PCB 열 분석 완벽 가이드

PCB 기판과 구리 도체의 물리적 특성은 회로 기판이 작동 중에 가열되는 방식을 결정하는 주요 요소입니다. 회로 기판 열 분석 기술은 작동 중에 기판이 언제 어디에서 가열될 것인지, 기판이 얼마나 뜨거워질지 예측하는 것을 목표로 합니다. 이 분석은 컴포넌트 수준과 기판 수준의 신뢰성을 보장하는 데 중점을 두며 설계 결정에 지대한 영향을 미칠 수 있습니다.

최고의 인쇄 회로 기판 설계 소프트웨어를 사용하면 신뢰성이 우수하고 낮은 온도로 작동하는 기판을 쉽게 설계할 수 있습니다. Altium Designer는 최고의 회로 기판 설계 도구와 더불어 신뢰성을 보장하는 재료 라이브러리를 제공하며, PCB 레이아웃 및 스택업의 열 관리 모범 사례를 구현하는 데 필요한 모든 요소를 갖추고 있습니다. 회로 기판 열 분석에 대한 이해도를 높이고 신뢰성을 갖추는 기판을 설계하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

Altium Designer

고급 레이아웃 기능과 포괄적인 기판 재료 라이브러리 및 생산 계획 기능을 결합한 통합 PCB 설계 패키지.

회로 기판 및 컴포넌트의 재료에 따라 작동 시 열이 기판 주위를 이동하는 방식이 결정됩니다. 그러나 PCB 기판 재료는 가열된 컴포넌트에서 열이 방출되는 것을 방지하는 절연체입니다. 구리 도체와 평면 레이어가 도움이 될 수도 있지만 기판의 작동 평형 온도에 영향을 미치는 몇 가지 간단한 설계 선택 사항이 있습니다. 이러한 설계 결정은 세 가지 영역에 중점을 둡니다.

• 회로 기판 스택업 설계
• 기판 재료 선택
• 부품 선택 및 레이아웃

팬이나 방열판 외에도 몇 가지 간단한 설계 사항을 선택하면 기판이 낮은 온도에서 작동하고 조기 고장을 일으키지 않도록 보장할 수 있습니다. 올바른 설계 도구 세트를 사용하면 열 관리 모범 사례를 쉽게 구현할 수 있습니다.

열 분석을 통한 회로 기판 설계

회로 기판 설계 시 열 분석의 목표는 온도를 한계 이내로 유지하기 위해 팬, 방열판, 추가 구리 또는 열 비아와 같은 냉각 조치가 필요한 시기를 결정하는 것입니다. 설계자는 기판 내 컴포넌트의 최대 허용 온도를 선택한 다음 손실되는 전력에 따라 컴포넌트 온도가 어떻게 변화하는지 조사해야 합니다. 컴포넌트 온도가 허용 온도 한계를 초과하면 방열판이나 팬과 같은 추가 냉각 조치가 필요할 수 있습니다.

먼저, 집적 회로용 컴포넌트 데이터시트에서 일반적으로 찾을 수 있는 컴포넌트의 열 임피던스를 확인합니다. 이 값은 저전력 증폭기나 IC의 경우 ~20°C/W 정도로 낮을 수 있고, 강력한 마이크로프로세서의 경우 ~200°C/W 정도로 높을 수도 있습니다. 작동 온도를 결정하려면 컴포넌트의 전력 소비량에 열 임피던스를 곱하기만 하면 됩니다. 이는 SOT 패키지의 MOSFET을 예로 들어 아래에 정의되어 있습니다.

열 임피던스로 정의되는 부품 온도.

컴포넌트의 온도가 너무 높은 경우, 다음과 같이 설계자가 PCB 레이아웃에서 컴포넌트의 열 임피던스를 낮추기 위해 컴포넌트의 열을 방출할 수 있는 몇 가지 단계가 있습니다.

• 부품 아래에 접지된 다각형 주입 영역에 열 비아 추가
• 열전도율이 높은 PCB 기판 소재 사용
• 부품에 방열판 추가
• 부품 아래에 평면 레이어와 같은 구리를 더 포함
• 팬을 사용하여 부품 패키지 전체에 냉기 공급
• 열 인터페이스 재료를 사용하여 금속 인클로저에 바로 기판 부착

어떤 방법을 선택하든 열 신뢰성은 최상의 PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 정확한 PCB 스택업을 설계하는 것에서부터 시작됩니다.

최고 PCB 스택업 설계로 시작하기

회로 기판 레이아웃에 다른 냉각 조치를 구현하기 전에 최고의 PCB 설계 도구 세트를 사용하여 정확한 스택업을 구축하세요. Altium Designer의 레이어 스택업 매니저를 사용하면 PCB 기판이 높은 열전도율을 갖도록 구리 평면 레이어와 레이어 두께의 최적 배열을 생성할 수 있습니다. 스루홀 비아가 가열된 컴포넌트 아래의 기판 뒷면까지 확장될 수 있도록 레이어 스텍업 매니저에서 설정할 수 있습니다. 이러한 PCB 설계의 기본 전략은 고온 컴포넌트에서 열을 제거하는 데 큰 도움이 됩니다.

Altium Designer를 사용하면 일반적인 스택업 재료에 대해 알려진 유전체 특성이 있는 PCB 스택업 재료 라이브러리에도 액세스할 수 있습니다. 이를 통해 설계자는 PCB 설계 소프트웨어 내에서 스택업 설계를 완벽하게 제어할 수 있으므로 고속 기판 및 전력 시스템용 고전류 기판과 같은 애플리케이션을 지원할 수 있습니다. Altium Designer를 사용해 모든 유형의 스택업을 설계하고 회로 기판에 사용할 재료도 선택하세요.

• 기판 재료는 신뢰성을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 높은 열전도율을 가진 올바른 재료는 고전력 컴포넌트의 열을 제거하고 컴포넌트를 낮은 온도에서 계속 작동시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

  올바른 기판 재료를 선택하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

• 세라믹 재료는 표준 FR4 기판보다 훨씬 높은 열전도율을 가지며 고온 환경에서 사용하기에 이상적입니다.

  세라믹 기판으로 회로 기판을 설계하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

• 기판에 사용할 재료가 무엇이든 회로 기판 스택업을 구축하려면 최고의 PCB 레이어 스택 매니저가 필요합니다.

  Altium Designer에서 레이어 스택을 설계하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

Altium Designer의 스택업 디자인

PCB를 위한 표준 열 관리 방법

스택업을 정의하는 것은 기판 설계에 있어 중요한 한 가지 요소일 뿐입니다. PCB 설계 소프트웨어에서 스택업이 정의되면 PCB 레이아웃 도구를 사용하여 접지면, 구리 주입 영역, 방열판, 냉각 팬, 열 비아 등의 배치를 시작할 수 있습니다. 회로 기판의 이러한 기능은 PCB 레이아웃 소프트웨어의 CAD 도구를 사용하여 정의됩니다. 또한 PCB 라이브러리는 전자 공급망에 연결되어야 팬 및 방열판을 위한 CAD 모델에 액세스할 수 있습니다. 이를 통해 회로 기판 레이아웃의 열 관리에 필요한 컴포넌트를 쉽게 찾고 다운로드하여 배치할 수 있습니다.

열 비아, 팬, 방열판과 같은 요소를 배치하는 것 외에도 PCB의 각 레이어에 평면과 트레이스를 배열하면 PCB에 있는 구리 전도체의 고유한 DC 저항으로 인해 열이 발산됩니다. PCB 스택업에서 구리를 어떻게 사용해야 하는지 결정할 때 PDN의 특정 위치에서 핫스팟이 발생할 수 있는지를 검사하기 위한 DC 시뮬레이션이 중요해집니다.

DC 전력 무결성 시뮬레이션으로 핫스팟 식별

DC 전력 무결성 시뮬레이터는 PDN에서 온도 상승을 유발하는 높은 전류 밀도 영역을 찾아내는 데 유용할 수 있습니다. PCB의 이러한 고온 영역이 고온 컴포넌트 근처에 있으면 온도를 낮추기 위해 구리 또는 방열판이 추가로 필요할 수 있습니다. 또한 PDN에서 식별된 영역의 구리는 해당 영역의 DC 저항을 낮추기 위해 재설계해야 할 수도 있습니다.

• 활성 컴포넌트에 대한 패시브 냉각 전략의 일환으로, 방열판을 고온 컴포넌트에 부착하기 위해 방열 패드 또는 방열 페이스트를 사용해야 합니다. 이를 통해 컴포넌트에서 열을 효율적으로 분리할 수 있습니다.

  방열 패드 및 방열 페이스트에 대해 자세히 알아보십시오.

• PCB의 모든 활성 컴포넌트는 패키징과 PDN의 구리 근처에서 열을 발산하여 열원으로 작용합니다. 활성 컴포넌트의 수가 많은 경우 팬을 사용하여 컴포넌트를 냉각해야 할 수도 있습니다.

  PCB 레이아웃에서 활성 냉각 부품으로 작업하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

• Altium Designer의 PDN Analyzer 확장 기능은 액세스 및 사용이 용이합니다. 이 확장 기능은 PCB 레이아웃 데이터를 가져와 고품질 DC 전력 무결성 시뮬레이션을 생성합니다.

  DC 시뮬레이션을 위한 Altium Designerd의 PDN Analyzer 확장 기능에 대해 자세히 알아보세요.

DC 전력 무결성 시뮬레이션은 단일 레이어 또는 다중 레이어에서 동시에 PDN의 핫스팟을 식별하는 데 도움을 줍니다.

회로 기판 열 분석 및 PCB 레이아웃을 위한 최적의 소프트웨어

올바른 PCB 레이아웃 도구 세트 없이 회로 기판 레이아웃의 열을 적절하게 관리하는 것은 어려운 작업입니다. 최고의 PCB 설계 애플리케이션에는 PCB 레이아웃 작업을 위한 CAD 도구 세트 그 이상이 포함됩니다. 최고의 스택업 설계 유틸리티, 포괄적인 회로도 에디터, 혼합 신호 시뮬레이션 기능 등이 필요해질 것입니다. 기판을 제조하기 위해 전달할 준비가 되면 표준 파일 형식으로 설계에 대한 설명서를 작성해야 합니다. PCB 설계 소프트웨어는 다른 프로그램으로 분리하지 않고 단일 애플리케이션에서 모든 기능을 제공할 수 있어야 합니다.

Altium Designer는 고전력 DC 기판부터 고속 디지털 제품 및 고주파 RF 시스템에 이르기까지 모든 애플리케이션을 위한 유일한 종합 PCB 설계 애플리케이션입니다. Altium Designer에는 표준 재료를 가져오고, 구상할 수 있는 모든 레이어 배열을 정의하며, 고유한 재료를 가져올 수 있는 최고의 레이어 스택업 매니저가 포함되어 있습니다. 또한 비아 및 폴리곤 설계 도구를 포함한 완벽한 라우팅 및 레이아웃 기능 세트에 액세스할 수도 있습니다. Altium Designer는 신뢰할 수 있는 회로 기판을 설계하는 데 필요한 모든 것을 갖추고 있습니다.

Altium Designer를 통한 고신뢰성 회로 기판 설계

Altium Designer의 강점은 규칙 기반 설계 환경에 있습니다. 다른 디자인 플랫폼은 중요한 설계 도구를 여러 프로그램에 나누는 반면 Altium Designer는 하나의 애플리케이션으로 생산성을 유지합니다. Altium Designer의 PCB 설계 기능은 단일 패키지에서 함께 작동하도록 제작되어 설계를 생성할 때 오류를 발견하는 데 도움을 줍니다. 다른 어떤 PCB 설계 애플리케이션도 회로 기판 열 분석, 레이아웃 및 제조를 위해 이렇게 많은 기능을 제공하지 않습니다.

• Altium Designer는 단일 애플리케이션에서 완전한 설계 도구 세트를 찾고 있는 전문 PCB 설계 팀에게 이상적인 패키지입니다.

  Altium Designer의 통합 환경에 대해 자세히 알아보세요.

• Altium Designer의 PDNA 확장 기능은 PCB 레이아웃 내부에서 액세스할 수 있으며 작동 중에 고온으로 가열되는 레이아웃 영역을 식별하는 데 도움이 됩니다.

  알티움 디자이너용 PDNA 확장 기능에 대해 자세히 알아보세요.

• 회로 기판 설계를 다른 PCB 설계자 또는 제조업체와 공유해야 하는 경우 Altium 365 플랫폼을 통해 설계 및 생산 데이터를 즉시 공유할 수 있습니다.

  PCB 프로젝트 데이터를 Altium 365와 공유하는 방법을 자세히 알아보세요.

대형 냉각 팬이 있는 멀티 기판 시스템의 3D 이미지

회로 기판 열 분석을 완료하고 PCB 레이아웃의 잠재적인 문제를 파악했다면 Altium Designer를 사용하여 기판 온도를 제한 범위 내로 유지하기 위한 모범 사례를 구현하세요. 이처럼 단일 애플리케이션에서 완벽한 설계, 공유 및 설계 검증 기능 세트를 제공하는 타 설계 애플리케이션은 찾을 수 없을 겁니다.

Altium 365의 Altium Designer는 지금까지 소프트웨어 개발 분야로 밀려났던 전자 산업에 이례적인 통합을 제공하여 설계자가 집에서 일하며 독보적인 수준의 효율성을 달성할 수 있게 합니다.

Altium 365에서 Altium Designer로 할 수 있는 작업은 이보다 훨씬 많습니다. 제품 페이지에서 자세한 기능 설명을 읽어 보거나 온디맨드 웨비나 중 하나를 확인해 보세요.