PCB용 열 설계의 가장 포괄적인 원리

전자 부품의 절반 이상이 열 환경으로 인한 높은 스트레스로 인해 고장나는 것으로 추정됩니다. 최근 몇 년 동안 대규모 및 하이퍼스케일 집적 회로(IC) 및 표면 실장 기술(SMT)의 광범위한 장치와 전자 제품이 소형화, 고밀도 및 고신뢰성을 향한 개발 방향을 수용하기 시작하는 것을 목격했습니다. 따라서 전자 시스템은 열 성능에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다. 결국 전자 제품의 출현과 함께 탄생한 열 관리는 전자 시스템의 성능과 기능을 결정하는 중요한 역할을 합니다.

전자 기기의 근간인 PCB(Printed Circuit Boards)의 합리적인 설계는 고성능을 보장합니다. PCB 설계가 부분적으로 또는 완전히 열 요구 사항을 충족하지 못하는 경우 전자 장치는 확실히 손상 위험 또는 고장을 겪을 것입니다. 지속적으로 증가하는 회로 모듈의 무결성과 IC 및 다중 칩 모듈(MCM)의 대규모 애플리케이션은 부품 조립 밀도의 개선에 기여하여 PCB의 열 흐름 밀도를 높입니다. 고품질 PCB는 정확하고 합리적인 레이아웃 및 라우팅에서 파생될 뿐만 아니라 안전한 작동을 위해 높은 열 신뢰성에 의존합니다. 따라서 PCB에 대한 포괄적인 열 소산 규칙 및 분석을 구현하는 것이 매우 중요합니다. 이 기사는 시작 열 설계 원칙으로 시작하여 전자 설계자가 작업에 간편하게 적용할 수 있는 엔지니어 친화적인 열 설계 규칙을 소개합니다.

열 설계의 기본 원리

열 설계는 열 전달 및 유체 역학의 기본 이론을 기반으로 합니다. 온도차가 있는 곳에서는 고온대에서 저온대로 열이 이동합니다. 열전달은 열전도, 열 대류 및 열 복사를 통해 달성할 수 있습니다.

열전달 공식은 다음과 같이 표시됩니다. φ=KAΔt, 여기서 φ는 단위가 W인 열전달량을 나타내고, K는 단위가 W/(m ^{2 x K), A는 단위가 m 2 인 열 전달 면적을 나타냅니다. Δt는 단위가 K인 열유체와 냉유체 사이의 온도차를 나타냅니다.}

PCB의 열 설계는 열 전달 속성에 의한 냉각 조치를 통해 열원에서 열 소비 공간까지의 열 저항을 최소로 낮추거나 열 유체의 밀도를 허용 범위 내로 제어하는 ​​프로세스로 정의됩니다. 신뢰성을 보장하기 위해 다음과 같은 관점에서 유효한 열 설계 조치를 취해야 합니다.
a. 외부의 힘 없이 열을 전도하는 자연 냉각. 여기에는 열전도, 복사 열전달 및 자연 대류 전달이 포함됩니다.
b. 강제 공기 냉각. 냉각 공기가 전자 장치 또는 구성 요소를 통해 흐르게 하여 열원에서 열을 통풍기 또는 램 공기를 통해 방열판으로 전달합니다.
c. 유체 냉각. 유체 냉각에는 두 가지 방법이 있습니다.
1). 직접 유체 냉각은 구성 요소를 유체 냉각수에 직접 담그는 과정을 말합니다.
2). 간접 유체 냉각은 구성 요소가 유체 냉각제와 직접 접촉하지 않는 과정을 말합니다. 단, 냉각은 열교환기나 냉각판을 통해 한다.
d. 증발 냉각. 현재 가장 효과적인 열전도 방식입니다. 열 전달은 냉각 매체의 발포에 의해 얻어집니다.
e. 다른 유형의 냉각 조치:열관, 냉각판, 열전 냉각.

열 관리 과정에서 실제 작동 환경(온도, 습도, 대기압, 먼지 등), 선내 열 유동 밀도, 전력 체적 밀도 및 총 소비 전력과 같은 실제 조건에 따라 적절한 열 설계 조치를 취할 수 있습니다. , 표면적, 부피, 방열판 및 기타 특수 조건은 규정된 제한 값 내에서 온도의 균일한 분포와 합리적인 온도 상승을 보장합니다.

열 설계 규칙

열 설계의 일반적인 목적은 전자 제품 내부의 회로 기판에 조립된 모든 전자 부품의 온도를 제어하고, 전기 성능의 안정성을 보장하고, 전기 매개변수의 온도 드리프트를 피하거나 줄이고, 부품의 기본 고장률을 낮추고, 작동 환경의 온도가 최대 허용 온도를 넘지 않도록 합니다. 이 기사에서는 PCB의 구성 요소 활용, PCB의 열 설계, 구성 요소 어셈블리 및 PCB 레이아웃의 3가지 관점에서 PCB 열 설계 규칙을 설명합니다.

ㅏ. 전자 부품 활용

1). 구성 요소의 작동 온도를 제어하는 ​​방법은 무엇입니까?

온도는 부품 성능과 고장률에 영향을 미치는 첫 번째 요소입니다. 최고 허용 작동 온도 및 소비 전력은 요구되는 신뢰성 수준과 각 부품의 분포 고장률에 따라 결정되어야 합니다. 표 1은 열 설계의 신뢰성 측면에서 구성 요소의 허용 가능한 최대 표면 온도 값을 보여줍니다.

구성요소	최대. 표면 온도/°C	구성요소	최대. 표면 온도/°C
변압기, 초크	95	세라믹 커패시터	80-85
금속 필름 저항기	100	유리 세라믹 커패시터	200
탄소 필름 저항기	120	실리콘 트랜지스터	150-200
팔라듐 필름 저항기	200	게르마늄 트랜지스터	70-90
압착 권선 저항기	150	진공관	15-200
인쇄된 저항기	85	CMOS 완전 밀폐형 평면 패키지	125
도장 권선 저항기	225	세라믹 DIP, 블랙 포세린 DIP	/
종이 축전기	75-85	CMOS 플라스틱 DIP	85
필름 커패시터	60-130	TTL 소규모 IC	25-125
운모 축전기	70-120	TTL 중간 규모 IC	70-85

2). 부품 접합 온도를 제어하는 ​​방법은 무엇입니까?

부품 접합 온도는 자체 전력 소비, 열 저항 및 환경 온도에 따라 다릅니다. 따라서 허용 범위 내에서 접합 온도를 제어하는 ​​방법은 다음과 같습니다.
• 내부 열 저항이 낮은 부품을 선택합니다.
• 디레이팅은 온도 상승을 줄이는 데 사용됩니다.
• 회로, 특히 전원 구성 요소가 포함된 제품은 표준 매뉴얼에 설명된 지침에 따라 신뢰성을 위해 정교한 열 설계에 의존해야 합니다.

삼). 구성 요소를 사용할 때 디레이팅을 설계하는 방법은 무엇입니까?

필요에 따라 Derating 설계를 구현하여 정격 매개변수(전력, 전압, 전류) 미만의 조건에서 구성 요소가 작동하도록 하여 온도 상승 및 고장률을 획기적으로 줄일 수 있습니다.

비. PCB의 열 설계 규칙

PCB의 수직 조립은 방열에 유리하며 보드 사이의 거리는 최소 20mm를 유지해야 합니다. 보드 열 설계 규칙에는 다음이 포함됩니다.
1). 내열 및 높은 전도 매개 변수의 능력을 가진 재료는 PCB의 기판 재료로 선택됩니다. 높은 전력 및 밀도를 가진 회로의 경우 알루미늄 베이스 및 세라믹은 낮은 열 저항으로 인해 기판 재료로 사용할 수 있습니다(PCBCart는 이러한 기판 재료로 PCB를 완전히 제조할 수 있습니다. 수량 요구 사항과 함께 PCB 파일을 보낼 수 있습니다. 이 페이지에서 알루미늄 기반 및 세라믹 기반 PCB 견적).
2). 다층 구조는 PCB 방열을 위한 최적의 선택입니다.
3). 회로 기판의 열전도 능력을 향상시키기 위해서는 열을 발산시키는 기판을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 금속 코어 기판은 기판, 지지 장치 및 방열 장치 사이의 우수한 방열을 얻기 위해 다층 PCB에 적용할 수 있습니다. 지원 장치 또는 방열 장치로의 열 전달을 가속화하기 위해 필요한 경우 보호 코팅 및 캡슐화 재료를 사용할 수 있습니다.

4). PCB의 방열 성능을 높이기 위해 우수한 방열기로 볼 수 있으며 PCB의 간섭 방지 성능을 높일 수 있는 버스바를 사용할 수 있습니다.
5). PCB의 방열성을 향상시키기 위해서는 금속박의 두께를 증가시켜야 하며 내부 도체는 대면적의 금속박을 사용하여야 한다. 또한 접지선의 면적이 넓기 때문에 간섭 방지 능력을 높이고 열을 발산할 수 있으므로 접지선의 너비를 적절히 늘려야 합니다.

씨. 부품 조립 및 PCB 레이아웃

부품 레이아웃은 PCB, 특히 수직으로 배치된 PCB의 열 성능에 매우 중요합니다. 부품 조립 방향은 냉각수에 저항이 가장 적은 냉각수를 공급하기 위해 냉각수의 흐름 특성을 따라야 합니다. 어셈블리 및 레이아웃 측면에서 구성 요소에 적용되는 규칙은 다음과 같습니다.

1). 자유 대류 공랭 방식 제품의 경우 IC나 기타 부품을 아래 그림 2와 같이 세로로 배열하는 것이 가장 좋습니다. 강제 공랭식 제품의 경우 IC나 기타 부품을 아래 그림 3과 같이 가늘게 배열하는 것이 가장 좋습니다.

2). 동일한 PCB의 구성 요소는 열 생산성 및 방열 수준에 따라 분류되고 배치되어야 합니다. 열생산성이 낮거나 내열성이 낮은 부품(소신호 트랜지스터, 소형 IC, 전해콘덴서 등)은 상류(입구)에 배치하고 열생산성이 높거나 내열성이 높은 부품(주파수 트랜지스터, 하이퍼스케일)은 상류(입구)에 배치 IC 등)은 다운스트림에 배치해야 합니다. 소신호 증폭기 주변에는 온도 드리프트가 작은 부품을 배치해야 하며 액체 매체 커패시터는 열원에서 멀리 떨어져 있어야 합니다.
3). 수평 방향에서 고주파 부품은 열 전달 경로를 최소화하기 위해 PCB 가장자리에 인접하게 배치되어야 합니다. 수직 방향에서 고주파 부품은 다른 부품의 온도에 미치는 영향을 줄이기 위해 PCB 상부에 가깝게 배치해야 합니다.
4). 온도에 민감한 부품은 제품 바닥과 같이 온도가 가장 낮은 곳에 배치해야 합니다. 열을 발생시키는 부품의 바로 위에 두어서는 안되며 열을 발생시키는 부품과 멀리 떨어지거나 격리되어야 합니다.
5). 소비전력과 발열량이 가장 많은 부품은 방열에 가장 좋은 장소에 인접하게 배치해야 합니다. 라디에이터가 주변에 배치되어 있지 않은 한 모서리나 가장자리에 고온 부품을 배치하지 마십시오. 전력 저항을 배치할 때 상대적으로 큰 부품을 집어 들고 PCB 레이아웃 과정에서 충분한 방열 공간을 남겨 두어야 합니다.
6). 균형과 적합성을 유지하고 열점의 집중을 피하기 위해 전력은 PCB에 고르게 분배되어야 합니다. 엄격한 균일성에 도달하기는 어렵지만 과열된 지점이 전체 회로의 정상 작동을 중단할 경우를 대비하여 극도로 높은 전력을 사용하는 영역은 피해야 합니다.
7). PCB 설계 과정에서 공기 흐름 경로를 충분히 고려하고 구성 요소를 합리적으로 배치해야 합니다. 공기는 저항이 적은 곳으로 흐르는 경향이 있으므로 PCB에 부품을 배치할 때 상대적으로 큰 공역을 피해야 합니다.
8). 상대적으로 우수한 열 전달 효과를 얻으려면 회로 기판에 열 조립 기술을 적용해야 합니다. IC 및 마이크로프로세서와 같은 구성 요소에서 발생하는 열의 절반 이상이 조립 구멍이 금속 도금 구멍을 사용해야 하는 자체 리드를 통해 PCB로 전달됩니다. 이러한 구성 요소는 열전도 스틱이나 보드에 직접 장착하여 구성 요소로 인한 열 저항을 줄일 수도 있습니다.
9). 방열성이 높은 부품과 PCB 사이의 연결에서는 열 저항을 최대한 줄여야 합니다. 열 속성 요구 사항을 충족하려면 칩 아래에 일부 열 전도 재료를 사용할 수 있으며 접촉 영역에서 구성 요소의 열 발산을 유지해야 합니다.
10). 부품과 PCB의 연결 시 부품의 핀은 짧아야 합니다. 소비 전력이 높은 부품을 선택할 때는 납 재료의 전도성을 고려해야 합니다. 가능하면 리드의 단면적이 더 크고 핀이 가장 많은 부품을 선택하십시오.

디. 기타 요건
1). 부품 패키지:부품 패키지 유형 및 열전도율은 PCB 열 설계에서 고려해야 합니다. 기판과 부품 패키지 사이에 열전도 경로를 제공할 수 있으며 열전도 경로에 에어 브레이크가 발생하지 않도록 해야 합니다.
2). 기술 방법:보드의 양면에 구성 요소가 있는 영역에서 국부적 고온이 발생할 수 있습니다. 방열 조건을 변경하기 위해 솔더링 페이스트에 미세한 구리를 추가하여 솔더 포인트가 부품 아래의 특정 높이까지 상승하도록 할 수 있습니다. 열 대류를 개선할 수 있도록 부품과 PCB 사이의 공극을 늘립니다.
3). 방열 구멍:PCB에 일부 방열 구멍과 막힌 구멍을 배치하여 방열 면적을 효과적으로 늘리고 열 저항을 낮추며 PCB의 전력 밀도를 높일 수 있습니다.

열 분석

전산 열전달을 기반으로 하는 열해석은 수치 계산 방법이 주로 유한 차분법, 유한 요소법 및 경계 요소법을 포함하며 모듈 단순화, 수학 모듈 설정, 비선형 방정식 풀기, 해석 절차 작성 및 조정 및 열 매개변수의 계산, 측정 및 테스트.

열 설계의 기본 측면으로서 열 해석은 열 설계의 중요성을 평가하는 중요한 방법입니다. PCB 열 분석은 PCB의 열 거동 값을 추정하기 위해 PCB의 구조 및 원자재, 구성 요소의 패키지 유형 및 PCB 작동 환경에 따라 구성 요소의 열 모듈을 설정하고 시뮬레이션 제어 매개변수를 설정하는 프로세스를 말합니다. 열 분석은 레이아웃 전 개념 단계와 PCB 설계의 전 과정에서 수행되어야 합니다.

부품 온도, 기판 온도 및 기류 온도 값은 열 분석에서 얻을 수 있으며 PCB의 열 속성을 컬러 그림, 온도 등온선 시각적 그래픽 또는 특정 데이터의 형태로 표시합니다.

열 분석 결과를 기반으로 PCB의 열 문제를 신속하게 발견하고 적시에 적절한 조치를 취할 수 있으며 고온 밀집 영역을 제거하여 열 전도 경로를 결정하고 주요 구성 요소의 위치, 형상을 최적화합니다. 방열 속도를 최대한 활용하고 방열 구멍과 방열기의 열 전달 효율을 높이고 보드와 보드의 구성 요소 사이의 공간을 결정하기 위해 라디에이터 및 크기의.

PCCBart는 고급 기능을 갖춘 PCB 제조 분야에서 풍부한 경험을 보유하고 있습니다.

2005년 설립 이후 PCBCart는 80개 이상의 국가에서 고객을 위한 회로 기판을 제조해 왔습니다. 당사에서 제조한 PCB는 거의 모든 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 여기에서 맞춤형 PCB 프로젝트에 대해 논의할 수 있습니다.

유용한 리소스
• PCB 열 설계 고려 사항
• 열 모델을 기반으로 하는 PCB의 내부 열 분산 설계
• PCB 및 PCBA의 열 문제에 대한 이상적인 솔루션인 금속 코어 PCB
• 방법 PCB 제조업체 또는 PCB 조립업체 평가
• PCBCart의 전체 기능 PCB 제작 서비스
• PCCBart의 고급 PCB 조립 서비스