PCB 열 저항 관리에 대한 열 비아를 활용한 리뷰

PCB 설계와 열 관리는 밀접하게 연결되어 있으며, 열 문제는 회로 기판과 구성 요소의 유용한 수명을 크게 줄일 수 있습니다. 활성 및 수동 구성 요소에 의해 회로 기판에서 발생하는 열은 대부분의 회로 기판 기판의 낮은 열 전도성으로 인해 구성 요소 근처에 한정되어 높은 온도 상승을 초래합니다. 회로 기판과 구성 요소가 높은 온도와 낮은 온도 사이를 자주 전환하면 시스템의 수명이 단축되고 구성 요소나 구리 도체의 조기 실패로 이어질 수 있습니다.

모든 설계자는 구성 요소에서 발생하는 열을 관리하기 위해 다양한 전략의 조합을 고려해야 합니다. 이러한 다양한 전략 중에서, 설계자는 각 활성 구성 요소에 열 패드와 방열판을 사용하고, 내부 층에 구리 평면을 창의적으로 사용하며, 열 전도성이 높은 기판 재료를 사용하고, 고전력을 발산하는 활성 구성 요소 근처에 열 비아를 사용할 수 있습니다. 구성 요소의 전략적 배치도 회로 기판에서 핫스팟 형성을 방지하는 데 중요합니다.

Altium Designer의 설계 및 분석 도구 덕분에 대부분의 PCB 기판 재료가 높은 열 저항을 가지고 있음에도 불구하고 보드의 온도를 받아들일 수 있는 한계 내에서 유지할 수 있는 전략을 세울 수 있습니다. PCB 레이아웃 도구를 사용하면 열전도율이 높은 기판과 맞춤형 스택업을 사용하여 보드를 설계하고, 열 비아, 수동 및 능동 냉각 조치를 적용할 수 있습니다.

ALTIUM DESIGNER

고급 PCB 레이아웃 기능과 포괄적인 비아 및 패드 디자인 기능을 통합한 통합 PCB 설계 플랫폼입니다.

모든 회로 기판의 구성 요소는 작동 중 일정량의 열을 발생시키며, 선제적인 설계자는 작동 중 과도한 온도 상승을 방지하기 위한 조치를 취할 것입니다. 오버클럭된 게이밍 PC를 본 적이 있다면, 그래픽 카드와 프로세서에서 열을 제거하기 위해 사용되는 대형 냉각 팬과 심지어 액체 냉각 시스템에 익숙할 것입니다. 아마도 귀하의 PCB는 그렇게 극단적인 열 분산 조치가 필요하지 않을 것입니다. 그러나, 구성 요소에서 열을 제거하고 보드 전체에 균일한 온도 분포를 생성하는 방법을 고려해야 합니다.

많은 회로 기판 기판의 높은 열 저항은 활성 구성 요소 근처에 핫스팟이 형성되게 할 수 있습니다. 이러한 핫스팟은 상당한 양의 열을 발생시키는 활성 구성 요소 근처에 축적되는 경향이 있습니다. PCB에서 온도 상승과 싸우는 다양한 방법 중에서, 열 비아는 활성 구성 요소로부터 열을 내부 층으로 전송하는 데 특히 유용합니다.

패드 아래에 다이 부착 패들과 함께 올바른 수의 밀도로 열 비아를 배치하는 것은 내부 보드 층으로 열을 전송하는 한 가지 방법입니다. 문제의 구성 요소 아래에 열 비아의 수와 배열을 최적화하면 최상의 결과를 볼 수 있습니다. 각 활성 구성 요소에 방열판과 열 패드를 사용하는 것과 같은 다른 냉각 방법과 일부 능동 냉각 조치와 결합하면, 구성 요소의 온도를 최대 정격 값 이하로 유지하고 회로 기판의 수명을 연장할 수 있습니다.

열 비아란 무엇인가요?

전력 전자 장치, 고속 프로세서, 고주파 구성 요소와 같은 많은 활성 구성 요소들이 작동 중에 상당한 열을 발생시키기 때문에, 이러한 장치들은 정격 최대 온도 이하로 운영 온도를 유지하기 위해 일종의 열 분산 방법이 필요합니다. 열 비아는 단순히 스택업을 관통하는 구성 요소 아래에 배치된 비아입니다. 이러한 비아는 스택업 내의 접지면에 연결될 수 있어 내부 층으로 열을 전달할 수 있으며, 그 후 열은 접지 층을 통해 보드의 나머지 부분으로 전도됩니다.

열 비아는 스택업 전체에 걸쳐 열 분산을 제공하도록 관통 홀 비아로 배치될 수 있습니다. 이 열 비아의 링은 대상 구성 요소 아래의 표면 층에서 솔더 마스크를 통해 보여야 합니다. 다이 부착 패들에 납땜되어 구조 전체에 균일한 열 전도성을 제공할 수 있습니다. 이 비아를 에폭시로 채우거나 도금하는 것도 좋은 생각입니다. 이는 납이 보드의 뒷면으로 흘러 들어가는 것을 방지하기 때문입니다. 보드 전체의 온도 분포를 검토하면, 열 비아에서 멀어질수록 표면 및 내부 층의 온도 분포가 퍼져 나가는 것을 발견할 수 있습니다.

열 비아에서 회로 기판 기판으로의 열 전달

SMD 구성 요소 아래의 열 비아 배치

많은 구성 요소, 예를 들어 QFP 패키지의 구성 요소는 구성 요소 하단에 다이 부착 패들을 포함하고 있으며, 열 비아는 구성 요소 아래에 적절한 패턴으로 배치되어야 합니다. 적절한 간격으로 열 비아의 올바른 수를 배치하면 구조의 효과적인 열 전도성이 최적화되어 최대량의 열이 기판으로 전달되고 온도가 환경의 주변 온도에 가까워집니다. 일반적으로, 제조 예산 내에서 더 많은 열 비아를 선택해야 합니다.

회로 기판에 열 비아의 예시 간격

많은 인쇄 회로 기판이 FR4 기판에 설계되므로, 이 기판 재료의 높은 열 저항은 기판의 온도를 낮추기 위한 어떤 형태의 열 분산 방법이 필요합니다. 설계자는 기판과 구성 요소의 온도를 수용 가능한 수준으로 유지하기 위해 열 비아와 다른 열 분산 방법을 결합하는 것을 고려해야 합니다. 이는 특히 귀하의 보드가 고온과 저온 사이를 반복적으로 순환할 경우 특히 중요합니다.

• 열 비아는 PCB의 더 큰 열 관리 전략 중 하나에 불과합니다. 열 비아가 내부 층으로 충분한 열을 발산하지 못한다면, 방열판, 열 패드 또는 페이스트, 그리고 냉각 팬과 같은 다른 열 발산 방법을 포함해야 합니다. PCB를 위한 열 관리 전략을 세우는 방법에 대해 자세히 알아보세요.
• PCB의 각 비아는 제조 예산에 영향을 미치며, 열 비아를 배치할 때는 PCB 제조 과정과 예산을 신중하게 고려해야 합니다.

  회로 기판 제조 및 조립 과정에 대해 자세히 알아보세요.

• PCB의 다른 구리 도체와 마찬가지로, 열 비아도 설계 규칙 및 제약 조건에 따라 배치해야 합니다.

  PCB 설계 소프트웨어에서 설계 규칙 검사를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

Altium Designer에서의 비아, 패드, 폴리곤 설계 규칙

기판, 열 비아, 그리고 열 전달

열 비아를 사용한다고 해도 보드의 온도가 충분히 낮아질 것이라는 보장은 없습니다. 이는 특히 보드가 온도가 높은 환경에 배치되거나 시스템의 온도가 더 높아지는 부분에 있을 때 더욱 그렇습니다. 보드가 작동 중일 때, 구성 요소와 환경 사이의 열 기울기가 낮아져서 뜨겁고 차가운 지역 사이의 열 전달 속도가 감소합니다.

이때 활성 구성 요소로부터 열을 빠르게 이동시키기 위해 열 전도성이 높은 기판을 사용하는 것이 유용합니다. 세라믹은 열 전도성이 높은 기판 재료 중 최고의 선택 중 하나입니다. 또 다른 옵션은 금속 코어 PCB를 사용하는 것입니다; 두꺼운 구리 코어는 표준 FR4 스택업에 비해 상당한 열 분산을 제공할 것입니다. 열 비아와 결합될 때, 귀하의 기판과 스택업은 보드를 통해 열이 쉽게 옆으로 이동하도록 도와 작동 중에 더 균일한 평형 온도에 도달하게 합니다. 이는 PCB의 더 균일한 열 팽창으로 이어져 시스템 내 다른 구리 도체에서 내부 스트레스가 덜 집중되게 합니다.

기타 열 관리 방법

PCB의 온도를 주변 온도에 가깝게 유지할 수 있는 다른 열 관리 방법이 있습니다. 이러한 방법에는 고속 프로세서와 기타 중요한 구성 요소에 방열판을 부착하는 것이 포함됩니다. 방열판에 있는 열 패드는 구성 요소로부터 열을 멀리 전도하는 높은 열 전도성 경로를 제공하는 데 도움이 됩니다. 보드에 고전력 구성 요소가 많은 경우 중요한 구성 요소에서 열을 제거하기 위해 팬을 디자인에 추가할 수밖에 없을 수도 있습니다.

기판 재료와 레이어 스택도 회로 기판의 표면층으로부터 열을 멀리 전달하는 것을 염두에 두고 설계되어야 합니다. PCB의 내부 레이어에서 구리의 높은 열 전도성은 열을 열 비아로부터 멀리 전달하여 PCB의 가장자리로 쉽게 전달할 수 있습니다. 구성 요소 배치도 매우 중요합니다. 가장 많은 열을 발생시키는 구성 요소는 PCB에서 열이 더 넓은 영역에 걸쳐 분산될 수 있도록 보드 중앙에 가깝게 배치하는 것이 좋습니다.

• 열 비아는 열 성능에 대한 IPC 2152 표준을 준수하도록 설계되어야 합니다. IPC 2152 지침을 준수하여 설계하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.
• PCB의 온도를 제어할 수 있는 다양한 수동 열 방출 방법이 있습니다.

  회로 기판을 위한 수동 열 관리 기술에 대해 자세히 알아보세요.

• 대체 기판 재료는 보드 내의 뜨거운 지역에서 차가운 지역으로 열을 전달하고 환경으로 빠르게 방출하는 데 탁월한 선택입니다.

  대체 기판 재료를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

기판 재료와 스택업은 보드의 열 저항을 결정합니다

열 비아 디자인 소프트웨어 사용하기

열 비아 디자인 소프트웨어는 CAD 도구를 사용하여 비아의 표준 기하학적 형태와 레이어 스택 전반에 걸친 범위를 정의합니다. 올바른 회로 기판 레이아웃 도구를 사용하면, 포괄적인 열 관리 전략을 생성하기 위해 열 비아의 기하학적 형태와 배열을 디자인할 수 있습니다. 열 비아를 디자인하기 위한 최고의 소프트웨어는 또한 스택업 디자인 기능을 포함합니다. 이를 통해 PCB 내부에서 열을 전도할 수 있도록 내부 구리 레이어를 정의할 수 있습니다. 이러한 도구는 다른 중요한 라우팅 및 레이아웃 기능과 함께 접근할 수 있어야 하며, 단일 플랫폼에서 완벽한 솔루션을 제공합니다.

Altium Designer에서의 완벽한 열 비아 디자인 및 레이아웃

Altium Designer의 종합적인 스택업 및 열 비아 기능을 사용하면 단일 프로그램에서 레이어 스택, 열 비아 및 레이아웃을 쉽게 생성할 수 있습니다. Altium Designer의 CAD 도구는 시뮬레이션 및 생산 계획 기능 세트와 함께 접근할 수 있습니다.

• Altium Designer의 통합 설계 환경은 단일 애플리케이션에서 필요한 모든 CAD 도구를 제공합니다. 중요한 열 비아 디자인 및 레이아웃 기능에 단일 프로그램에서 접근할 수 있습니다. Altium Designer에서 통합 설계에 대해 자세히 알아보세요.
• 규칙 기반 회로 보드 디자인 소프트웨어를 사용하면 보드에 대한 중요한 디자인 규칙과 제약 조건을 정의할 수 있습니다. 이는 기능성과 제조 가능성을 보장하는 데 도움이 됩니다. Altium Designer의 규칙 기반 디자인 엔진에 대해 자세히 알아보세요.
• Altium Designer의 재료 스택업 라이브러리를 사용하면 높거나 낮은 열 전도성 및 다양한 전기적 특성을 가진 표준 기판 재료 중에서 선택할 수 있습니다. Altium Designer의 재료 스택업 라이브러리에 대해 자세히 알아보세요.

Altium Designer의 CAD 도구와 관리 기능은 시스템 전체에서 열 전달을 지원하기 위한 열 비아(thermal vias), 구성 요소 레이아웃, 그리고 능동 및 수동 냉각 조치의 배치 설계에 이상적입니다. 비아 레이아웃과 제조 요구 사항을 설계 규칙 및 제약 조건으로 정의할 수 있습니다. 또한 단일 애플리케이션에서 강력한 시뮬레이션 및 분석 기능 세트에도 접근할 수 있습니다. 재료 스택업 라이브러리와 광범위한 구성 요소 라이브러리를 추가하면 강력한 열 관리 전략을 가진 회로 기판을 설계하고 생산에 투입할 수 있는 모든 기능을 갖추게 됩니다.

Altium만이 인쇄 회로 설계를 위한 방대한 자원 세트를 제공합니다. AltiumLive 포럼, 업계 전문가와의 웨비나 및 팟캐스트, 설계 튜토리얼, 그리고 다양한 설계 팁이 포함된 광범위한 지식 기반에 접근할 수 있습니다. 다른 PCB 설계 소프트웨어 회사는 이러한 수준의 지원을 제공하지 않습니다. 중요한 설계 기능을 다른 애플리케이션에 분리하는 인쇄 회로 설계 플랫폼과 작업하는 대신, 설계 및 레이아웃에 통합된 접근 방식을 취할 때입니다. Altium Designer로 전환할 시간입니다.