전문가 PCB 열 설계: 열 관리를 위한 실용적인 팁

전력 부품이 점점 더 작은 표면 실장 패키지로 제공됨에 따라 PCB 설계에서 이러한 부품의 열 방산 요구사항을 완화하기 위한 일관된 접근법을 마련하는 것이 중요합니다. PCB 설계 열 특성의 정확한 수학적 분석 개발은 복잡한 과정일 수 있지만, 설계 열전도를 개선하기 위해 몇 가지 간단한 규칙을 적용할 수 있습니다. 궁극적으로 설계 열 방산을 적절히 제어하면 더 신뢰성 있고 경제적인 PCB 설계를 생산할 수 있습니다. 다음은 표준 열 방산 모델에 대한 간략한 논의와 설계에서 열 방산을 다루기 위한 일반 규칙입니다.

먼저 이 글 전체에서 사용될 용어를 정의하는 것이 중요합니다. 다음 그림은 열 관리 논의 시 고려해야 할 전력 IC의 다양한 구성 요소를 보여줍니다. 우리는 부품의 정션(Junction), 탑(Top), 케이스(Case) 온도와 주변 환경에 대한 열저항을 이 글 전체에서 논의할 것입니다.

이 용어들을 가지고 부품 열 방산 시뮬레이션에 사용되는 표준 모델을 간략히 살펴보겠습니다. 열저항은 일반적으로 저항 네트워크로 모델링됩니다. 부품 표준 모델은 다음 그림과 같습니다:

제시된 그림에서 T_J는 정션(부품 내부 작동 부분) 온도, T_T는 패키지 "탑"(일반적으로 부품 플라스틱 인클로저) 온도, T_C는 "케이스"(부품 고열전도 패드와 부착된 PCB 온도) 온도, T_A는 주변 환경 온도입니다. 전자 설계자의 목표는 정션과 주변 환경 간 최저 열저항을 생성하는 것입니다. θ_CA를 제외하고 시스템 열저항(θ_JT, θ_TA, θ_JC)은 부품 속성에 의해 정의되며 해당 부품 데이터시트에서 가져올 수 있습니다. PCB 설계자로서 우리는 주로 θ_CA 값에 영향을 미치며, 이는 PCB 설계에 의존합니다. 따라서 설계자의 주요 과제는 IC 케이스에서 주변 환경으로의 열저항(θ_CA)을 이 저항을 줄임으로써 감소시키는 것입니다. 우리가 이 열저항(θ_CA)을 얼마나 잘 낮출 수 있는지가 주변 환경과 부품 정션 간에 발생할 온도 차이(또는 그 부재)를 크게 좌우합니다.

주목할 점은 열전도 다른 경로는 부품 플라스틱 케이스(또는 "탑")라는 것입니다. 대부분의 전력 부품 플라스틱 패키징이 주변 환경으로 좋은 열 경로를 제공하지 않으므로 설계 열 방산 효율은 케이스를 통해 주변 환경으로 열에너지를 방산하는 설계 능력에 더 크게 의존합니다. 유일한 예외는 해당 전력 IC가 부품 탑에 열 패드로 설계된 경우입니다. 이 경우 IC에 방열판이 직접 탑에 부착되도록 설계되며 부품 "탑"을 통한 열 방산이 설계에서 훨씬 더 중요한 요소가 됩니다.

전력 부품에서 열을 이동시키는 표준 접근법은 열 비아(thermal via)를 통해 전력 부품을 인접 구리 플레인에 열적으로 연결하는 것입니다. 이는 일반적으로 전력 IC 풋프린트에 여러 비아를 배치하여 달성합니다. 이 비아들은 부품 아래 구리 레이어에 열 연결을 제공하여 열을 부품에서 멀리 전도합니다.

또한 열 비아를 통해 전력 IC에 연결된 구리 전원 플레인이 많을수록 PCB 열 방산 효율이 높아집니다. 예: 2층 설계 대비 4층 설계 사용 시 동일 면적 비교에서 PCB 전력 방산 용량을 최대 30% 증가시킬 수 있습니다.

다음 설계 규칙은 설계 열 고려사항에 접근하기 위한 좋은 출발점으로 제공됩니다.

a. 전력 방산을 위한 보드 면적 규칙

1와트 전력 방산을 위해 좋은 경험칙은 보드面積이 15.3cm²(또는 2.4in²)/와트 필요하며, 이는 보드 온도 40°C 상승 기준입니다. 보드가 공기 흐름에 노출되면 이 요구사항은 절반(7.7cm² 또는 1.2in²/와트)으로 줄어듭니다. 이 값들은 부품이 보드 가장자리까지 확장된 구리 플레인에 열적으로 결합되어 있고, 보드가 양면 주위로 공기가 자유롭게 흐르도록 위치한다고 가정합니다. 이러한 전력 밀도 요구사항이 설계에 너무 제약적이라면 외부 방열판 포함이 필요할 수 있습니다. 또한 40°C 온도 상승은 회로 보드 온도 제어 시 고려할 좋은 출발점입니다.

b. 다중 전력 부품 배치

보드上に 둘 이상의 전력 부품을 배치할 때는 이러한 부품들이 PCB를 고르게 가열하도록 배치하는 것이 모범 사례입니다. PCB 설계 길이에 걸친 큰 온도 차이는 PCB가 실장된 전력 부품에서 열에너지를 최적으로 이동시키는 것을 허용하지 않습니다. 설계자가 사용할 수 있다면 열화상 촬영으로 설계 리비전 완료 후 부품 배치를 경험적으로 검사할 수 있습니다.

c. 비아 어레이로 열전도 극대화

부품 아래에 배치할 수 있는 비아가 많을수록 PCB가 연결된 구리 플레인으로 열에너지를 더 잘 전달합니다. 비아를 어레이로 배치하여 부품 패키지 전력 패드(부품 대형 열전도 패드)와 접촉하는 비아 수를 늘리세요.

d. 고전력 설계용 구리 두께

더 높은 와트수를 방산하는 설계에서는 더 높은 구리 중량(weight)을 사용해야 합니다. 1oz 구리는 전력 설계 시작점으로 권장됩니다.

e. 구리 붓(pour) 열 경로 보호

구리 붓을 사용하여 부품에서 열에너지를 방산할 때, 전력 부품에서 멀어지는 열 경로에 수직으로 지나가는 트랙으로 붓이 중단되지 않도록 하는 것이 중요합니다.

f. 방열판 배치 고려사항

시스템 온도를 공차 내로 유지하기 위해 방열판이 필요한 경우, 방열판이 부품 케이스에 열적으로 연결되도록 배치하면 일반적으로 훨씬 더 효과적입니다. 이는 일반적으로 표면 실장 부품의 경우 보드 반대쪽에 방열판을 부착하는 것을 의미합니다. 부품 탑에 직접 방열판을 배치하고 싶을 수 있지만, 부품 플라스틱 케이스 열저항으로 인해 방열판이 비효과적입니다. 위에서 언급했듯이 이 규칙의 예외는 "탑"에 방열판 부착을 위해 명시적으로 설계된 패키지입니다.

요약하자면, 전력 부품을 다룰 때마다 설계 열 성능은 매우 중요한 고려사항입니다. 이 글에 제시된 설계 규칙을 PCB 설계 프로세스 초기에 사용하면 PCB 온도 제어에 좋은 스타트를 끊을 수 있고 개발 프로세스 후반에 급격한 재설계를 피할 수 있습니다.

유용한 참고 자료

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