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1. PCB 방열 설계의 상호 이해
PCB 방열 설계는 단순히 기판 위의 열을 분산하는 것만을 의미하지 않습니다.
이는 전자 제품의 안정성, 신뢰성, 수명에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
특히, 회로 설계, PCB 설계, 기구 설계, 소프트웨어 설계 등 각 부서 간의 긴밀한 협력이 필수적입니다.
1-1) 부서 간 협력의 중요성
PCB 방열 설계를 잘하려면 부서 간의 협력이 중요합니다.
단순히 회로를 잘 설계하는 것만으로는 충분하지 않기 때문입니다.
각 부서가 자신들의 설계가 전체 시스템의 열 관리에 어떤 영향을 미치는지 이해하고, 이를 바탕으로 서로 긴밀하게 협력해야만 최적의 PCB 방열 설계를 구현할 수 있습니다.
예를 들어, 회로 설계자가 고출력 전력을 필요로 하는 부품을 선택하면, 이는 PCB 설계 단계에서 더 넓은 구리 패턴과 열 비아가 필요하다는 의미입니다.
하지만 만약 기구 설계자가 이러한 방열 대책을 고려하지 않고 기구 설계를 진행한다면, 결국 제품의 열 문제로 이어질 수 있습니다.
PCB 방열 설계는 단순히 한 부서에서 해결할 수 있는 문제가 아닙니다.
각 부서가 자신의 역할을 명확히 이해하고, 서로 긴밀하게 협력할 때 비로소 효과적인 방열 설계를 구현할 수 있습니다.
예를 들어, 회로 설계자는 발열 부품의 특성을 명확히 전달해야 하고, PCB 설계자는 이를 반영하여 적절한 방열 패턴을 설계해야 합니다.
기구 설계자는 이를 토대로 방열판, 환기 구조 등을 최적화해야 하며, 소프트웨어 설계자는 발열을 최소화하는 제어 알고리즘을 구현해야 합니다.
이 모든 요소가 조화를 이루어야만 안정적이고 신뢰성 높은 전자 제품을 개발할 수 있습니다.
PCB 방열 설계는 단순히 열을 분산하는 문제가 아니라, 전체 시스템의 안정성을 결정하는 핵심 요소입니다.
1-2) 설계 품질의 중요성
전자 제품을 개발할 때 가장 중요한 목표 중 하나는 바로 설계 품질입니다.
설계 품질이란 말 그대로 설계자가 의도한 대로 제품이 제대로 동작하고, 예상치 못한 문제가 발생하지 않으며, 시장에서도 안정적인 성능을 유지하는 것을 의미합니다.
이는 단순히 열 설계뿐만 아니라 회로 설계, 기구 설계, 소프트웨어 설계를 포함한 모든 분야에서 중요한 요소입니다.
설계 품질이 높은 제품은 다음과 같은 특징을 가집니다.
- 초기 프로토타입에서 큰 문제가 발생하지 않음
- 양산 전 평가에서 설계와의 괴리가 적음
- 출시 후 시장에서의 불량률이 낮음
- 수명 주기 동안의 유지보수 비용이 낮음
예를 들어, PCB 방열 설계가 제대로 되어 있지 않으면 프로토타입 단계에서 과열 문제가 발생하거나, 제품 출시 후 발열로 인한 성능 저하, 심지어는 제품 손상으로 이어질 수 있습니다. 이러한 문제는 설계 품질이 낮을 때 자주 발생하는 문제입니다.
1-3) 설계 품질을 높이는 방법
PCB 방열 설계를 포함한 전체 설계 품질을 높이기 위해서는 몇 가지 기본 원칙을 지켜야 합니다.
- 초기 설계에서의 철저한 검증
설계 초기 단계에서부터 열 해석, 전자기적 간섭(EMI), 기계적 강도 등 다양한 관점에서 검증이 필요합니다.
예를 들어, 열 시뮬레이션을 통해 고발열 부품의 위치를 최적화하고, 방열판, 열 비아, 구리 면적을 충분히 확보해야 합니다. - 단계별 평가와 피드백
프로토타입 단계에서 발견된 문제를 철저히 분석하고, 이를 다음 설계 단계에 반영해야 합니다.
평가 결과가 단순한 수치로만 끝나지 않도록, 설계자 간의 피드백이 적극적으로 이루어져야 합니다. - 설계 부서 간의 상호 이해
회로 설계, PCB 설계, 기구 설계, 소프트웨어 설계 간의 긴밀한 협력이 중요합니다.
예를 들어, PCB 설계자는 고발열 부품의 위치와 방열 경로를 이해해야 하며, 기구 설계자는 이를 반영한 냉각 구조를 설계해야 합니다. - 진지한 설계 접근
단순히 규격에 맞는 제품을 만드는 것이 아니라, 실제 사용 환경을 고려한 설계가 필요합니다.
열에 민감한 부품은 서로 멀리 배치하고, 공기 흐름을 고려한 방열 구조를 설계하는 것이 중요합니다.
설계 품질을 높이면 단순히 초기 비용을 줄이는 것 이상의 장점이 있습니다.
설계 단계에서 문제가 적으면 프로토타입 제작 횟수가 줄어들고, 최종 양산 단계에서의 리워크(rework)도 줄어들어 전체적인 비용이 크게 절감됩니다.
특히, PCB 방열 설계가 제대로 이루어지면 고온 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어, 장기적인 신뢰성 향상과 고객 만족도 상승으로 이어질 수 있습니다.
이는 결국 제품의 수명을 연장하고, 유지보수 비용을 절감하는 중요한 요소가 됩니다.
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2. 열 저항과 방열의 기본
PCB 방열 설계에서 중요한 개념 중 하나가 바로 열 저항 (Thermal Resistance)입니다.
열 저항은 전자 부품이 발생시키는 열이 기판을 통해 외부로 방출되는 과정에서 열의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리적 특성입니다.
열 저항이 낮을수록 열이 잘 빠져나가 부품의 온도가 낮아지고, 성능과 수명이 길어집니다.
2-1) 열 저항이란?
열 저항 (Thermal Resistance)은 단위 온도 차이당 열이 이동하는 데 걸리는 저항을 의미합니다.
이는 전기 회로의 저항과 유사한 개념으로, PCB 방열 설계에서는 매우 중요한 요소입니다.
예를 들어, 5W의 열을 발생시키는 부품이 50°C의 온도 차이를 가질 때 열 저항은 다음과 같습니다.
Rθ = 50°C/5W = 10°C/W
이는 이 부품이 5W의 열을 발생시킬 때 온도가 10°C씩 상승한다는 의미입니다.
2-2) 전열과 방열 경로
PCB 방열 설계는 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출하여 부품의 온도를 낮추는 데 매우 중요합니다.
일반적으로 전자 부품의 발열은 전도 (Conduction), 대류 (Convection), 방사 (Radiation)의 세 가지 경로를 통해 외부로 방출됩니다.
특히, IC 같은 반도체 부품은 작은 면적에서 많은 열이 발생하기 때문에, 이를 어떻게 효과적으로 관리할지가 설계의 핵심입니다.
① 전도 (Conduction)
- 고체 물질을 통한 열의 이동
- 주로 부품에서 PCB, 그리고 히트싱크로 열이 전달되는 경로
- 구리, 알루미늄 같은 금속이 전도체로 사용됨
② 대류 (Convection)
- 기체나 액체를 통한 열의 이동
- 주로 공기나 냉각수를 통해 열이 외부로 방출되는 경로
- 팬이나 자연 대류를 이용한 냉각 방식
③ 방사 (Radiation)
- 전자기파 형태로 열이 방출되는 현상
- 모든 물체는 자체적으로 열을 방사하며, 온도가 높을수록 방사량이 증가
발열원이 IC 칩이라고 한다면, IC에서 발생한 열은 다음과 같은 경로를 통해 외부로 전달됩니다.
① 칩 → 다이 본드 → 이면 노출 패드 → 솔더 → 프린트 기판
- 이 경로는 표면 실장된 IC의 주요 방열 경로입니다.
- 칩에서 발생한 열이 다이 본드를 통해 이면 노출 패드로 전달되고, 솔더를 통해 프린트 기판으로 전도됩니다.
- 이후, 프린트 기판에서의 대류와 방사를 통해 열이 대기로 방출됩니다.
② 칩 → 본딩 와이어 → 리드 프레임 → 프린트 기판
- 칩에서 본딩 와이어를 통해 리드 프레임으로 열이 전달되고, 다시 프린트 기판으로 전도됩니다.
- 이 경로는 보조적인 방열 경로로 작용합니다.
③ 칩 → 패키지 → 대기
- 칩에서 패키지를 통해 직접 대기로 열이 방출되는 경로입니다.
- 이 경로는 주로 패키지의 표면적과 방사율에 따라 방열 효율이 결정됩니다.
- 이러한 방열 경로를 고려하여 PCB 방열 설계를 최적화하면, IC의 온도를 효과적으로 관리할 수 있습니다.
이들 방열 경로의 총 열 저항을 계산하면 칩의 온도를 예측할 수 있습니다.
PCB 방열 설계에서 자주 사용되는 공식은 다음과 같습니다.
ΔT=Rθ×P
- ΔT: 칩 온도와 주변 온도 간의 온도차 (°C)
- 𝑅𝜃: 총 열 저항 (°C/W)
- P: IC의 전력 소모 (W)
예를 들어, 칩의 총 열 저항이 10°C/W이고, 전력 소모가 3W라면, 칩의 온도는 주변 온도보다 30°C 높아집니다.
2-3) 전도의 열 저항
전도는 고체 내에서 열이 이동하는 방식으로, 분자 간의 진동이나 자유 전자의 이동을 통해 열이 전달됩니다.
이러한 열 전달에서의 저항을 전도의 열 저항이라고 하며, 이는 전기 회로에서의 저항과 유사한 개념입니다.
전도의 열 저항은 다음과 같은 식으로 표현됩니다.
PCB 방열 설계에서는 열이 IC 칩에서 시작하여 패키지, 솔더, 그리고 PCB를 통해 외부로 전달됩니다.
이 과정에서 각 재료의 열 전도율과 구조적 특성이 전체 열 저항에 영향을 미칩니다.
예를 들어, 구리의 열 전도율은 약 400 W/m·K로 매우 높아 열 전달에 유리합니다.
따라서, PCB 설계 시 구리의 두께를 증가시키거나, 열이 잘 전달되는 경로를 확보하는 것이 중요합니다.
2-4) 대류의 열 저항
대류란 무엇일까요?
대류는 열을 받은 유체(기체나 액체)가 이동하면서 열을 운반하는 열 이동 현상입니다.
즉, 열에 의해 가열된 유체가 상승하고, 차가운 유체가 하강하면서 열이 전달되는 과정을 말합니다.
대류는 크게 두 가지로 나뉩니다.
- 자연 대류: 유체의 온도차로 인해 발생하는 부력으로만 구동되는 흐름입니다.
- 강제 대류: 팬이나 펌프 등의 외부적 요인으로 인해 유체가 강제로 움직이며 열을 전달하는 방식입니다.
대류의 열 저항이란?
대류의 열 저항은 열이 유체를 통해 이동할 때 발생하는 저항을 의미합니다.
이는 다음과 같은 식으로 표현됩니다.
대류열 전달률 hm
- 자연 대류 hm = 2.51× C×(ΔT/L)0.25 (w/m2k)
C : 계수(형상과 설치 조건에 따라 다름)
ΔT : 온도차(℃)
L : 대표 길이(L)
*. 자연 대류에서는 온도차가 클수록 대류가 촉진 - 강제 대류 층류 hm = 3.86×(V/L)0.5
난류 hm = 6×(V/L0.25)0.8
V : 풍속(m/s)
이 식에서 알 수 있듯이, 대류열 전달률이 높고 발열 면적이 클수록 열 저항은 낮아집니다.
PCB 방열 설계에서는 대류의 열 저항을 최소화하여 효율적인 열 관리를 달성해야 합니다.
이를 위해 다음과 같은 방법을 고려할 수 있습니다:.
- 발열 면적 확대: PCB의 표면적을 넓히거나 방열판을 추가하여 열이 더 넓은 면적으로 방출되도록 합니다.
- 대류열 전달률 향상: 자연 대류만으로는 부족할 경우, 팬이나 펌프를 사용하여 강제 대류를 유도함으로써 열 전달률을 높입니다.
- PCB 배치 최적화: 발열이 많은 부품은 공기의 흐름이 원활한 위치에 배치하여 자연 대류를 촉진합니다.
- 열 전달 경로 개선: 열이 효과적으로 전달될 수 있도록 PCB 내의 열 경로를 최적화합니다.
2-5) 방사의 열 저항
방사는 물체가 전자기파 형태로 열 에너지를 방출하는 현상입니다.
즉, 물체의 표면에서 열이 전자기파로 변환되어 주변으로 전달되는 과정을 말합니다.
방사의 열 저항은 다음과 같은 식으로 표현됩니다.
이 식에서 알 수 있듯이, 방사의 열 저항은 물체의 방사율, 표면적, 온도 등에 영향을 받습니다
PCB 방열 설계에서는 방사의 열 저항을 고려하여 효율적인 열 관리를 달성해야 합니다.
- 방사율 향상: PCB 표면에 방사율이 높은 재료를 사용하거나, 방사율을 높이는 코팅을 적용하여 열 방출을 촉진합니다.
- 표면적 확대: PCB의 표면적을 넓히거나 방열판을 추가하여 방사 면적을 증가시킵니다.
- 온도 차이 극대화: PCB와 주변 환경 간의 온도 차이를 증가시켜 방사에 의한 열 전달을 촉진합니다.
3. 효율적인 PCB 방열 설계를 위한 기본 원칙
전자 기기의 성능과 신뢰성을 유지하기 위해서는 효과적인 PCB 방열 설계가 필수적입니다.
특히, 전력 IC와 같은 고발열 부품은 적절한 열 분산이 이루어지지 않으면 온도 상승으로 인해 성능 저하나 심각한 손상을 초래할 수 있습니다.
이를 방지하기 위해 몇 가지 기본적인 방열 설계 원칙을 지키는 것이 중요합니다.
3-1) 방열 면적의 중요성
구리는 높은 열전도율을 가지고 있어, PCB에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있습니다.
따라서, PCB의 구리 면적을 확대하면 열 저항이 감소하여 방열 성능이 향상됩니다.
그러나 구리 면적을 무작정 늘리는 것만으로는 충분하지 않습니다.
구리 면적의 확대는 일정 수준까지는 열 저항을 효과적으로 감소시키지만, 그 이상은 효과가 미미해질 수 있습니다 .
따라서, 적절한 구리 면적을 확보하면서도 다른 방열 기법과 병행하는 것이 중요합니다
최근 전자 기기의 소형화가 가속화되면서, PCB 방열 설계의 중요성도 함께 커지고 있습니다.
기판에 더 많은 부품을 실장하려는 요구가 늘어나면서 부품의 밀도가 높아지고 있지만, 이는 열 관리 측면에서 새로운 도전을 의미합니다.
특히, 발열이 많은 IC는 회로 기판 자체를 방열기로 활용해야 하기 때문에 일정한 면적이 필요합니다.
이 면적이 충분히 확보되지 않으면 열 저항이 증가하여 부품의 온도가 급격히 상승할 수 있습니다.
또한, 고발열 부품이 근접하게 배치되면 서로의 열이 간섭하여 전체적인 온도 상승을 초래할 수 있습니다.
3-2) 부품의 균형 있는 배치
표면 실장된 IC의 온도를 안정적으로 유지하려면, 적절한 방열 면적이 필수적입니다.
특히, IC가 TJ MAX (허용 최대 접합 온도)를 초과하지 않도록 하기 위해서는 충분한 열 분산이 필요합니다.
이는 단순히 구리 면적을 늘리는 것뿐만 아니라, 주변 부품과의 간섭을 최소화하는 것도 중요한 요소입니다.
그림과 같이 IC의 끝에서 기판 면에 대해 45°의 직선이, 간섭하지 않는 최저한의 간격입니다.
다음으로 사용 조건을 바탕으로 필요한 θJA를 산출합니다.
예를 들어 계산해 보겠습니다.
IC의 전력 소비＝1W, 최대 주위 온도 TA(HT)＝85℃, TJ의 허용 최대치＝140℃
TJ=P×θJA+TA(TH)
140℃=1W×θJA+85℃
θJA=(140℃-85℃)/1W=55℃/W
오른쪽 그래프에서 θJA=55℃/W를 만족하기 위해서는 TO252-3 package의 경우에는 400mm2 동박 면적이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
이와 같이, 열 간섭을 피할 수 있는 간격과 필요한 방열 면적을 확보하여, 최종적인 IC의 배치를 검토합니다
가능하다면, 열화상 카메라를 이용하여 부품 배치 후 실제 열 분포를 평가하는 것이 좋습니다.
3-3) 열 비아(Thermal Via) 활용
열 비아는 PCB의 상하층을 연결하여 열을 수직으로 전달하는 경로를 제공합니다.
특히, 고발열 부품 아래에 열 비아를 배치하면 열이 빠르게 하부로 전달되어 PCB 전체의 온도를 낮출 수 있습니다 .
열 비아의 효과를 극대화하려면, 비아의 크기와 간격을 적절히 조절해야 합니다.
예를 들어, 비아의 직경을 0.3mm로 하고, 간격을 0.8mm로 설정하는 것이 일반적인 권장 사항입니다.
특히, BGA (Ball Grid Array)와 같은 패키지에서는 열 비아의 개수와 배열이 매우 중요합니다.
3-4) 구리 두께의 선택
PCB에서 열을 효과적으로 관리하려면 기판의 구리 두께가 매우 중요합니다.
특히, 전력을 많이 소모하는 부품이나 고전류 회로를 설계할 때는 두꺼운 구리 층을 사용하는 것이 유리합니다.
구리는 전기뿐만 아니라 열도 잘 전달하는 금속입니다.
따라서 PCB의 구리 층이 두꺼울수록 열이 빠르게 확산되어 부품의 온도를 낮추는 데 도움이 됩니다.
이는 곧 부품의 수명을 연장하고, 시스템의 신뢰성을 높이는 중요한 요소가 됩니다.
PCB 설계에서 구리의 두께는 주로 온스(oz)로 표현됩니다.
여기서 1oz는 1ft²(약 929cm²) 면적의 구리 무게가 1온스일 때의 두께를 의미합니다.
- 1oz 구리의 두께: 약 35µm (0.035mm)
- 2oz 구리의 두께: 약 70µm (0.07mm)
- 3oz 구리의 두께: 약 105µm (0.105mm)
일반적으로 1oz (약 35µm) 구리가 전력 설계의 시작점으로 권장됩니다.
더 높은 전력을 처리하려면 2oz 이상의 두꺼운 구리 층을 고려해야 합니다.
구리의 두께가 증가하면 열 전도성이 향상되어 부품의 온도를 효과적으로 낮출 수 있지만, 비용은 상승이 됩니다.
PCB 방열 설계에서 구리 두께의 선택은 단순히 열 관리뿐만 아니라 전기적 특성, 기계적 강도에도 큰 영향을 미칩니다.
따라서 초기 설계 단계에서 필요한 전력, 전류 용량, 방열 성능을 고려하여 적절한 구리 두께를 선택하는 것이 매우 중요합니다
3-5) 방열판(Heat Sink) 부착
방열판은 PCB에서 발생한 열을 외부로 방출하는 데 효과적인 수단입니다.
방열판은 열전도성 접착제나 나사 등을 이용하여 PCB에 부착되며, 열을 공기 중으로 방출하여 부품의 온도를 낮춥니다 .
방열판의 성능을 높이기 위해서는 열 비아와의 조합이 중요합니다.
열 비아를 통해 전달된 열이 방열판으로 효과적으로 전달되어야 전체적인 방열 성능이 향상됩니다 .