PCB 설계에서 서멀 비아와 히트 싱크는 어떻게 함께 작동하는가?
열 비아와 방열판은 발열 부품에서 PCB의 구리 평면을 거쳐 방열판을 통해 주변 공기로 이어지는 저저항 열 경로를 생성함으로써 함께 작동합니다. 일반적으로 직경 0.2mm~0.3mm인 비아는 보드를 수직으로 관통하여 열을 열 패드 또는 섀시 장착형 방열판으로 전도하며, 방열판의 표면적(와트당 cm²로 측정)은 해당 열을 대류로 방산합니다. 2.5W를 방산하는 일반적인 전력 부품의 경우, 패드 아래에 9개의 열 비아 배열을 배치하고 적절한 크기의 알루미늄 방열판과 결합하면 접합부-대-주변 열저항을 60K/W에서 25K/W 미만으로 낮출 수 있습니다.
열 비아 배열의 열저항 역할은 무엇인가?
단일 열 비아는 35µm 구리 도금이 적용된 1.6mm 두께 FR-4 보드에서 약 60~80K/W의 열저항을 갖습니다. 그러나 5mm x 5mm 부품 패드 아래 4x4 격자로 16개의 비아를 배치하면 비아 배열만의 병렬 열저항은 약 4~6K/W로 떨어집니다. 이 계산은 표준 0.3mm 드릴 직경, 25µm 도금 구리 벽 두께, 그리고 충전 또는 비충전 비아를 가정합니다. 비충전 비아는 갇힌 공기의 낮은 열전도율(구리의 385W/m·K 대비 0.026W/m·K)로 인해 구리 충전 비아보다 효율이 20%~30% 낮습니다.
비아의 열 성능은 구리 도금 두께에도 영향을 받습니다. 표준 PCB 제조는 홀 내부에 18µm~35µm 도금을 제공하지만, 고전력 애플리케이션의 경우 50µm 도금을 지정하면 비아 열저항을 추가로 25% 줄일 수 있습니다. 20mm x 20mm 열 패드에 20W 전력 MOSFET의 경우, 50°C 주변 온도에서 접합부 온도를 125°C 미만으로 유지하려면 10K/W 방열판을 가정할 때 최소 36개의 비아가 필요합니다.
방열판 부착 방법은 PCB 열 성능에 어떤 영향을 미치는가?
부착 방법은 PCB와 방열판 사이의 열 계면 저항을 결정합니다. 방열 그리스(2W/m·K)를 사용한 금속 대 금속 접촉은 0.5~1.0K·cm²/W의 열저항을 제공하는 반면, 열전도 접착 패드(1.5W/m·K, 0.2mm 두께)는 1.5~2.5K·cm²/W를 제공합니다. 스프링 장착 클립을 사용한 나사 고정은 일반적으로 10~15psi의 가장 일관된 압력을 제공하며, 이는 계면을 0.8K·cm²/W 미만으로 유지하는 데 필수적입니다.
36개의 열 비아와 40mm x 40mm 방열판이 있는 PCB의 경우, 나사 고정은 접착 테이프 부착에 비해 총 접합부-대-주변 저항을 12% 줄입니다. 열 비아는 방열판 풋프린트 바로 아래에 배치되어야 합니다. 비아가 부품 패드 중심에서 3mm 이상 벗어나면 측면 구리 확산 저항이 5~8K/W 추가되어 방열판의 이점이 상쇄됩니다. 양산 시에는 방열판 베이스와 정확히 일치하는 솔더 마스크 층의 열 패드를 권장하며, 리플로우 중 솔더 위킹을 방지하기 위해 비아는 하단면에서 텐팅 처리해야 합니다.
PCB에서 열 확산에 구리 두께가 중요한 이유는 무엇인가?
표준 1oz 구리(35µm)는 10mm x 10mm 면적에서 평방당 약 70K/W의 측면 열 확산 저항을 갖습니다. 2oz 구리(70µm)로 두 배로 늘리면 이 확산 저항이 평방당 35K/W로 줄어들며, 이는 3mm x 3mm 부품 패드에서 더 큰 비아 배열이나 방열판 풋프린트로 열을 전달하는 데 중요합니다. 10W를 방산하는 설계의 경우, 1oz와 2oz 구리의 차이는 동일한 기류에서 접합부 온도를 15°C 더 낮출 수 있음을 의미합니다.
이 관계는 선형적입니다. 구리 1oz(35µm)를 추가할 때마다 주어진 보드 면적에서 측면 열저항이 약 50% 감소합니다. 그러나 더 두꺼운 구리는 층당 PCB 비용을 15%~20% 증가시키고 0.15mm 미만의 미세 피치 트레이스에 에칭 언더컷 문제를 일으킬 수 있습니다. 대부분의 열 설계에서 우리는 양쪽 외부 층에 2oz 구리와 내부 평면에 1oz 구리를 지정하며, 이는 열 성능(확산 저항 30~40K/W)과 표준 리드 타임 5~7일의 제조 용이성 사이에서 좋은 균형을 제공합니다.
구리 충전 비아와 비충전 열 비아는 언제 사용해야 하는가?
열유속이 0.5W/mm²를 초과하거나 접합부-대-케이스 저항이 1.5K/W 미만으로 유지되어야 하는 경우 구리 충전 비아를 사용하십시오. 전해 도금 구리로 홀을 완전히 채우는 구리 충전 비아는 비아 축을 따라 300~380W/m·K의 열전도율을 갖는 반면, 얇은 도금이 있는 비충전 비아는 50~80W/m·K입니다. 비용 차이는 상당합니다. 구리 충전은 대량 생산 시 비아당 $0.02~$0.05를 추가하는 반면, 비충전 비아는 표준 드릴링 및 도금 공정 외에 추가 비용이 거의 없습니다.
열유속이 0.3W/mm² 미만인 설계의 경우, 특히 보드 반대쪽에 솔리드 구리 평면이 있으면 35µm 도금의 비충전 비아로 충분합니다. 프로토타입 100개 미만의 경우 재작업과 검사가 용이하므로 비충전 비아를 권장합니다. 접합부 온도 85°C 이상에서 연속 작동하는 1,000개 이상의 양산의 경우, 5,000~10,000사이클 후 얇은 도금에 균열이 생길 수 있는 열 사이클 피로를 방지하기 위해 구리 충전 비아가 필수입니다.
최적의 열 성능을 제공하는 PCB 적층 구성은 무엇인가?
상단 부품 패드를 내부 2oz 구리 접지 평면에 연결하는 열 비아가 있는 4층 보드는 비용 대비 성능 비율이 가장 우수합니다. 내부 평면은 열 확산기 역할을 하여 비아가 열을 하단 방열판으로 전달하기 전에 열을 측면으로 분산시킵니다. 0.5mm 피치의 0.2mm 비아가 있는 이 적층 구성은 부품 패드에서 하단 평면까지 3.5K/W의 열저항을 달성하며, 이는 동일한 비아 수의 2층 보드보다 40% 우수합니다.
30W 이상의 극한 열 부하의 경우, 6x6 비아 배열로 연결된 두 개의 전용 열 평면(2층과 5층)이 있는 6층 보드는 열저항을 1.8K/W로 줄입니다. 추가 층은 보드당 제조 비용이 $8~$12 증가하지만 더 큰 방열판의 필요성을 제거하여 조립 비용에서 유닛당 $2~$5를 절약할 수 있습니다. 우리의 경험상 최적의 비아 피치는 0.6mm~0.8mm입니다. 0.5mm 미만의 피치는 드릴 파손율이 0.1%에서 2%로 증가하고, 1.0mm 이상의 피치는 비례적인 열 이점 없이 보드 면적을 낭비합니다.
주어진 전력 방산에 필요한 열 비아 수는 어떻게 계산하는가?
필요한 비아 수는 다음 규칙을 따릅니다. 총 전력(와트)을 비충전 비아의 경우 비아당 0.5W로 나누고, 구리 충전 비아의 경우 비아당 1.2W로 나눈 다음 안전 계수 1.3을 곱합니다. 예를 들어, 15W 전력 증폭기에는 30개의 비충전 비아(15 / 0.5 x 1.3) 또는 16개의 구리 충전 비아(15 / 1.2 x 1.3)가 필요합니다. 이 계산은 최대 허용 접합부 온도 125°C, 주변 온도 50°C, 열저항 8K/W의 방열판을 가정합니다.
더 정확한 계산을 위해서는 다음 공식을 사용하십시오: 비아 수 = (전력 x 비아당 열저항) / (목표 접합부-대-주변 저항 - 방열판 저항). 목표 접합부-대-주변 저항이 5K/W, 방열판이 3K/W, 비아 저항이 각각 60K/W인 경우 30개의 비아가 필요합니다(60 / 2 = 30). 드릴 위치 오차가 유효 구리 면적을 10%~15% 줄일 수 있으므로 제조 공차를 위해 항상 20% 추가 비아를 확보하십시오.
| 파라미터 | 비충전 비아 (0.3mm) | 구리 충전 비아 (0.3mm) | 솔리드 구리 평면 |
| 열전도율 (W/m·K) | 50-80 | 300-380 | 385 |
| 비아당 열저항 (K/W) | 60-80 | 15-25 | 해당 없음 (mm²당) |
| 최대 열유속 (W/mm²) | 0.3 | 0.8 | 2.0 |
| 비아당 비용 (USD, 대량) | $0.005 | $0.03 | 해당 없음 |
| 권장 비아 피치 (mm) | 0.8-1.0 | 0.6-0.8 | 해당 없음 |
| 리드 타임 영향 | 없음 | +2일 | 없음 |
열 비아를 사용하지 않을 때 발생하는 일반적인 고장 모드는 무엇인가?
열 비아가 없으면 전력 부품의 열은 평방당 70~100K/W의 확산 저항을 가진 구리 패드를 통해 측면으로 이동해야 합니다. 이로 인해 접합부 온도가 케이스 온도보다 30°C~50°C 높아져 솔더 조인트 피로가 조기에 발생합니다. 가속 수명 시험에서 비아가 없는 보드는 1,200회 열 사이클(-40°C~125°C) 후 고장난 반면, 25개의 비충전 비아가 있는 보드는 고장 없이 3,500사이클을 견뎠습니다.
또 다른 고장 모드는 FR-4 유리 전이 온도(130°C~140°C)가 국부적으로 초과될 때 발생하는 PCB 박리입니다. 비아가 없는 10mm x 10mm 패드의 10W 부품은 패드 중심에 150°C의 핫스팟을 생성하여 500시간 후 구리가 기판에서 벗겨질 수 있습니다. 열 비아는 핫스팟 온도를 40°C~60°C 낮추어 보드를 유리 전이 온도 이하로 유지하고 전체 부하에서 수명을 10,000시간 이상으로 연장합니다.
FAQ
열 애플리케이션을 위한 최소 비아 직경은 무엇인가?
표준 PCB 제조의 최소 실용 비아 직경은 0.2mm이지만, 더 작은 드릴은 파손율이 높고 더 얇은 구리 도금을 생성하므로 열 비아에는 0.3mm를 권장합니다. 0.2mm 비아는 0.3mm 비아보다 단면 구리 면적이 30% 적어 열저항이 40% 증가합니다. 10,000개 이상의 대량 생산에서는 신뢰성을 위해 0.3mm가 업계 표준입니다.
표준 SMD 패드 아래에 몇 개의 열 비아를 배치할 수 있는가?
5mm x 5mm SMD 패드의 경우 0.6mm 피치로 최대 25개의 비아를 배치할 수 있지만, 각 홀 주변에 충분한 구리 링을 확보하기 위해 0.8mm 피치로 16개의 비아를 권장합니다. 0.3mm 홀의 경우 비아 패드는 0.5mm 직경이어야 하며, 0.8mm 피치에서 인접 비아 패드 사이에 0.15mm 웹이 남습니다. 이 구성은 기계적 강도를 유지하면서 배열에 대해 4K/W의 열저항을 제공합니다.
IC 아래에 열 비아를 배치해도 솔더 조인트에 영향을 주지 않는가?
가능하지만, IC 패드에서 솔더가 빠져나가는 것을 방지하기 위해 부품 측의 비아를 솔더 마스크로 텐팅해야 합니다. 텐팅된 비아 캡은 솔더 조인트의 보이드를 방지하기 위해 비아 직경보다 일반적으로 0.15mm 크게 홀을 완전히 덮어야 합니다. QFN 패키지와 같은 하단 종단 부품의 경우 솔더 페이스트 인쇄를 위한 평평한 표면을 제공하기 위해 충전 및 도금 오버 비아를 사용하십시오.
표준 FR-4와 알루미늄 기판의 열전도율은 무엇인가?
FR-4는 0.3W/m·K의 열전도율을 가지며, 이는 구리보다 1,000배 낮으므로 열은 기판이 아닌 구리 평면을 통해 전도되어야 합니다. 알루미늄 기판(IMS, 절연 금속 기판)은 2~4W/m·K의 유전체 층과 200W/m·K의 알루미늄 베이스를 가지며, 수직 열 전달이 10~20배 더 우수합니다. 그러나 IMS 보드는 표준 FR-4보다 3~5배 비싸므로 1W/mm² 이상의 전력 밀도에서만 정당화됩니다.
열 비아와 방열판을 모두 사용해야 하는 경우는 언제인가?
총 전력 방산이 5W를 초과하고 PCB 면적이 제한된 경우 둘 다 사용해야 합니다. 비아는 부품에서 방열판 장착 지점까지의 열저항을 줄이고, 방열판은 대류에 필요한 표면적을 제공합니다. 비아가 없으면 방열판이 받는 열이 30%~50% 적어 비효율적입니다. 15W 설계의 경우 25개의 비아와 50mm x 50mm 방열판의 조합은 3.5K/W의 접합부-대-주변 저항을 달성하며, 이는 어느 하나만으로는 불가능합니다.
기류 방향은 열 비아와 방열판 성능에 어떤 영향을 미치는가?
방열판 핀에 수직인 기류는 경계층을 교란하므로 평행 기류보다 열 전달이 20%~30% 더 우수합니다. 열 비아 자체는 기류에 직접적인 영향을 받지 않지만, 방열판이 주 기류 경로에 있도록 비아를 배치해야 합니다. 자연 대류의 경우 방열판 핀을 수직으로 배치하여 굴뚝 효과를 촉진하면 수평 배치에 비해 열저항을 15% 줄일 수 있습니다.
표준 PCB 제조와 열 최적화 PCB 제조의 비용 차이는 무엇인가?
1oz 구리의 표준 4층 보드는 약 $0.08/cm²인 반면, 2oz 구리, 0.3mm 비아, 구리 충전이 포함된 열 최적화 버전은 $0.15/cm²입니다. 87%의 비용 증가에는 추가 구리 도금, 비아 충전, 추가 공정 단계가 포함됩니다. 일반적인 100cm² 보드의 경우 유닛당 $7이 추가되지만, 방열판 질량 감소($2~$4 절약)와 향상된 신뢰성(현장 고장 감소)으로 상쇄됩니다.
결론 및 권장 사항
제한된 공간에서 3W 이상을 방산하는 모든 PCB 설계의 경우, 열 그리스 또는 상변화 재료를 사용한 기계식 방열판 부착과 함께 열 비아 배열(0.8mm 피치의 0.3mm 직경 비아 최소 16개)을 통합할 것을 강력히 권장합니다. 이 조합은 냉각 와트당 가장 낮은 비용을 제공하며, 일반적인 시스템 비용은 방산 와트당 $0.50~$1.50로, 강제 공기 냉각만 사용할 때의 와트당 $2.00~$4.00와 비교됩니다. BQUQ의 엔지니어링 팀은 전력 전자 장치의 열 관리 분야에서 20년의 경험을 보유하고 있으며, 제작 전에 Gerber 파일과 열 시뮬레이션 데이터를 검토하여 설계를 최적화할 수 있습니다. PCB 및 방열판 어셈블리에 대해 12시간 견적 서비스를 제공하며, 프로토타입에 대한 최소 주문 수량은 없습니다. sc@bquq.com 또는 WhatsApp +86 13713157787로 문의하거나 www.bquq.com을 방문하여 열 설계 요구 사항을 논의하십시오.
