설계 워크플로우에서 PCB 열 시뮬레이션 및 분석 소프트웨어 사용하기

PCB 설계는 회로도 캡처, PCB 레이아웃, 출력 생성을 포함하는 특정 워크플로를 따릅니다. 표준 PCB 설계 워크플로에서 열 분석과 신뢰성은 어디에 들어가야 할까요? 이러한 고려사항은 열 관리 문제가 구성 요소와 완성된 PCBA에서 신뢰성 문제를 일으키면서 설계 중 여러 지점에서 발생합니다.

인쇄 회로 기판의 열 관리는 뜨거운 지역에서 시원한 지역으로 열을 전달하는 데 중점을 두어 최종적으로 온도를 낮추고 인쇄 회로 기판 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 생성합니다. 구성 요소의 배치, PCB 스택업 및 기타 구성 요소를 사용하여 열을 어셈블리에서 멀리 이동시켜 인클로저로 전달하거나 강제 공기 흐름으로 운반할 수 있습니다. 외부 필드 솔버와 통합되는 설계 소프트웨어는 PCB 스택업을 검증하고 운영 중 PCBA에서 핫스팟을 제거하는 데 도움이 될 것입니다.

ALTIUM DESIGNER

PCB 열 분석 소프트웨어를 포함한 많은 제3자 애플리케이션과 인터페이스하는 고급 전자 제품을 위한 PCB 설계 소프트웨어.

PCB 열 분석은 PCB 구조를 통한 열 전달을 평가하기 위해 의도된 여러 작업을 포함할 수 있습니다. 이는 열이 발생할 위치와 구성 요소의 운영 중 예상 온도를 정확히 파악하는 것뿐만 아니라 PCB 기판의 구조가 열 전송을 어떻게 돕는지 이해하는 것을 요구합니다. 불행히도, 이러한 문제들은 전체적으로 평가하기 위해 필드 솔버를 포함하는 복잡한 다물리학 문제들입니다. 일단 PCBA를 통해 공기 흐름이 유도되면, 프로토타이핑 전에 공기 흐름의 효과는 CFD 시뮬레이션으로만 평가할 수 있으며, 모든 설계자가 이에 익숙한 것은 아닙니다.

이러한 고급 필드 솔버에 접근할 수 있는 설계자는 표준 작업 흐름 내에서 PCB 열 분석 소프트웨어와 인터페이스할 수 있는 PCB 설계 소프트웨어를 사용해야 합니다. PCB 열 분석 도구로 내보내기 전에, 설계자가 보드 내 열 발생을 관리하고 운영 중 과도한 온도 상승을 방지하기 위해 취할 수 있는 몇 가지 간단한 단계가 있습니다.

고온을 식별하고 과열 구성 요소 방지

PCB 열 관리는 세 가지 주요 영역에 중점을 둡니다:

• 구성 요소와 보드 기판에서 과도한 온도 상승 식별
• 열 전달을 제공하고 균일한 온도 분포를 생성하기 위한 보드 재료 선택
• 공기 흐름이나 전도를 통해 뜨거운 지역에서 시원한 지역으로 열 이동

PCB 열 분석 소프트웨어는 설계 단계의 여러 지점에서 이러한 작업을 도울 수 있습니다. PCB 열 분석 소프트웨어를 사용하기에 가장 좋은 시기는 PCB 레이아웃이 완료되었지만 프로토타이핑 전입니다. 그러나 PCB 열 분석 소프트웨어 프로그램으로 설계를 내보내기 전에 일부 기본 분석 전략을 구현할 수 있다면, 열 무결성에 대한 최선의 관행을 사용하여 필요한 재설계의 범위를 줄일 수 있습니다.

구성 요소 가열

열 분석을 돕고 보드에서 발열이 심한 구성 요소를 식별하는 한 가지 방법은 구성 요소의 열 저항 값을 사용하여 운영 온도를 결정하는 것입니다. 대용량 프로세서와 같이 높은 I/O 수를 가진 구성 요소는 분명히 매우 높은 온도에서 작동할 것입니다. 그러나 다른 작은 구성 요소들은 운영 한계 내에서 작동할 수 있음에도 불구하고 매우 뜨거워질 수 있습니다. LDO, PMIC, MMIC 및 일부 ASIC이 좋은 예입니다. 이러한 구성 요소를 조기에 식별하면 PCB 상에서 공기 흐름을 받거나 열 싱킹 요소나 케이스로 연결할 위치를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또 다른 가능성은 이러한 부품을 가능한 한 다른 영역으로 분리하여 보드의 한 영역에 큰 열점이 발생하지 않도록 하는 것입니다.

• 열 저항 사양에 대해 자세히 알아보기.

DC 전력 손실

DC 전력 손실은 PCB에서 열을 발생시키는 요인 중 하나로, 특히 전력 전자에서 중요합니다. 작은 디지털 설계와 대부분의 아날로그 설계는 이러한 유형의 시뮬레이션을 필요로 하지 않습니다. 그러나 전력 전자는 전력이 최소한의 손실로 전달되도록 보장해야 하며, 이는 발열을 최소화하고 전력 전달 효율을 극대화하는 데 도움이 됩니다. 시스템의 DC 전력 손실은 PDN 분석 시뮬레이션으로 평가할 수 있으며, 이는 PDN에서 DC 전력 분배를 계산합니다.

PDN 분석기는 PCB 레이아웃에서 발생하는 열의 양이나 온도를 직접적으로 보여주지는 않지만, PDN에서 핫스팟이 발생할 가능성이 있는 위치를 보여줍니다. 간단한 변경을 통해 설계의 무결성을 개선하고 보드 수준의 실패를 방지할 수 있습니다.

• Altium Designer에서 PDN 분석기를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

PCB 재료 선택 및 스택업 디자인

PCB에서 재료 선택은 수지 및 경화제 시스템, 재료 두께, 구리 무게를 선택하는 것을 포함합니다. 핫 구리 영역과 인근 평면 사이의 유전체 층의 두께도 중요합니다. 이는 PCB 주변으로 열이 얼마나 쉽게 전달될 수 있는지를 결정합니다.

• 구리 무게: 더 무거운 구리 무게를 가진 보드는 주어진 목표 평형 온도에서 더 높은 전류를 견딜 수 있습니다.
• 수지 함량: 수지 함량이 높은 프리프레그는 일반적으로 더 높은 열전도성을 가집니다. 이러한 재료는 고전압 보드와 같은 일부 전력 전자에서도 선호될 수 있습니다.
• 유리 전이 온도: 큰 열 변화를 겪을 보드는 높은 유리 전이 온도를 가져야 합니다. 전형적인 고-Tg 라미네이트는 170-180 °C에서 유리 전이를 경험합니다.
• 평면 레이어와 라미네이트 두께: 평면 레이어를 구리의 뜨거운 영역에 가깝게 배치하면 더 뜨거운 지역에서 열을 제거하고 그 열을 보드의 다른 영역으로 전달하는 데 도움이 됩니다.

라미네이트 재료에 대한 이러한 사양을 선택한 후, PCB 스택업을 구축하고 제작 업체에 검증을 위해 보낼 수 있습니다. 재료를 선택할 때 PCB 라미네이트의 관련 재료 속성을 모두 이해하는 것이 중요합니다.

• PCB 라미네이트 재료 속성에 대해 자세히 알아보기.

이러한 설계 작업이 완료되고 PCB 레이아웃이 완성되면, 설계를 중간 파일 형식으로 내보내어 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. PCB를 최종화하고 생산 준비를 하기 전에 포괄적인 열 시뮬레이션 및 분석을 위해 외부 도구를 사용해야 합니다.

PCB 열 분석 소프트웨어에서 주의해야 할 사항

PCB 열 분석 소프트웨어 내에서, 목표는 PCB 어셈블리의 전형적인 운영 조건에서 주어진 평형 온도 분포를 결정하는 것입니다. PCB에 대해 생성하는 시뮬레이션 결과는 공간에서의 온도 분포뿐만 아니라 가능하다면 변형에 대한 추가 정보도 보여주어야 합니다. 그러나, 보드의 다른 영역에서 평형 온도가 알려져 있다면, 이러한 데이터로부터 변형을 추정할 수 있습니다.

Altium Designer와 인터페이스하는 Ansys와 같은 제3자 필드 솔버 애플리케이션을 사용하여 이러한 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 이러한 강력한 도구를 사용하여 PCB가 열 변화, 열 충격 및 열 순환으로 인해 변형되는 것을 결정할 수 있습니다. 이러한 도구의 조합은 PCBA의 신뢰성을 평가하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. 피로 실패는 PCB 레이아웃에서 검토해야 할 중요한 사항입니다.

PCB 열 신뢰성 평가에 대해 자세히 알아보기.

장치가 높은 온도에서 작동하고 상당한 열 감소가 필요한 경우, 종종 방열판, 열 화합물 및 추가 구리와 함께 설계에 공기 흐름이 추가됩니다. 공기 흐름을 제공하는 팬의 효과 또는 자연 대류는 CFD-열 공동 시뮬레이션을 사용하여 평가할 수 있습니다. 이러한 더 고급 필드 솔버는 공기 흐름만으로 PCB 주변에 열이 어떻게 퍼지는지 검토하는 데 도움이 됩니다. PCB 레이아웃에서 고려해야 할 추가 사항으로는 팬의 기계적 배치가 있으며, 이는 간섭을 방지하고 최대 열 분산 및 공기 흐름을 위한 인클로저를 설계하기 위해 MCAD 도구가 필요합니다.

• 통합 ECAD/MCAD 워크플로우에 대해 자세히 알아보기.

Altium 365와 열 시뮬레이션 모델 공유하기

Altium Designer는 이미 업계 표준 PCB 설계 소프트웨어 패키지로, 고급 전자 제품을 만들기 위해 필요한 최고 품질의 설계 및 제조 도구 세트를 제공합니다. 사용자는 중간 파일 형식을 통해 Altium Designer와 인터페이스하는 외부 PCB 열 분석 소프트웨어 패키지를 사용하여 설계 및 시뮬레이션 기능을 확장할 수 있습니다.

이러한 시뮬레이션 모델 파일을 생성하기 위한 Altium Designer의 현재 도구는 EDB Exporter 확장 프로그램으로, PCB 레이아웃에서 Ansys 필드 솔버에서 사용할 EDB 파일을 생성합니다. Altium 365 플랫폼을 사용하면 이러한 시뮬레이션 모델 파일을 협업자와 쉽게 공유하고, 프로젝트에 보관하며, 파일을 버전 관리에 넣고, 모든 프로젝트 데이터를 제조에 릴리스할 수 있습니다.

Altium 365를 통한 외부 필드 솔버와의 인터페이스

Altium Designer와 Altium 365는 PCB 열 분석을 위한 외부 필드 솔버 애플리케이션과 인터페이스하는 독특한 방법을 사용자에게 제공합니다. Altium Designer 사용자는 PCB 열 분석 소프트웨어에서 사용할 수 있는 공급업체별 및 공급업체 중립적 파일을 생성하기 위해 다양한 내보내기 유틸리티를 사용할 수 있습니다. 이러한 파일을 생성할 때, Altium 365 플랫폼을 사용하여 설계 팀 및 협업자와 쉽게 공유할 수 있습니다. 공유는 클라우드 플랫폼을 통해 안전하며 내장된 Git 기반 버전 관리 시스템을 포함합니다.

• Altium Designer는 사용자에게 고급 전자 제품을 만들고 회로 보드 레이아웃 문서를 준비하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다.
  인쇄 회로 보드 설계를 위한 Altium Designer의 완벽한 도구 세트에 대해 자세히 알아보세요.
• Altium Designer에는 Ansys 열 시뮬레이션 애플리케이션과 인터페이스하기 위한 EDB 파일 내보내기 도구를 포함하여 설계 환경의 기능을 확장하는 많은 확장 프로그램이 포함되어 있습니다.
  Altium Designer용 Ansys EDB Exporter 확장 프로그램에 대해 자세히 알아보세요.
• Altium 365는 고급 필드 솔버 애플리케이션에서 사용할 시뮬레이션 모델을 포함하여 모든 프로젝트 데이터를 저장하고 공유하기에 이상적입니다.
  Altium 365를 사용하여 시뮬레이션 모델과 데이터를 공유하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

Altium 365에서의 Altium Designer는 지금까지 소프트웨어 개발의 세계에 국한되었던 전자 산업에 전례 없는 수준의 통합을 제공하여, 디자이너가 집에서 작업하고 전례 없는 효율성을 달성할 수 있게 합니다. 열 시뮬레이션 모델을 협업자와 공유했으면, 그들은 디자인에 코멘트를 달고 최고 수준의 품질과 신뢰성을 보장하기 위해 수정을 제안할 수 있습니다. 디자인이 완성되어 생산에 출시할 준비가 되면, Altium 365를 통해 온라인 플랫폼이나 Altium Designer의 표준 도구 세트를 통해 디자인을 생산에 출시할 수 있습니다.

우리는 Altium Designer와 Altium 365에서 가능한 것들의 겉면만 긁어봤을 뿐입니다. 오늘 Altium Designer + Altium 365에서 열 시뮬레이션 소프트웨어 무료 체험을 시작하세요.