고온 환경용 고전력 PCB 설계 전략

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 온도 10℃ 상승 시 일부 부품 고장률이 2배로 뛰기도 합니다. 항공우주 제품에서는 부적절한 열 제어 설계가 전체 시스템 완전 고장으로 이어질 수 있으므로 PCB 설계 시 열 설계에 각별한 주의가 필요합니다.

원인 분석부터 시작해야 합니다. PCB 고온의 직접 원인은 전력 소모 부품 존재입니다. 각 부품마다 다른 정도의 전력 소모로 열 강도 변화 발생. 국부 온도 상승/광역 온도 상승, 단기/장기 온도 상승 두 유형 존재. 열전달 3가지: 열전도, 열대류, 열복사. 복사는 전자기파로 공간 전달해 열 방출하나 양이 적어 보조 방열 수단으로 간주. 본 글은 고온 환경에서 장기 동작하는 PCB 방열 솔루션을 열전도와 히트싱크 과도 열저장 기술을 기반으로 서보 PCB 사례를 들어 소개합니다.

이 서보 PCB에는 2W 파워 앰프 칩 2개, R/D 변환 칩 2개, CPU 칩 2개, EPLD 칩 1개, A/D 변환 칩 1개 탑재. 총 전력 9W. 서보 PCB는 밀폐 환경에 설치돼 공기 대류 제한. 공간 제약으로 콜드 플레이트 방열 설치 불가. 정상 동작을 위해 열전도와 히트싱크 과도 열저장 기술만으로 PCB 발열을 본체로 전달해야 합니다.

메탈 코어 PCB 방열이 일반적입니다. 우선 우수한 열전도 금속 보드를 멀티레이어 PCB 사이에 내장. 이후 금속 보드에서 직접 방열하거나 별도 장비를 금속 보드에 연결해 방열. 동작 구조는 그림 1과 같습니다.

메탈 코어 PCB 주재료: 알루미늄, 구리, 강철. 그라운드 층으로도 사용 가능. 메탈 코어 PCB 상하층은 도금 관통 홀(PTH)로 상호연결돼 내부 층과 표면으로 열전달. 발열 부품은 바닥면 열전도 홀을 통해 보드에 직접 솔더링돼 열이 메탈 코어로 직접 전달되고, 열전도 홀을 통해 접선 섀시로 전달돼 방출. 이런 구조는 광범위하게 쓰이나 문제도 있습니다. 메탈 코어 PCB는 두꺼워 불균일 방열 시 변형 경향, 칩-핀 간 불량 접촉 유발. 열 방출이 빠르고 쉬워 칩 교체 시 어려움 크고, 교체 과정에서 국부 열 집중으로 심각한 변형 발생. 면적 클수록 변형 용이함이 검증됨.

위 문제 해결을 위해 메탈 코어 PCB 업그레이드 설계 필수:

1. 0.15mm 두께 4층 구리 호일을 PCB에 압입해 두께 3mm 증가 → 변형 방지, 관통 홀 신뢰성 향상.
2. 2W 발열 칩 하단에 SMT 패드 추가해 열을 PCB 금속 층으로 전달.
3. 칩 하단 열을 대면적 구리 호일과 열전도 홀로 내부 구리 호일 층에 전달.
4. PCB 양면 절연층 밀링 오프로 엣지 메탈라이제이션 실현. 베어 엣지 PCB와 베이스 접촉으로 방열. 36개 나사로 체결해 PCB-본체 열전도 증대.

위 조치 적용 후 업그레이드된 PCB 설계는 그림 2와 같습니다.

서보 PCB 시뮬레이션 모델링 및 분석에 FLoTHERM 소프트웨어 사용. 엣지 조건: 환경 65℃, 동작 시간 90분. 서보 PCB 모든 부품 X 디레이팅(derating) 요건 충족. 각 부품 허용 온도는 표와 같습니다.

서보 PCB 주 전력 부품: 2개 칩(49.76×41.4mm), 각각 2W. 기타 부품 총 5W. 전체 PCB 9W, 서보 구동 10W, 파워 서플라이 40W, 서보+파워 총 59W.

서보 제어 칩 온도는 그림 3과 같습니다.

65℃ 환경 90분 동작 열 해석 결과: 연속 30분간 칩 온도 급상승 72℃ 이상; 연속 50분간 점차 안정; 연속 90분 시 2W 칩 본체 온도 77.9℃(허용 87℃), 0.6W 칩 84℃(허용 87℃), 0.5W 칩 78.2℃(허용 87℃), 0.5W 칩 77℃(허용 85℃).

이론 분석 및 시뮬레이션 열 설계 조건에서 서보 제어 칩 온도는 허용 범위 내 유지. 이론 분석은 칩-PCB 간 틈새 0으로 가정하나 실제 설치 시 틈새 발생 가능, 실리카겔 충진으로 방열 효과 보장 필요.

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