고전력 PCB의 열 관리에 대한 접근 방식
설계자는 PCB 설계부터 시작하여 효과적인 열 관리를 포함하는 전력 요구 사항을 충족하는 복잡한 문제에 직면해 있습니다.
고속 신호와 관련된 RF 애플리케이션 및 시스템을 포함한 전체 전력 전자 부문은 점점 더 작은 공간에서 점점 더 복잡한 기능을 제공하는 솔루션으로 발전하고 있습니다. 설계자는 인쇄 회로 기판 설계부터 시작하여 효과적인 열 관리를 포함하는 시스템 크기, 무게 및 전력 요구 사항을 충족해야 하는 점점 더 까다로워지는 문제에 직면해 있습니다.
MOSFET 트랜지스터와 같은 고밀도 활성 전력 장치는 상당한 양의 열을 발산할 수 있으므로 가장 뜨거운 구성 요소에서 접지면 또는 방열 표면으로 열을 전달하여 가능한 한 효율적이고 효과적으로 작동할 수 있는 PCB가 필요합니다. 열 응력은 성능 저하 또는 시스템의 오작동 또는 고장으로 이어지기 때문에 전력 장치 오작동의 주요 원인 중 하나입니다. 장치의 전력 밀도의 급속한 증가와 주파수의 지속적인 증가는 전자 부품의 과도한 가열을 유발하는 주요 원인입니다. 와이드 밴드갭 재료와 같이 전력 손실이 감소하고 열전도율이 향상된 반도체를 점점 더 널리 사용하는 것 자체만으로는 효과적인 열 관리의 필요성을 제거하기에 충분하지 않습니다.
현재 실리콘 기반 전력 장치는 약 125˚C에서 200˚C 사이의 접합 온도를 달성합니다. 그러나 장치가 이 제한 아래에서 작동하도록 하는 것이 항상 바람직합니다. 이는 동일한 장치의 급속한 성능 저하 및 잔여 수명 감소로 이어질 수 있기 때문입니다. 실제로 부적절한 열 관리로 인해 작동 온도가 20˚C 증가하면 구성 요소의 잔여 수명이 최대 50%까지 감소할 수 있는 것으로 추정됩니다.
레이아웃 접근법:
많은 프로젝트에서 일반적으로 따르는 열 관리에 대한 접근 방식은 회로 레이아웃의 열 최적화에 중점을 두고 저렴하고 쉽게 작업할 수 있는 재료인 표준 난연성 레벨 4(FR-4)가 있는 기판을 사용하는 것입니다.
채택된 주요 조치는 추가 구리 표면 제공, 더 두꺼운 트레이스 사용, 가장 많은 양의 열을 생성하는 구성 요소 아래에 열 비아 삽입과 관련됩니다. 더 많은 양의 열을 발산할 수 있는 보다 공격적인 기술은 PCB에 삽입하거나 가장 바깥쪽 층에 일반적으로 동전 모양의 실제 구리 블록을 적용하는 것입니다(따라서 "구리 동전"이라는 이름). 구리 동전은 별도로 처리된 다음 납땜되거나 PCB에 직접 부착되거나 열 비아를 통해 내부 레이어에 삽입되고 외부 레이어에 연결될 수 있습니다. 그림 1은 구리 동전을 수용하기 위해 특수 공동이 만들어진 PCB를 보여줍니다.
구리의 열전도 계수는 380 W/mK이며, 알루미늄의 경우 225 W/mK, FR-4의 경우 0.3 W/mK입니다. 구리는 상대적으로 저렴한 금속이며 이미 PCB 제조에 널리 사용됩니다. 따라서 열 분산을 개선할 수 있는 모든 솔루션인 구리 동전, 열 비아 및 접지면을 만들기 위한 이상적인 선택입니다.
활성 부품을 보드에 적절하게 배치하는 것은 핫스팟 형성을 방지하는 데 중요한 요소이므로 열이 보드 전체에 최대한 고르게 분산되도록 합니다. 이와 관련하여 활성 구성 요소는 특정 영역에서 핫스팟이 형성되는 것을 방지하기 위해 PCB 주변에 특정 순서 없이 분포되어야 합니다. 그러나 보드 가장자리 근처에 상당한 양의 열을 발생시키는 활성 구성 요소를 배치하지 않는 것이 좋습니다. 반대로 열이 고르게 분산되도록 보드 중앙에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 고전력 장치가 기판 가장자리 근처에 장착되면 가장자리에 열이 축적되어 국부 온도가 높아집니다. 반면에 보드 중앙 근처에 놓으면 열이 표면의 모든 방향으로 분산되어 온도가 낮아지고 열이 더 쉽게 분산됩니다. 전력 장치는 민감한 구성 요소 가까이에 배치해서는 안 되며 서로 적절한 간격을 유지해야 합니다.
PCB 기판 선택:
{0}}.2 ~ 0.5 W/mK의 낮은 열 전도율로 인해 FR-4은 일반적으로 많은 양의 열을 발산해야 하는 응용 분야에 적합하지 않습니다. 고전력 회로에서 축적될 수 있는 열은 상당하며 이러한 시스템은 종종 열악한 환경과 극한의 온도에서 작동한다는 사실로 인해 더욱 복잡해집니다. 열전도율이 더 높은 대체 기판 재료를 사용하는 것이 기존 FR-4을 사용하는 것보다 더 나은 선택일 수 있습니다.
예를 들어 세라믹 재료는 고전력 PCB의 열 관리에 상당한 이점을 제공합니다. 향상된 열전도율 외에도 이 소재는 반복되는 열 순환 동안 축적된 응력을 보상하는 데 도움이 되는 우수한 기계적 특성을 제공합니다. 또한 세라믹 재료는 최대 10GHz의 주파수에서 작동하는 유전 손실이 더 낮습니다. 더 높은 주파수의 경우, 열전도율이 약간 감소하면서 똑같이 낮은 손실을 제공하는 하이브리드 재료(예: PTFE)를 선택하는 것이 항상 가능합니다.
재료의 열전도율이 높을수록 열 전달이 빨라집니다. 따라서 알루미늄과 같은 금속은 세라믹보다 가벼울 뿐만 아니라 부품에서 열을 멀리 전달하는 탁월한 솔루션을 제공합니다. 특히 알루미늄은 전도체가 우수하고 내구성이 뛰어나며 재활용이 가능하고 독성이 없습니다. 높은 열 전도성 덕분에 금속 층은 보드 전체에 열을 빠르게 전달하는 데 도움이 됩니다. 일부 제조업체는 금속 클래드 PCB도 제공하며, 여기서 두 외부 레이어는 일반적으로 알루미늄 또는 아연 도금 구리와 같은 금속 클래드입니다. 단위 중량당 비용의 관점에서 알루미늄이 최선의 선택인 반면 구리는 더 높은 열 전도성을 제공합니다. 알루미늄은 고전력 LED를 지원하는 PCB 구성에 널리 사용되며(그림 2에 예가 나와 있음) 기판에서 빛을 반사시키는 기능에도 특히 유용합니다.
IMS(절연 금속 기판)라고도 하는 금속 PCB는 PCB에 직접 라미네이팅할 수 있으므로 FR-4 기판이 있는 보드와 깊이 제어 라우팅이 있는 단일 레이어 및 이중 레이어 기술이 적용된 금속 코어가 생성됩니다. 온보드 구성 요소에서 덜 중요한 영역으로 열을 전달하는 역할을 합니다. IMS PCB에서 열 전도성이 있지만 전기 절연성인 유전체의 얇은 층이 금속 베이스와 구리 호일 사이에 적층됩니다. 동박은 원하는 회로 패턴으로 식각되고 금속 베이스는 얇은 유전체를 통해 이 회로에서 열을 흡수합니다.
IMS PCB가 제공하는 주요 이점은 다음과 같습니다.
1. 방열은 표준 FR-4 co보다 훨씬 높습니다.지침.
2. 유전체는 일반적으로 일반 에폭시 유리보다 열 전도성이 5배에서 10배 더 높습니다.
3. 열 전달은 기존 PCB보다 기하급수적으로 더 효율적입니다.
4. LED 기술(조명 사인, 디스플레이 및 조명) 외에도 IMS 회로 기판은 자동차 산업(헤드라이트, 엔진 제어 및 파워 스티어링), 전력 전자 장치(DC 전원 공급 장치, 인버터 및 엔진 제어)에서 널리 사용됩니다. , 스위치 및 반도체 릴레이에서.
