SMD 부품을 위한 열 비아 및 PCB 방열 설계

작성자 BQUQ Engineering Team 검토 BQUQ Quality Engineering 2025년 5월 30일 조회수 ISO 9001:2015 인증 공장

SMD 부품을 위한 열 비아 및 PCB 방열 설계

간단한 답변: 실용적인 SMD 열 스택은 열 패드 아래에 0.3 mm 도금 비아를 2 x 2 ~ 4 x 4 배열로 배치하고, 1.0-1.2 mm 피치로, 1 oz(35 µm) 또는 2 oz(70 µm) 구리로 최소 2-4개 구리 층에 연결합니다. 이는 정지 공기에서 비아 쌍당 대략 20-40 K/W를 제공하므로, 20개의 비아는 총 1-3 K/W에 근접합니다. 그런 다음 PCB는 0.1-0.3 mm 인터페이스 층으로 접합된 방열판으로 열을 전달합니다. BQUQ는 그 열을 받는 알루미늄 또는 구리 방열판을 가공 및 스탬핑하며, 12시간 내에 견적을 제공합니다.

대부분의 SMD 열 문제는 부품에서 해결되지 않습니다. 부품 바로 아래의 3 mm 재료에서 해결됩니다. QFN, DFN 패키지의 파워 MOSFET, 또는 고휘도 LED는 모두 종종 5 mm x 5 mm보다 작은 솔더 패드로 열을 방출합니다. 이 패드는 PCB가 배선 기판보다 방열판으로 먼저 설계되지 않는 한 열이 갈 곳이 없습니다.

이 글은 다이에서 주변 환경까지의 열 경로를 다룹니다: 비아 형상, 구리 확산, 인터페이스 선택, 그리고 전기 및 열 설계가 실제로 연결되도록 기계적 방열판이 어떻게 지정되는지.

왜 방열판 크기보다 열 확산이 더 중요한가?

병목 현상은 거의 항상 핀 면적이 아니기 때문입니다. 작은 다이와 큰 방열판 사이의 수축 저항입니다.

3 W를 방출하는 5 mm x 5 mm 파워 패키지를 고려해 보세요. 그 열이 25 mm² 접촉 패치를 통해 100 mm x 100 mm 방열판으로 들어가면, 베이스 플레이트 내부의 확산 저항이 지배적입니다. 방열판은 자연 대류에서 1.5 °C/W로 정격될 수 있지만, 열이 핀에 도달하기 전에 측면으로 확산되지 않기 때문에 유효 시스템 저항은 8-12 °C/W가 될 수 있습니다.

해결책은 계층적 접근입니다:

1. 부품에서 패드로 — X-ray로 검증된 면적 기준 10% 미만의 솔더 보이드.

2. 패드에서 내부 구리로 — 단일 연결이 아닌 열 비아.

3. 내부 구리에서 보드 표면으로 — 사용 가능한 모든 층에 구리 포어를 배치하고 함께 스티칭.

4. 보드에서 방열판으로 — 열 패드, 접착제, 또는 가공된 페데스탈 등 두께가 제어된 인터페이스.

5. 방열판에서 공기로 — 공기 흐름 체제에 맞춘 핀 형상.

2단계와 3단계는 엔지니어들이 가장 자주 과소 설계하는 부분인데, 회로도에서 보이지 않기 때문입니다.

실제로 필요한 열 비아 수는?

보편적인 숫자는 없지만, 방어 가능한 시작 범위는 있습니다. 비아 열 저항은 배럴 도금 두께, 드릴 직경, 보드 두께, 그리고 비아가 충전되었는지 열려 있는지에 따라 달라집니다.

아래 표는 배럴에 25 µm 구리 도금이 있는 1.6 mm FR-4 보드에 대한 지표 값을 제공합니다. 이는 데이터시트 수치가 아닌 설계 지침으로 간주하세요.

비아 구성	비아당 대략 저항	16-비아 배열(병렬)	비고
0.2 mm 드릴, 개방 배럴	55-75 K/W	3.4-4.7 K/W	최고 저항, 최저 비용
0.3 mm 드릴, 개방 배럴	35-50 K/W	2.2-3.1 K/W	일반적인 기본값
0.3 mm 드릴, 충전 + 캡	25-35 K/W	1.6-2.2 K/W	페이스트 인쇄에 더 좋음
0.5 mm 드릴, 개방 배럴	20-30 K/W	1.3-1.9 K/W	패드 면적 낭비
0.3 mm, 2 oz 도금	18-26 K/W	1.1-1.6 K/W	최고의 실용적 옵션

대부분의 설계에서 유효한 몇 가지 실용적 규칙:

1.0-1.2 mm 피치의 0.3 mm 드릴이 주력입니다. 저항, 페이스트 스텐실 무결성, 제조 가능성의 균형을 맞춥니다.
열 패드 내부에 유지하세요. 패드 풋프린트 외부에 배치된 비아는 다이에서의 수축 저항을 줄이지 않습니다.
상단을 텐팅하거나 충전하세요. 개방 비아는 리플로우 중 솔더 페이스트를 흡수하여 보이드를 만듭니다. 충전 및 캡 비아를 감당할 수 없다면, 상단을 텐팅하고 하단은 가스 배출을 위해 열어 두세요.
5 mm 패드 아래 약 25개 이상의 비아는 수확 체감을 보입니다. 그때는 비아 수가 아니라 구리 확산에 의해 제한됩니다.

스태킹 효과

비아는 반대편 구리에 닿을 때만 도움이 됩니다. 2 mm² 아일랜드에 종단되는 내부 층에 연결된 비아는 거의 쓸모가 없습니다. 각 비아는 최소 100 mm²의 연속 구리가 있는 평면 또는 포어에 연결되어야 하며, 이상적으로는 두 개 이상의 층에 연결되고 포어 주변에 추가 비아로 스티칭되어야 합니다.

구리 두께는 얼마나 되어야 하나?

구리 두께는 측면 확산 저항을 결정합니다. 1 oz 층은 0.5 oz보다 열을 눈에 띄게 잘 확산시키며, 2 oz는 고전력 보드에서 다시 한 단계 변화를 줍니다.

구리 무게	두께	일반적 용도	확산 이점
0.5 oz	17 µm	신호 중심 보드	>1 W에 부적합
1 oz	35 µm	표준 전력 보드	장치당 ~2-3 W까지 적합
2 oz	70 µm	LED 어레이, 모터 드라이버	장치당 ~5 W까지 양호
3 oz+	105 µm+	IGBT, 고밀도 LED	더 넓은 트레이스/스페이스 규칙 필요

일반적인 1 W SMD 부품의 경우, 장치 아래와 주변에 400-600 mm² 구리 포어가 있는 1 oz 보드가 25 °C 주변 온도에서 접합부를 한계 내로 유지하기에 일반적으로 충분합니다. 3 W 이상의 경우 2 oz로 이동하거나 금속 코어 또는 알루미늄 백킹 기판을 추가하세요.

한 가지 주의사항: 두꺼운 구리는 에칭 능력을 변화시킵니다. 2 oz 이상에서는 최소 트레이스 폭과 간격이 일반적으로 넓어져 라우팅 밀도에 영향을 미칩니다. 레이아웃 후가 아니라 전에 스택업을 계획하세요.

PCB를 방열판에 어떻게 연결하나?

여기서 열 설계가 기계적 문제가 되며, 많은 프로젝트가 이득을 잃는 곳입니다. 잘못 접합된 방열판에 완벽한 비아 배열을 공급하는 것은 헛된 노력입니다.

세 가지 일반적인 부착 경로가 있습니다:

열 인터페이스 패드 또는 갭 필러

일반적으로 0.5-2.0 mm 두께의 사전 절단 패드로, 실리콘 갭 필러의 경우 1-6 W/m·K 범위의 열 전도도를 가지며 특수 재료의 경우 더 높습니다. 공차를 수용하고 재작업이 가능하며 경화가 필요 없습니다. 단점은 상대적으로 높은 인터페이스 저항으로, 적당한 압력에서 25 mm x 25 mm 면적에 대해 종종 1-3 °C/W입니다.

올바른 재료 선택은 그 자체로 하나의 과제입니다 — 우리는 열 인터페이스 선택 가이드에서 트레이드오프를 다룹니다.

열 접착제

접착제는 1-3 W/m·K에 도달할 수 있으며 종종 0.1-0.2 mm의 더 얇은 접합선을 제공합니다. 영구적이므로 재작업에 중요합니다. 제품에 현장 수리가 필요하다면 계획하세요 — 방열판 재작업 및 수리를 참조하세요.

가공된 페데스탈 접촉

가장 열 효율적인 옵션은 PCB에 직접 접촉하는 가공된 페데스탈이 있는 방열판으로, 페데스탈 면에만 얇은 인터페이스 층이 있습니다. 이를 통해 평탄도와 높이를 정밀하게 제어할 수 있습니다. BQUQ는 CNC 가공 방열판의 이러한 페데스탈을 중요한 치수에서 ±0.005 mm로 가공하여 패드 전체에 걸쳐 접합선을 균일하게 유지합니다.

균일한 접합선은 약간 더 나은 인터페이스 재료보다 더 가치가 있습니다. 25 mm 패드 전체에서 0.05 mm에서 0.4 mm로 변하는 0.1 mm 접합선은 얇은 쪽에 핫 스팟을, 두꺼운 쪽에 저항 영역을 만듭니다.

비아 공급 SMD 보드에 적합한 방열판 형상은?

열이 방열판 베이스에 도달하면 설계 문제는 핀 형상과 공기 흐름으로 전환됩니다. 두 가지 매개변수가 지배적입니다:

핀 간격 — 너무 좁으면 경계층이 합쳐져 대류를 죽입니다. 너무 넓으면 부피를 낭비합니다. 자연 대류의 경우 6-10 mm 간격이 일반적이며, 강제 공기의 경우 2-4 mm입니다. 우리는 자연 대류 핀 간격에서 계산을 자세히 다룹니다.
베이스 두께 — 핀에 도달하기 전에 열을 측면으로 확산할 만큼 충분히 두꺼워야 합니다. 100 mm 방열판의 25 mm x 25 mm 열원의 경우 5-8 mm 베이스가 합리적인 시작점입니다. 더 얇은 베이스는 무게를 절약하지만 수축 저항을 다시 도입합니다.

단일 지배적 열원이 있는 SMD 보드의 경우, 두꺼운 베이스와 적당한 핀 수를 가진 압출 프로파일이 일반적으로 크고 얇은 베이스의 방열판을 능가합니다. 분산 소스 — LED 어레이, 다중 레일 전력 스테이지 — 의 경우 더 평평한 베이스와 더 조밀한 핀 및 강제 공기가 더 효과적입니다.

BQUQ는 이러한 모든 형식을 생산합니다: 압출 프로파일, 스탬핑 및 접합 어셈블리, 스카이브 핀, 다이캐스트, 그리고 가공된 페데스탈과 장착 기능이 있는 CNC 가공 변형. 전체 범위는 방열판 아래에 나열되어 있으며, 페데스탈이 중요한 부품은 CNC 가공 방열판 아래에 다룹니다.

비아 공급 SMD 열 스택 설계 체크리스트

단계	목표	일반적 실패
패드 아래 솔더 보이드	<10% 면적	페이스트 부피 너무 낮음, 개방 비아 흡수
비아 수 및 피치	16-25 비아, 0.3 mm, 1.0-1.2 mm 피치	패드 외부에 배치된 비아
비아 종단	2개 이상 층의 평면	비아가 고립된 아일랜드에 착지
구리 무게	최소 1 oz, >3 W에 2 oz	2 W 부품에 0.5 oz
구리 포어 면적	와트 등급당 400-600 mm²	라우팅에 의해 잘린 포어
인터페이스 층	0.1-0.3 mm, 균일	불균일한 페데스탈, 두꺼운 패드
방열판 베이스	25 mm 소스에 5-8 mm	얇은 베이스, 높은 수축
핀 간격	공기 흐름 모드에 맞춤	팬 덕트에서 자연 대류 간격

자주 묻는 질문

Q: QFN 아래에 열 비아를 충전하지 않고 사용할 수 있나요?

A: 예, 하지만 상단을 솔더 마스크로 텐팅하고 하단은 열어 두세요. 개방 비아는 리플로우 중 페이스트 흡수 경로로 작용하여 열 패드에서 솔더를 끌어내고 보이드를 만듭니다. 스텐실 개구부와 페이스트 부피가 엄격하게 제어되면 개방 비아는 저용량 빌드에 사용할 수 있습니다. 수천 개 이상의 경우 충전 및 캡 비아가 더 반복 가능한 결과와 더 나은 열 성능을 제공합니다.

Q: 구리 포어는 단순히 더 많은 비아를 사용하는 것과 비교하여 실제로 얼마나 도움이 되나요?

A: 일반적으로 더 도움이 됩니다. 비아는 열을 수직으로 이동시키고 구리는 측면으로 이동시킵니다. 작은 아일랜드에 종단되는 조밀한 비아 배열은 여전히 열을 집중시킵니다. 두 층에 500 mm² 포어를 배치하고 주변 비아로 스티칭하면 보드 전체에 열을 확산시키고 패드 아래 비아 수를 두 배로 늘리는 것보다 소스-싱크 저항을 훨씬 더 낮춥니다. 둘 다 구축하되 포어를 소홀히 하지 마세요.

Q: SMD 보드에 대한 최소 실용적 방열판 베이스 두께는?

A: 25 mm x 25 mm 열원의 경우 5 mm가 합리적인 하한이며 3 W 이상의 소스에는 6-8 mm가 더 안전합니다. 4 mm 미만에서는 베이스 내부의 수축 저항이 지배하기 시작하고 핀 면적 추가가 도움이 되지 않습니다. 무게가 중요한 경우 알루미늄 방열판 베이스에 접합된 구리 확산 플레이트가 단순히 알루미늄을 두껍게 하는 것보다 그램당 더 나은 확산을 제공합니다.

Q: 비아 도금 두께가 비아 직경만큼 중요한가요?

A: 작은 직경에서 매우 중요합니다. 25 µm 배럴 도금의 0.3 mm 비아는 대략 35-50 K/W입니다. 동일한 비아에 50 µm 도금을 하면 약 18-26 K/W로 떨어집니다. 배럴 도금 두께는 보드 하우스의 공정에 의해 설정되므로 제조 도면에 명시적으로 지정하세요. 제어할 수 없다면 도금 두께에 의존하기보다 더 많은 비아를 사용하세요.

Q: 하드웨어를 구축하기 전에 열 스택이 적절한지 어떻게 알 수 있나요?

A: 비아 배열, 구리 무게, 포어 면적을 명시적으로 모델링한 열 시뮬레이션을 실행하세요 — 집중 모델은 수축 저항을 숨깁니다. 그런 다음 실제 방열판과 인터페이스 재료를 포함한 열 테스트 보드로 검증하세요. 케이스 온도와 방열판 베이스 온도를 별도로 측정하세요. 차이는 인터페이스 또는 방열판이 병목인지 알려줍니다. 더 저렴한 것을 먼저 조정하세요.

SMD 부품을 위한 열 비아 및 PCB 방열 설계

SMD 부품을 위한 열 비아 및 PCB 방열 설계

왜 방열판 크기보다 열 확산이 더 중요한가?