열 프로토타입 PCB 설계 방법

PCB에서 발생하는 열 문제는 종종 간과되며, 설계가 프로토타이핑 단계를 거친 후에야 문제가 해결되지 않는 경우가 많습니다. 분명히, 프로토타이핑은 비용이 많이 들고, 설계 팀이 무한정 돈을 프로토타입 제작에 투자할 수는 없지만, 저비용 프로토타입 제작을 통해 일부 테스트 작업을 진행할 수 있습니다. 열 관점에서 이 문제를 접근하는 한 가지 방법은 열 프로토타입을 실행하는 것입니다.

이 프로토타입들은 복잡하거나 비싸게 만들어질 필요가 없습니다; 그것들은 몇 개의 구성 요소만을 특징으로 하는 저렴한 보드들이며, 특정 회로에서의 열 요구 사항을 평가하기 위해 특별히 설계되었습니다. 또한, 환경 테스트, 기계적 테스트 및 기본적인 기능 테스트와 관련된 경우에는 여러 목적으로 사용될 수도 있습니다.

열 프로토타입에 필요한 것들

열 프로토타입은 제한된 수의 구성 요소를 포함하는 작은 회로 기판으로 구성될 수 있습니다. 구체적으로, 열 성능과 신뢰성을 테스트하고자 하는 주요 구성 요소만을 포함해야 합니다. 목표는 알려지지 않은 열 프로파일을 가진 회로만을 배치하여 이들을 직접 측정할 수 있도록 하는 것입니다.

시스템의 열 부하가 알려지지 않았을 때, 기판 구성에 대해 항상 몇 가지 미해결 질문이 있습니다. 어떤 구리 무게를 사용해야 할까요? 특정 층에 평면이 필요한가요? 고급 고열 전도성 재료가 필요한가요, 아니면 일반 FR4 등급 재료로 사양에 맞게 작동할까요? 열 프로토타입을 통해 이러한 점들과 훨씬 더 많은 것들을 조사할 수 있습니다.

• 변형 구성 요소가 있는 열 테스트 회로의 복제본
• 사용되지 않는 핀, 중요한 전력 구성 요소 등에 많은 테스트 포인트
• 필요한 구성 신호와 인터페이스에 접근하기 위한 커넥터 또는 헤더
• 또한 과도한 열을 생성할 수 있는 모든 지원 구성 요소
• 수동 또는 유도성 구성 요소의 경우, 테스트 중 쉽게 교체할 수 있도록 일반적인 패키징을 가진 부품을 선택하세요

테스트 회로의 PCB 레이아웃은 의도한 기판 구성과 가능한 한 밀접하게 일치해야 하지만 가능한 한 위험은 적어야 합니다. ASIC용 대부분의 열 테스트 보드는 프론트엔드 엔지니어링 단계에서 수행될 수 있으므로, 단순성을 위해 사용자 정의 솔루션보다는 데이터시트의 애플리케이션 회로를 구축하는 것을 고려하세요. 전력 관리 ASIC의 경우, 이들 역시 열을 대량으로 생성할 수 있는 인덕터, 변압기, 초크 등을 배치하는 것이 중요합니다.

설계가 완료되면, 열 프로토타입은 해외의 저비용 제조 및 조립 시설에서 생산에 투입될 수 있습니다. 보통, 민감한 지적 재산권(IP)을 다루는 것이 아니며, 조립 중에 부품 배치 횟수도 적어야 합니다. PCB 레이아웃과 BOM을 크게 단순화함으로써, 제작 비용을 가능한 한 낮출 수 있습니다.

열 프로토타이핑에서의 측정

설계 및 제작이 완료되면, 열 프로토타입을 테스트하고 온도를 측정해야 합니다. 이를 위한 최선의 방법은 무엇일까요?

테스트 중인 회로 주변에서 가장 정확한 온도 측정을 제공하는 방법은 적외선 카메라를 사용한 온도 측정입니다. 다양한 해상도와 탐지 범위를 가진 적외선 카메라가 많이 있습니다. 스마트폰에 연결할 수 있는 작은 모듈부터 고해상도 실시간 온도 맵을 제공할 수 있는 큰 손잡이형 이미저까지 있습니다(아래에 표시된 이미지와 같은).

마크 해리스가 제공한 열 이미지 이 기사에서.

더 복잡한 열 프로토타입 보드, 예를 들어 디지털 인터페이스를 가진 ASICs의 경우, 일부 실시간 구성이 필요할 수 있습니다. 이때 데이터 로거나 DAQ, 혹은 PCB 내의 인터페이스에 대한 직렬 연결을 포함해야 할 필요가 있습니다. 이를 통해 직렬 인터페이스를 제어하고 장치를 테스트하면서 I/O 상태를 모니터링할 수 있습니다.

개발 보드와 평가 보드는 어떤가요?

열 프로토타이핑은 개발 보드와 평가 보드가 빛을 발할 기회입니다!

개발(Dev) 보드는 대부분 특정 구성 요소를 중심으로 펌웨어와 애플리케이션을 구축할 수 있는 마이크로컨트롤러나 FPGA의 개발 프로토타입으로 사용됩니다. 평가(Eval) 보드는 모듈식이며, 전선으로 임시 조립하여 다양한 구성 요소 세트가 시스템에서 어떻게 함께 작동할 수 있는지 테스트할 수 있습니다.

개발 보드이든 평가 보드이든, 제품은 열 프로토타입으로도 사용될 수 있습니다. 이러한 보드는 고전력이나 고온 환경에서 테스트할 수 있으며, 다른 장비와 인터페이스하거나 애플리케이션을 실행하면서 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 다음과 같이 할 수 있습니다:

• 환경 챔버에서 보드를 실행하세요
• 보드를 전력 또는 온도 한계 근처에서 실행하세요
• 작동 중인 DC 팬이 있는 인클로저에 보드를 배치하세요
• 방열판과 열 인터페이스 재료

와 실험하세요. 평가 보드와 개발 보드가 항상 의도한 회로를 완벽하게 반영하는 것은 아니지만, 때로는 충분히 가까워서 테스트 중인 구성 요소의 열 프로파일에 대해 합리적인 데이터를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 아래에 표시된 게이트 드라이브 평가 보드에서는 SiC 기반 전력 시스템에 대한 우수한 열 데이터를 얻을 수 있습니다.

Texas Instruments UCC21710QDWEVM-025 평가 보드는 SiC 트랜지스터와 전력 모듈을 구동하기 위한 것입니다.

모든 구성 요소가 개발 보드나 평가 보드로 제공되는 것은 아니지만, 이러한 보드가 제공될 때 많은 유통업체에서 구입할 수 있습니다. Octopart를 확인하고 "eval board"를 검색하여 무엇이 있는지 확인하세요. 또한 구성 요소 제조업체 사이트에서 참조 설계 자료와 평가 보드 옵션을 찾아볼 수도 있습니다.

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