7 주요 PCB 열 관리 기술: 자동차, LED 및 산업 제품에서 신뢰성을 높입니다.

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목차

• 주요 내용
• PCB 열 관리의 중요성
• 7가지 주요 PCB 열 관리 기술
• 실제 적용 사례 및 사례 연구
• 과제 및 고려 사항
• 효과적인 PCB 열 관리를 위한 팁
• FAQ

주요 내용
  1. 자동차, LED, 산업 제품과 같은 고전력 응용 분야에서 효과적인 PCB 열 관리는 구성 요소의 신뢰성을 보장하고 제품 수명을 연장하는 데 매우 중요합니다.
  2. 고열 전도성 재료 사용, PCB 레이아웃 최적화, 능동 및 수동 냉각 방법 구현과 같은 기술을 조합하면 열 발산을 크게 개선할 수 있습니다.
  3. 열 관리는 과열을 방지할 뿐만 아니라 전자 장치의 전반적인 성능을 향상시킵니다.

PCB 열 관리의 중요성

현대 전자 제품에서 전력을 많이 소비하는 구성 요소는 점점 더 작아지고 밀도가 높아지고 있습니다. 예를 들어, 자동차 시스템에서 전기 자동차(EV) 인버터 및 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 프로세서의 고전력 반도체는 상당한 열을 발생시킵니다. LED 조명에서 고휘도 LED는 발광 효율을 유지하기 위해 열을 효율적으로 발산해야 합니다. 지속적인 작동과 고전력 요구 사항을 가진 산업 장비 또한 상당한 열적 문제에 직면합니다.

과도한 열은 구성 요소의 열화, 수명 단축, 심지어 시스템 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 효과적인 PCB 열 관리는 구성 요소를 최적의 작동 온도 범위 내로 유지하는 데 필수적입니다.

7가지 주요 PCB 열 관리 기술

1. 고열 전도성 PCB 재료

알루미늄 기반 PCB는 비용 효율적이며 LED에서 열을 발산하는 능력으로 인해 LED 조명에 널리 사용됩니다. 열 전도율이 매우 높은 구리 기반 PCB는 많은 양의 열을 빠르게 전달해야 하는 응용 분야에 적합합니다. 세라믹 기반 PCB는 우수한 열적 및 전기적 특성을 제공하여 가혹한 환경에 이상적입니다.

2. 열 비아
열 비아는 일반적으로 구리와 같이 전도성이 높은 재료로 채워진 PCB의 작은 구멍입니다. 열 채널 역할을 하여 표면의 뜨거운 구성 요소에서 내부 레이어 또는 방열판으로 열을 전달합니다. 수직 열 경로를 생성함으로써 열 비아는 열 저항을 크게 줄일 수 있습니다. 자동차 전자 장치의 전력 MOSFET 또는 고휘도 LED와 같은 고전력 구성 요소 아래에 고밀도 열 비아 어레이를 배치하면 열원을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

3. 방열판
방열판은 일반적으로 알루미늄 또는 구리로 만들어진 열 전도성 구조로, 고전력 구성 요소에 부착됩니다. 열 발산을 위해 사용 가능한 표면적을 늘려 열이 주변 공기로 더 효율적으로 전달되도록 합니다. 자동차 ECU(전자 제어 장치) 및 산업 제어 패널에서 방열판은 일반적으로 프로세서 및 전력 트랜지스터를 냉각하는 데 사용됩니다. 핀 수, 핀 높이 및 핀 간격을 포함한 방열판의 설계는 열 전달을 최대화하기 위해 다양한 응용 분야에 맞게 최적화할 수 있습니다.

4. 열 인터페이스 재료(TIM)
열 페이스트, 열 패드 및 상변화 재료와 같은 TIM은 구성 요소와 방열판 또는 PCB 사이의 간격을 채우는 데 사용됩니다. 인터페이스에서 열 저항을 줄여 열 접촉을 개선합니다. LED 모듈에서 열 패드는 종종 LED 다이에서 알루미늄 기판으로 열을 전달하는 데 사용됩니다. 자동차 전력 전자 장치에서 고성능 열 페이스트는 반도체 패키지와 방열판 사이에 적용되어 열 전달 효율을 향상시킵니다.

5. PCB 레이아웃 최적화
구성 요소 배치: 고전력 구성 요소는 더 나은 공기 흐름을 위해 PCB 가장자리 근처 또는 방열판에 가깝게 배치해야 합니다. 자동차 PCB에서 EV 인버터의 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)와 같은 전력 집약적 구성 요소는 통풍이 잘 되는 영역에 배치됩니다. 열에 민감한 구성 요소는 고열 발생원으로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다.
구리 평면 및 트레이스: 구리 평면 및 트레이스의 두께를 늘리면 열 확산 능력이 향상될 수 있습니다. 산업용 전력 PCB에서 두꺼운 구리 트레이스는 높은 전류를 전달하고 열을 발산하는 데 사용됩니다. 또한 고전력 구성 요소 주변에 넓은 구리 쏟아내기 영역을 생성하면 열을 더욱 균등하게 분산하는 데 도움이 될 수 있습니다.

6. 강제 공기 냉각(팬)
팬은 대류 열 전달을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 고전력 산업 장비 및 ADAS 시스템의 고성능 컴퓨팅과 같은 일부 자동차 응용 분야에서 팬은 PCB 위로 공기를 불어 넣어 열을 제거하기 위해 설치됩니다. 공기 흐름의 속도와 방향을 제어하여 냉각을 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 서버급 산업용 컴퓨터에서 팬은 모든 구성 요소, 특히 고전력 CPU 및 GPU가 효과적으로 냉각되도록 전략적으로 배치됩니다.

7. 액체 냉각
콜드 플레이트와 같은 액체 냉각 시스템은 고전력 발산이 필요한 응용 분야에 사용됩니다. EV에서 액체 냉각 콜드 플레이트는 배터리 관리 시스템 및 전력 전자 장치를 냉각하는 데 사용됩니다. 일반적으로 물과 글리콜의 혼합물인 액체는 구성 요소에서 열을 흡수하여 발산을 위해 라디에이터로 전달합니다. 액체 냉각은 공기 냉각 방식에 비해 더 높은 열 전달 속도를 제공하므로 고전력, 공간 제약적인 응용 분야에 적합합니다.

실제 적용 사례 및 사례 연구

  1. 자동차: 전기 자동차의 배터리 관리 시스템(BMS)에서 구리 기반 PCB, 열 비아 및 액체 냉각 콜드 플레이트의 조합이 사용됩니다. 구리 기반 PCB는 배터리 셀에서 콜드 플레이트로 열을 효율적으로 전달하는 반면, 열 비아는 PCB의 서로 다른 레이어 간의 열 전달을 향상시킵니다. 이를 통해 BMS의 안전하고 효율적인 작동을 보장하여 배터리 수명을 연장합니다.

  2. LED 조명: 고전력 LED 가로등에서 방열판과 열 패드가 있는 알루미늄 기반 PCB가 사용됩니다. 알루미늄 기판은 LED에서 열을 발산하고, 방열판은 공기로의 열 발산을 위한 표면적을 늘리고, 열 패드는 LED와 PCB 간의 열 접촉을 개선합니다. 그 결과 LED 가로등의 수명이 길어지고 효율성이 향상됩니다.

  3. 산업: 고전력 산업용 인버터에서 세라믹 기반 PCB, 방열판 및 강제 공기 냉각이 결합됩니다. 세라믹 PCB는 고온을 견딜 수 있고, 방열판은 전력 반도체에서 열을 발산하는 데 도움이 되며, 강제 공기 냉각 시스템은 인버터 작동 중 지속적이고 효율적인 냉각을 보장합니다.

과제 및 고려 사항

  1. 비용: 세라믹 기반 PCB 및 고급 액체 냉각 시스템과 같은 고성능 열 관리 재료 및 구성 요소는 비쌀 수 있습니다. 설계자는 비용과 성능 요구 사항의 균형을 맞춰야 합니다.

  2. 공간 제약: 소형 전자 장치에서 방열판, 팬 또는 액체 냉각 구성 요소를 위한 공간을 찾는 것은 어려울 수 있습니다. 사용 가능한 공간을 최대한 활용하기 위해 PCB 레이아웃을 신중하게 최적화해야 합니다.

  3. 신뢰성: 팬과 같은 열 관리에 사용되는 추가 구성 요소 및 시스템은 신뢰성이 있어야 합니다. 냉각 시스템의 고장은 과열 및 구성 요소 손상으로 이어질 수 있습니다.

효과적인 PCB 열 관리를 위한 팁

  1. 열 시뮬레이션: 열 분포를 예측하고 열 관리 설계를 최적화하기 위해 설계 단계에서 ANSYS Icepak 또는 FloTHERM과 같은 열 시뮬레이션 소프트웨어를 사용합니다.
  2. 구성 요소 선택: 가능한 경우 전력 소비가 적고 열 특성이 더 우수한 구성 요소를 선택합니다.
  3. 정기적인 유지 관리: 팬 또는 액체 냉각 시스템이 있는 응용 분야에서는 냉각 시스템이 효율적으로 작동하도록 정기적인 유지 관리를 수행합니다.

FAQ
가장 효과적인 열 관리 기술은 무엇입니까?
모든 경우에 적용되는 단일 솔루션은 없습니다. 가장 효과적인 기술은 응용 분야의 전력 요구 사항, 공간 제약 및 비용 제한에 따라 다릅니다. 많은 경우 기술을 조합하는 것이 가장 좋은 방법입니다.

플렉시블 PCB에 열 비아를 사용할 수 있습니까?
예, 하지만 특별한 고려 사항이 필요합니다. 열 비아가 있는 플렉시블 PCB는 굽힘을 견디고 열 전도성을 유지할 수 있도록 신중한 설계가 필요합니다.

응용 분야에 적합한 방열판을 어떻게 선택해야 합니까?
구성 요소의 전력 발산, 사용 가능한 공간, 작동 환경(예: 온도, 습도) 및 필요한 냉각 성능과 같은 요소를 고려하십시오. 방열판 제조업체는 일반적으로 선택에 도움이 되는 데이터 시트를 제공합니다.

결론적으로, 효과적인 PCB 열 관리는 재료 선택, 레이아웃 설계 및 냉각 방법을 결합한 다면적인 접근 방식입니다. 이러한 7가지 주요 기술을 구현함으로써 설계자는 자동차, LED 및 산업 제품의 신뢰성과 성능을 크게 향상시켜 고온 조건에서도 원활하게 작동할 수 있도록 할 수 있습니다.