PCB 열 설계 마스터하기: 신뢰성을 위한 필수 원칙

전자 부품 고장의 절반 이상이 열 환경으로 인한 높은 스트레스 때문이라는 추정이 있습니다. 최근 대용량 및 초고집적 회로(IC)와 표면 실장 기술(SMT)의 광범위한 적용으로 전자 제품은 소형화, 고밀도화, 고신뢰성 방향으로 발전하고 있습니다. 이에 따라 전자 시스템은 점점 더 높은 열 성능을 요구하게 되었습니다. 전자 제품의 등장과 함께 탄생한 열 관리는 전자 시스템의 성능과 기능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

전자 장치의 중추인 PCB(인쇄 회로 기판)의 합리적인 설계는 높은 성능을 보장합니다. PCB 설계가 열 요구사항을 부분적으로라도 충족하지 못하면 전자 장치는 손상 위험이나 고장을 겪게 됩니다. 회로 모듈의 집적도 증가와 IC 및 멀티칩 모듈(MCM)의 대량 적용으로 부품 실장 밀도가 향상되어 PCB上の 열 흐름 밀도가 높아졌습니다. 고품질 PCB는 정확하고 합리적인 레이아웃과 라우팅뿐만 아니라 안전한 작동을 위한 높은 열 신뢰성에도 의존합니다. 따라서 PCB上に 포괄적인 열 방산 규칙과 분석을 구현하는 것은 매우 중요합니다. 이 글은 기본 열 설계 원칙부터 시작하여 전자 설계자가 업무에 바로 적용할 수 있는 엔지니어 친화적인 열 설계 규칙을 소개합니다.

열 설계의 기본 원칙

열 설계는 열전달과 유체 역학의 기본 이론에 기반합니다. 온도 차이가 있는 곳에는 고온 영역에서 저온 영역으로 열전달이 발생합니다. 열전달은 열전도, 열대류, 열복사의 세 가지 방식으로 이루어집니다.

열전달 공식: Φ = K·A·Δt
여기서 Φ는 열전달량(W), K는 열전달 계수(W/(m²·K)), A는 열전달 면적(m²), Δt는 열유체와 냉유체 간의 온도 차이(K)입니다.

PCB 열 설계는 열원부터 열소비 공간까지의 열저항을 냉각 조치를 통해 최소화하거나, 열유체 밀도를 허용 범위 내로 제어하는 과정으로 정의됩니다. 신뢰성을 보장하기 위해 다음 관점에서 유효한 열 설계 조치를 취해야 합니다:

• 자연 냉각: 외부 힘 없이 열을 전도합니다. 열전도, 복사 열전달, 자연 대류 전열이 포함됩니다.
• 강제 공랭: 냉각 공기를 전자 장치나 부품을 통해 흐르게 하여 환풍기나 램 에어를 통해 열원에서 방열판으로 열을 전달합니다.
• 유체 냉각: 두 가지 방법이 있습니다.
  1) 직접 유체 냉각: 부품을 냉각액에 직접 담그는 과정입니다.
  2) 간접 유체 냉각: 부품이 냉각액과 직접 접촉하지 않고 열교환기나 콜드 플레이트를 통해 냉각하는 과정입니다.
• 증발 냉각: 현재 가장 효과적인 열전도 방식으로, 냉각 매체의 비등으로 열전달을 얻습니다.
• 기타 냉각 조치: 히트파이프, 콜드 플레이트, 열전 냉각.

열 관리 과정에서 실제 작동 환경(온도, 습도, 기압, 먼지 등), 보드上の 열유체 밀도, 전력 밀도와 총 전력 소비, 표면적, 부피, 방열판 및 기타 특수 조건에 따라 적절한 열 설계 조치를 취하여 온도의 균일한 분포와 규정 제한값 내의 합리적인 온도 상승을 보장해야 합니다.

열 설계 규칙

열 설계의 일반적인 목적은 회로 기판上に 실장된 모든 전자 부품의 온도를 제어하고, 전기적 성능의 안정성을 보장하며, 전기적 파라미터의 온도 드리프트를 방지 또는 감소시키고, 부품의 기본 고장률을 낮추며, 작동 환경 온도가 최대 허용 온도를 초과하지 않도록 하는 것입니다. 이 글은 PCB 열 설계 규칙을 PCB上の 부품 활용, PCB 열 설계, 부품 조립 및 PCB 레이아웃의 3가지 관점에서 설명합니다.

전자 부품의 활용

1) 부품 작동 온도 제어 방법

온도는 부품 성능과 고장률에 영향을 주는 제1 요소입니다. 요구되는 신뢰도 수준과 각 부품의 분포 고장률에 따라 최대 허용 작동 온도와 전력 소비를 결정해야 합니다. 표 1은 열 설계 신뢰성 관점에서 본 부품의 허용 최대 표면 온도 값을 보여줍니다.

부품	최대 표면 온도/°C	부품	최대 표면 온도/°C
트랜스포머, 초크	95	세라믹 커패시터	80-85
금속 피막 저항	100	유리 세라믹 커패시터	200
카본 피막 저항	120	실리콘 트랜지스터	150-200
팔라듐 피막 저항	200	게르마늄 트랜지스터	70-90
압착 권선 저항	150	진공관	15-200
인쇄 저항	85	CMOS 완전 밀봉 플랫 패키지	125
도장 권선 저항	225	세라믹 DIP, 흑자 DIP	/
종이 커패시터	75-85	CMOS 플라스틱 DIP	85
필름 커패시터	60-130	TTL 소규모 IC	25-125
운모 커패시터	70-120	TTL 중규모 IC	70-85

2) 부품 접합 온도 제어 방법

부품 접합 온도는 자체 전력 소비, 열저항, 환경 온도에 따라 달라집니다. 따라서 접합 온도를 허용 범위 내로 제어하는 조치에는 다음이 포함됩니다:

• 내부 열저항이 낮은 부품 선택
• 디레이팅(derating)을 사용하여 온도 상승 감소
• 전력 부품을 포함하는 회로는 표준 매뉴얼의 가이드라인을 준수하는 정교한 열 설계를 통해 신뢰성 확보

3) 부품 사용 시 디레이팅 설계 방법

필요에 따라 디레이팅 설계를 실제 사용에 적용하여 부품이 정격 파라미터(전력, 전압, 전류) 이하 조건에서 동작하도록 함으로써 온도 상승과 고장률을 크게 줄일 수 있습니다.

PCB 열 설계 규칙

PCB 수직 조립은 방열에 유리하며 보드 간 거리는 최소 20mm 이상 유지해야 합니다. 보드 열 설계 규칙은 다음과 같습니다:

1. 고온 내성과 높은 열전도 파라미터를 가진 재료를 PCB 기판 재료로 선택합니다. 고전력 및 고밀도 회로의 경우 알루미늄 베이스와 세라믹을 기판 재료로 사용할 수 있습니다(낮은 열저항 때문). PCBCart는 이러한 기판 재료로 PCB 제조가 가능합니다. 이 페이지에서 PCB 파일과 수량 요구사항을 보내주시면 알루미늄 베이스 및 세라믹 베이스 PCB 견적을 받아보실 수 있습니다.
2. 다층 구조는 PCB 열 방산에 최적의 선택입니다.
3. 회로 기판의 열전도 능력을 향상시키기 위해 방열 보드를 사용하는 것이 최선입니다. 금속 코어 보드를 다층 PCB에 적용하여 보드, 지지 장치, 방열 장치 간에 우수한 방열을 얻을 수 있습니다. 필요시 보호 코팅과 캡슐화 재료를 사용하여 지지 장치나 방열 장치로의 열전달을 가속화할 수 있습니다.

4. PCB 방열 능력을 높이기 위해 버스바(busbar)를 사용할 수 있습니다. 이는 훌륭한 라디에이터 역할을 하며 PCB의 내간섭 성능도 향상시킵니다.
5. PCB 열 방산 능력을 개선하기 위해 금속 박막 두께를 늘리고, 내부 도체에는 넓은 면적의 금속 박막을 사용해야 합니다. 또한 그라운드 라인 폭을 적절히 늘려야 하는데, 넓은 면적의 그라운드 라인은 내간섭 능력과 방열 용량을 모두 증가시킵니다.

부품 조립 및 PCB 레이아웃

부품 레이아웃은 특히 수직으로 배치된 PCB의 열 성능에 매우 중요합니다. 부품 조립 방향은 냉각수의 유동 특성에 부합하여 냉각수에 최소 저항을 제공해야 합니다. 조립 및 레이아웃 측면에서 부품에 적용되는 규칙은 다음과 같습니다:

1. 자연 대류 공랭 방식 제품의 경우, IC나 기타 부품을 그림 2와 같이 세로 방향으로 배치하는 것이 최선입니다. 강제 공랭 방식 제품의 경우, IC나 기타 부품을 그림 3과 같이 가로 방향으로 배치하는 것이 최선입니다.

2. 동일 PCB上の 부품은 발열량과 방열 수준에 따라 분류하여 배치해야 합니다. 발열량이 적거나 내열성이 낮은 부품(소신호 트랜지스터, 소규모 IC, 전해 커패시터 등)은 업스트림(입구)에, 발열량이 많거나 내열성이 높은 부품(고주파 트랜지스터, 초고집적 IC 등)은 다운스트림에 배치해야 합니다. 소신호 증폭기 주변에는 온도 드리프트가 작은 부품을 배치하고, 액체 매질 커패시터는 열원에서 멀리 떨어뜨려야 합니다.
3. 수평 방향으로는 고주파 부품을 PCB 가장자리에 인접하게 배치하여 열전달 경로를 최소화해야 합니다. 수직 방향으로는 고주파 부품을 PCB 상단 가까이에 배치하여 다른 부품 온도에 미치는 영향을 줄여야 합니다.
4. 온도에 민감한 부품은 제품 하단 등 최저 온도 영역에 배치해야 합니다. 발열 부품 바로 위에는 배치하지 말아야 하며, 발열 부품에서 멀리 떨어뜨리거나 격리해야 합니다.
5. 가장 전력 소비와 발열이 큰 부품은 방열에 가장 좋은 위치에 인접하게 배치해야 합니다. 고온 부품을 모서리나 가장자리에 배치하지 말아야 하며, 라디에이터가 주변에 배치되지 않는 한 피해야 합니다. 파워 저항 배치 시 상대적으로 큰 부품을 선택하고 PCB 레이아웃 과정에서 충분한 방열 공간을 확보해야 합니다.
6. 전력은 PCB上に 균일하게 분배하여 균형과 일관성을 유지하고 열점 집중을 피해야 합니다. 엄격한 균일성은 달성하기 어렵지만 극도로 높은 전력 밀도 영역은 피해야 하며, 과열점이 전체 회로의 정상 작동을 깨뜨릴 수 있습니다.
7. PCB 설계 과정에서 공기 흐름 경로를 충분히 고려하고 부품을 합리적으로 배치해야 합니다. 공기는 저항이 적은 곳으로 흐르므로 PCB上に 부품을 배치할 때 상대적으로 큰 공기 공간을 피해야 합니다.
8. 회로 기판에 열 조립 기술을 적용하여 양호한 열전달 효과를 얻어야 합니다. IC와 마이크로프로세서 같은 부품에서 발생하는 열의 절반 이상은 자체 리드를 통해 PCB로 전달되므로, 조립 홀에는 금속 도금 홀을 사용해야 합니다. 이러한 부품은 열전도 스틱이나 보드에 직접 실장하여 부품으로 인한 열저항을 줄일 수도 있습니다.
9. 고방열 부품과 PCB 간 연결에서 열저항을 최대한 낮춰야 합니다. 열 특성 요구사항을 충족하기 위해 칩 아래에 열전도 재료를 사용하고 접촉 영역의 부품 방열을 유지해야 합니다.
10. 부품과 PCB 연결 시 부품 핀을 짧게 해야 합니다. 고전력 소자 선택 시 리드 재료의 전도성을 고려해야 합니다. 가능하면 리드 단면적이 크고 핀이 가장 많은 부품을 선택하세요.

기타 요구사항

1. 부품 패키지: PCB 열 설계 시 부품 패키지 유형과 열전도율을 고려해야 합니다. 기판과 부품 패키지 사이에 열전도 경로를 제공하고 열전도 경로上の 에어 갭을 피해야 합니다.
2. 기술적 방법: 보드 양면에 부품이 있는 영역에서 국부 고온이 발생할 수 있습니다. 열 방산 조건을 변경하기 위해 솔더 페이스트에 미세 구리를 추가하여 솔더 포인트가 부품 아래에서 일정 높이로 상승하게 하면 부품과 PCB 사이의 공기 공간이 늘어나 열대류가 개선됩니다.
3. 방열 홀: PCB上に 방열 홀과 블라인드 비아를 배치하여 방열 면적을 효과적으로 늘리고 열저항을 줄이며 PCB 전력 밀도를 높일 수 있습니다.

열 분석

계산 열전달에 기반한 열 분석의 수치 계산 방법은 주로 유한 차분법, 유한 요소법, 경계 요소법을 포함하며, 모듈 단순화, 수학 모듈 구축, 비선형 방정식 풀이, 해석 절차 작성 및 조정, 계산, 열 파라미터 측정 및 테스트 과정을 말합니다.

열 설계의 근본적인 측면으로서 열 분석은 열 설계의 중요성을 평가하는 중요한 방법입니다. PCB 열 분석은 PCB 구조와 원자재, 부품 패키지 유형, PCB 작동 환경을 기반으로 부품 열 모듈을 구축하고 시뮬레이션 제어 파라미터를 설정하여 PCB 열 거동 값을 추정하는 과정입니다. 열 분석은 레이아웃 전 개념 단계에서 그리고 PCB 설계 전 과정에서 수행되어야 합니다.

열 분석으로부터 부품 온도, 보드 온도, 공기 흐름 온도 값을 얻을 수 있으며, PCB 열 특성을 컬러 이미지, 온도 등온선 시각 그래픽, 구체적 데이터 형태로 표시할 수 있습니다.

열 분석 결과를 바탕으로 PCB 열 문제를 신속히 파악하고 적절한 조치를 적시에 취하며 고온 밀집 영역을 제거할 수 있습니다. 이는 열전도 경로 결정, 핵심 부품 위치 최적화, 라디에이터 형상과 크기 최적화로 방열률을 최대한 활용하고, 방열 홀과 라디에이터의 열전달 효율 증대, 보드 간 및 보드上の 부품 간 간격 결정에 도움이 됩니다.

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유용한 참고 자료

• PCB 열 설계 고려사항
• 열 모델 기반 PCB 내부 열 방산 설계
• 메탈 코어 PCB: PCB 및 PCBA 열 문제에 대한 이상적 솔루션
• PCB 제조업체 또는 PCB 조립업체 평가 방법
• PCBCart의 풀 피처 PCB 제조 서비스
• PCBCart의 고급 PCB 조립 서비스