차갑게 유지될 수 있습니다. 그러면 다른 부품이 보상하기 위해 과열될 수 있습니다.
고주파 회로를 사용하는 애플리케이션에서 고온이 특히 발생하기 쉽습니다. 더 많은 전력 생성이 자연스럽게 더 많은 열을 발생시키기 때문입니다.
예를 들어 무선 주파수 회로는 PCB 엔지니어링에서 빠르게 성장하는 분야입니다. 이 회로는 매우 복잡하지만 의료 및 산업 제품의 무선 보안부터 스마트폰까지 많은 유용한 애플리케이션을 가집니다. 이러한 고주파 회로는 엄청난 양의 열을 생성하는 경향이 있어, 이러한 유형의 PCB에는 특별한 설계 기술이 필요합니다.
PCB 산업 전반이 유해 물질 제한(RoHS) 방향으로 이동하고 있습니다. RoHS PCB는 무연 납땜을 사용하며, 무연 납땜은 자유롭게 흐르기 위해 고온을 필요로 합니다.
앞서 본 바와 같이 PCB 온도 상승 방지는 중요합니다. 하지만 PCB 열을 어떻게 줄일 수 있을까요? 엔지니어는 몇 가지 PCB 방열 기술을 사용할 수 있습니다.
PCB는 포함된 모든 열 발생 부품 때문에 기본적으로 열 발생 공장입니다. PCB는 그 모든 열 에너지를 안전하게 소산시킬 방법이 필요합니다. 일반적으로 답은 히트싱크입니다. 히트싱크는 열을 안전하게 소산시켜 축적되어 보드를 손상시키지 않도록 합니다.
대부분의 전자 기기에는 냉각 팬이 포함되어 있으며, 그 팬의 목적 중 하나는 PCB를 식히는 것입니다. 냉각 팬은 전자 기기에서 열을 배출하고 찬 공기를 유입시켜 과열을 방지하고 PCB 수명과 성능을 연장합니다.
내열성 소재 선택은 PCB 열을 줄이는 가장 효과적인 전략 중 하나입니다. 예를 들어 두꺼운 구리 플레이트로 제작된 헤비 구리 PCB는 내구성과 고온 견딤 능력으로 훌륭한 선택입니다. 더 높은 전류 레벨을 처리하고, 더 오랜 시간 더 높은 온도를 견디며, 표준 PCB보다 더 강한 연결점을 제공합니다. 이러한 이유로 자동차, 항공, 중장비, 전력 변환 애플리케이션 및 기타 중장비 환경에 특히 유용합니다.
많은 PCB에 FR-4가 포함되어 있는데, 난연제로는 유용하지만 극도로 높은 온도를 견디지는 못합니다. PCB 구조에 FR-4가 포함되어 있음을 알면 엔지니어는 소재가 견딜 수 있는 이상의 열을 발생시키지 않는 회로를 설계할 수 있습니다.
RF 소재(무선 주파수 회로용) 및 폴리아마이드 같은 소재도 고온에 민감합니다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 RF 보드에서 매우 흔하지만, 드릴링 열에 의해 스미어(smear)될 수 있고 이 스미어는 제거하기 매우 어렵습니다. 이러한 소재는 FR-4만큼 PCB에서 흔하지 않지만, 엔지니어는 이러한 소재로 작업할 때도 설계에 주의를 기울여야 합니다. 이러한 상황에서는 고온 라미네이트 사용이 적극 권장됩니다.
PCB에서 더 두꺼운 플레이트는 더 얇은 것보다 열을 덜 효과적으로 전도하는 경향이 있습니다. 높은 온도에 도달하려면 더 많은 전력이 필요하므로, 적절한 엔지니어링으로 과열, 휨, 중단의 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
라미네이트 적용은 고온으로 인한 손상을 방지하는 또 다른 방법입니다. 고온 PCB 라미네이트 는 PCB 부품에 열 보호를 제공하여 과열을 방지할 수 있습니다.
고온 라미네이트는 다음과 같은 보호 특성을 가져야 합니다.
열팽창 계수(CTE)는 고온에 노출되었을 때 소재가 얼마나 팽창하는지 측정합니다. PCB 설계에서 유전체 층의 CTE가 구리 층의 CTE와 유사하는 것이 이상적입니다. 그렇게 하면 층이 팽창하더라도 최소한의 손상을 초래하는 균일한 방식으로 팽창합니다.
다층 스택에서 CTE가 정렬되지 않으면 층이 완전히 다른 속도로 팽창하여 휨과 중단을 초래할 수 있습니다. 이 불균일한 팽창이 PCB 조립 중 발생하면, 오정렬로 인해 드릴링에도 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.
낮은 CTE를 가진 PCB 소재 선택은 과열 방지에 도움이 됩니다. 예를 들어 직조 유리 또는 마이크로 글라스 섬유로 채워진 PTFE는 우수한 전기적 특성을 가지지만 CTE도 높습니다. 따라서 열적 강인성이 최우선일 때 이 소재는 나쁜 선택입니다. 반면 세라믹으로 채워진 PTFE는 CTE가 낮고 고온에서 훨씬 더 잘 수행되지만, 전기적 특성은 약간 손실됩니다.
PCB에서 부품 간격 결정은 까다로운 과정일 수 있습니다. 보드 부품이 너무 가까이 있으면 크로스토크가 발생할 수 있습니다. 즉, 다른 부품이 바람직하지 않은 방식으로 상호작용하기 시작합니다. 이러한 원치 않는 상호작용은 스킨 효과(skin effect)로 알려진 현상을 초래합니다. 스킨 효과가 발생하면 트레이스 저항이 증가하여 저항 손실을 초래하고 회로에 열을 더합니다. 스킨 효과는 특히 고주파 PCB에서 흔하므로, 엔지니어는 보드 과열을 방지하기 위해 부품 간격에 각별히 주의해야 합니다.
PCB의 히트 파이프도 열을 분산시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 파이프 내 액체가 열을 흡수하여 보드 부품 손상을 방지합니다.
상대 열 지수(RTI)와 최대 작동 온도(MOT)는 PCB 설계 시 엔지니어가 세심한 주의를 기울여야 할 두 가지 관련 측정값입니다.
RTI는 소재가 특성 변화나 성능 저하 없이 견딜 수 있는 최고 온도를 나타냅니다. MOT는 특정 회로 기판 구성이 특성 변화나 성능 저하 없이 견딜 수 있는 최고 온도를 말합니다. 엔지니어는 PCB 설계 시 이 두 측정값을 염두에 두고, 이 지표로 결정된 견고한 내열성을 가진 소재와 회로 부품을 선택해야 합니다.
온도 제어를 위해 설계된 PCB가 필요할 때, 밀레니엄 서키츠 리미티드를 엔지니어링 솔루션의 신뢰할 수 있는 제공업체로 삼으십시오. 당사의 고온 PCB 라미네이트는 PCB 과열 위험을 줄이는 데 도움이 되며, 헤비 구리 PCB와 고TG PCB는 고온을 견디는 우수한 능력을 제공합니다. 귀사의 사양에 맞춘 맞춤형 PCB 설계도 지원해 드립니다.
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인쇄 회로 기판(PCB)은 오늘날 모든 전자 제품의 핵심입니다. 이 작은 녹색 부품은 일상 가전제품부터 산업용 기계까지 필수적입니다. PCB 설계와 레이아웃은 모든 제품 기능의 중요한 구성 요소로, 장비의 성공 또는 실패를 결정합니다. 기술의 끊임없는 진화로 이러한 설계는 지속적으로 발전해 왔습니다. 오늘날 전기 엔지니어들의 혁신 덕분에 이러한 설계의 복잡성과 기대치는 새로운 차원에 도달했습니다. 최근 PCB 설계 시스템과 기술의 발전은 업계 전반에 광범위한 영향을 미쳤습니다. 그 결과 PCB 설계 규칙과 생산 공정이 진화하여
가장 일반적인 부품 통합 플랫폼인 멀티레이어 PCB는 회로 기판과 부품을 연결합니다. 전자 제품이 경박단소(輕薄短小)화되고 고성능화되면서 IC 부품 고집적화로 PCB 집적도도 높아졌습니다. 그 결과 발열량이 뚜렷이 증가하고, 특히 A/D, D/A 타입 고주파 IC 부품 대량 채용과 회로 주파수 상승으로 PCB 열밀도가 급증합니다. 대량 열손실이 방출되지 않으면 전자 장비 신뢰성에 치명적입니다. 통계에 따르면 전자 장비 고장 원인 중 온도 비중이 55%로 1위입니다. 온도 상승 시 전자 부품 고장률은 기하급수적으로 증가하며, 환경 온