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개요
이번 PCBTok 기사에서는 PCB 온도 모니터링의 몇 가지 중요한 이유와 정확한 측정이 PCB 성능 및 수명 향상에 얼마나 중요한지 설명합니다. 신뢰성을 위해서는 온도에 대한 이해가 필수적이며, 작은 온도 변화조차도 큰 영향을 미칩니다. 핵심 사항부터 살펴보겠습니다.
PCB 온도
이 수치는 회로기판의 온도를 섭씨로 나타낸 것입니다. 회로기판이 제대로 작동하는지 확인하려면 이 온도를 아는 것이 매우 중요합니다. 회로기판은 고온에 노출되면 성능과 내구성에 영향을 받을 수 있습니다. 회로기판 재질마다 내열 온도가 다릅니다. 예를 들어 FR-4 기판은 최대 110°C까지 견딜 수 있습니다. 위에서 언급한 온도보다 더 높은 온도에서도 견딜 수 있는 고온용 회로기판도 있으며, 실제로 150°C 이상의 온도까지 견딜 수 있도록 설계된 제품도 있습니다. 하지만 회로기판의 내열 온도는 결국 사용된 재질에 따라 결정됩니다.
PCB 온도 측정 방법
칩에서 발열이 심한 부분이나 전력 소모가 많은 IC를 찾으려면 온도 모니터링이 필수적입니다. 이를 통해 문제를 조기에 발견할 수 있습니다. 하지만 그 전에 PCB의 열팽창률을 확인해야 합니다. 다층 PCB 의 경우, 각 층의 열팽창 계수(CTE)가 일치하는지 확인해야 합니다 . CTE는 재료가 열에 의해 팽창하는 정도를 나타내는 지표입니다. 층별 CTE가 일치하면 팽창으로 인한 문제를 방지하고 내구성을 향상시킬 수 있습니다.
열원을 찾아보세요
PCB에서 주요 열원이 무엇인지 파악하십시오. 일반적으로 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서가 주요 열원 입니다 . 이를 통해 온도가 특정 수준까지 올라갔을 때 정확히 알 수 있습니다. 이러한 PCB 부품은 가장 많은 열을 발생시키므로 과열 및 손상을 방지하기 위해 모니터링해야 합니다. 먼저 PCB에서 가장 뜨거운 부분을 찾아냅니다.
PCB 온도 센서가 제자리에 있는지 확인하세요
PCB 온도 센서가 올바르게 설치되었는지 확인하십시오. 부품은 열에 의해 손상될 수 있으므로 열 모니터링이 매우 중요합니다. 표면 장착형 또는 기판 장착형 센서를 사용하여 열을 측정할 수 있습니다. 이러한 센서에서 제공되는 실시간 데이터는 과열을 방지하는 데 도움이 됩니다.
접지(GND) 핀 찾기
센서로 전달되는 열의 약 60~65%는 이 핀들을 통해 전달됩니다. GND 핀 은 열 저항이 가장 낮기 때문에 센서 값을 정확하게 읽을 수 있습니다. 양호한 연결은 열 모니터링에 도움이 됩니다.
열 평형을 만들다
접지면은 센서와 열원이 열평형 상태에 도달하도록 해줍니다. 이를 통해 열이 고르게 전달됩니다. 열평형 상태 를 유지함으로써 온도 측정값의 정확도를 높일 수 있습니다 . 열역학 제0법칙 에 따르면 열평형 상태에 있는 시스템은 온도가 동일하므로, 측정값의 신뢰성이 확보됩니다.
GND 핀 연결
핀들을 연결해야 합니다. 이렇게 하면 열 전달이 더 쉬워져 센서의 측정값이 더 정확해집니다. GND 핀이 접지면 에 단단히 연결되면 열 저항이 감소합니다.
근접성을 유지하다
가능한 한 센서를 열원에 가깝게 두십시오. 정확한 판독을 위해 가능한 한 가깝게 두십시오. 이렇게 하면 센서가 열원에서 직접 열을 포착할 수 있습니다. 센서가 많을수록 실시간으로 온도 변화를 모니터링할 수 있습니다.
PCB에 적합한 온도는 얼마입니까?
표준 인쇄 회로 기판
FR4는 대부분의 PCB에 가장 많이 사용되는 소재입니다. 이 소재는 유리 에폭시 라미네이트입니다. 90~110도의 온도를 견딜 수 있습니다. 성능을 위해서는 이 범위를 유지하는 것이 중요합니다. 그러면 손상이 발생할 수 있습니다. 한계를 초과하면.
고온 인쇄 회로 기판
이 소재 들은 최대 170도 Цельсия의 유리 전이 온도를 견딜 수 있습니다. ISOLA IS410 및 ISOLA IS420과 같은 특수 소재가 사용되며, ARLON 85N 및 VT-901도 다른 선택지입니다. 이러한 소재들은 열에 대한 내구성을 보장합니다.
PCB 트레이스에 허용되는 온도 증가는 얼마입니까?
여러 요인이 작용합니다. 저항, 전류, 허용 온도 상승 등이 이러한 매개변수 목록을 구성합니다. 일반적으로 허용 온도 상승폭은 주변 온도 25도를 기준으로 최대 10도입니다. 기판 재질에 따라 20도까지 상승이 가능할 수도 있습니다. 이 표준은 열 관리 및 에너지 효율 향상을 위한 것입니다. 이는 PCB 트레이스의 온도가 얼마나 더 상승하는지를 나타냅니다. 기판 온도가 얼마나 상승할지는 사용자가 결정할 수 있습니다. 대부분의 응용 분야에서 10도는 안전한 한계치입니다.
PCB 온도가 높은 원인
1. 고주파 회로
고주파 회로에서는 고온이 자주 발생합니다. 고주파 회로는 더 많은 전력을 소비하고 더 많은 열을 발생시킵니다. 예를 들어 무선 주파수 회로가 그렇습니다. PCB 엔지니어링은 고주파 회로의 발전 속도에 맞춰 함께 성장하고 있습니다. PCB는 복잡하지만, 이는 여러 가지 이유 때문입니다. 의료 기기, 산업 제품, 스마트폰 등에 사용됩니다. PCB는 발생하는 열을 고려하여 특별한 설계 기술이 필요합니다.
2. SMD의 부품 간 거리
SMD( 표면 실장 소자) 는 PCB 온도에 영향을 미치는 부품 간 거리에 따라 달라집니다 . SMD는 스루홀 부품과 동일한 기능을 하며, PCB의 구멍을 통해 연결됩니다. 즉, 전류를 평활화하는 역할을 합니다. 하지만 SMD와 스루홀 부품 모두 적절한 간격이 필수적입니다. 간격이 너무 멀면 전류가 도달하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 이로 인해 일부 부품은 너무 오랫동안 과열될 수 있고, 반대로 다른 부품은 이를 보상하기 위해 과열될 수 있습니다. 따라서 적절한 간격을 유지하는 것이 매우 중요합니다.
3. 방열판 부품의 부적절한 납땜
스루홀 방식은 방열판 부품을 장착하는 데 사용됩니다. 이 부품들은 PCB에 전원을 공급하는 역할을 하며, 작동 중 발생하는 열을 공기 중으로 방출해야 합니다. 납땜이 제대로 되지 않으면 열 방출이 원활하지 않아 과열될 수 있습니다. 또한, 다른 부품들이 방열판의 성능에 영향을 줄 수도 있습니다.
4. 부품의 오작동
최대 성능을 위해 각 구성 요소를 선택하십시오. 일부 구성 요소는 실패하면 작동하지 않습니다. 다른 구성 요소에 영향을 미칩니다. 이러한 추가 스트레스는 과열을 일으킬 수 있습니다.
5. 관통 구멍 간섭
전원은 스루홀 부품의 방열판을 통해 공급됩니다 . 방열판은 열을 발생시켜 공기 중으로 방출합니다. 방열판 납땜이 잘못되면 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 스루홀이 다른 부품에 의해 방해받을 수도 있습니다. 하지만 이러한 간섭은 오히려 해당 부품들이 더 많은 열을 발생시키도록 유도하는 효과가 있습니다.
6. 무연 솔더
무연 솔더를 사용하면 PCB 온도가 높아질 수 있습니다. PCB는 점차 안전한 재료로 바뀌고 있는데, 이는 RoHS(미국 노동안전보건법)의 일부입니다. RoHS PCB는 위험성을 줄이기 위해 무연 솔더를 사용합니다 . 무연 솔더는 유동성이 좋기 때문에 때때로 제대로 녹지 않을 수 있습니다. 이로 인해 PCB가 과열될 수 있으며, 이는 심각한 문제를 야기할 수 있습니다.
PCB 온도 모니터링이 중요한 이유는 무엇입니까?
힘의 상실
과도한 열이 가해지면 기판의 구조적 무결성이 손상될 수 있습니다. 온도 변화는 PCB 레이어 에 민감합니다 . 온도가 너무 많이 오르내리면 레이어가 팽창하고 수축합니다.
회로 경로 간섭
회로 경로에 적용할 수 있는 열의 양이 과도해질 수 있습니다. 회로가 확장되어 모양이 바뀔 수 있습니다. 이러한 변화와 왜곡은 여기에 내재되어 있습니다. 신호 손실이 발생할 수도 있습니다. 표준 50옴 도체 임피던스를 변경할 수 있습니다. 특히 밀리미터파 및 마이크로파 회로는 특히 취약합니다. 작은 구성 요소가 쉽게 손상됩니다.
다양한 재료의 팽창률
인쇄 회로 기판에는 두 가지 주요 유형의 층이 있습니다. 이들은 유전체 층과 전도 층입니다. 각 유형은 다른 재료로 만들어집니다. 그런 다음 가열하면 불균일하게 확장됩니다. 이러한 불균일한 확장은 심각한 문제를 일으킵니다. 층이 서로 분리되기 시작할 수 있습니다. 이러한 과열된 PCB는 훨씬 더 나빠질 수 있습니다. 스트레스를 받으면 층이 깨질 수 있습니다. 이는 회로 경로를 방해하는 균열일 수 있습니다. 보이면 성능 문제도 보일 수 있습니다.
녹과 손상
또한 노출된 유전체 재료를 산화시킬 수 있습니다. 보호용 라미네이트가 없으면 취약합니다. 이 재료는 고온에서 녹이 슬 것입니다. 녹은 정말 심할 수 있습니다. 전송선이 없어질 수도 있습니다. 소산 계수가 더 높을 수도 있습니다. 따라서 회로에서 더 많은 에너지를 낭비하게 됩니다. 이러한 문제는 온도를 확인하여 예방할 수 있습니다.
레이어 분리
PCB 층간 박리를 방지하기 위해서는 온도 모니터링이 중요합니다 . PCB 층간 박리는 여러 가지 원인이 있을 수 있으며, 특히 구리 트레이스와 기판 사이, 또는 솔더 마스크와 기판 사이에서 발생할 수 있습니다. 일부 재료는 다른 재료와 팽창률이 다르기 때문에 층간에 응력이 발생하고, 결국 층들이 분리될 수 있습니다. 이러한 박리는 온도를 안정적으로 유지함으로써 방지할 수 있습니다.
PCB의 굽힘 및 비틀림
PCB는 극심한 열에 의해 모양이 바뀔 수 있습니다. 이는 구성 요소, 연결에 스트레스를 줍니다. 따라서 이런 일이 발생하면 납땜 접합부가 깨집니다. 부러지거나 떨어질 수 있습니다. 몇 개의 조각이 완전히 분리될 수 있습니다. 온도를 확인하여 이러한 문제를 방지합니다.
구성 요소의 실패
열은 구성 요소에 따라 다르게 견딥니다. 너무 많은 열이나 너무 많은 추위로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 금이 가거나 변형된 부품이 보일 수 있습니다. 내부 재료도 고장날 수 있습니다. 단락이나 개방 회로가 될 수 있습니다. 온도를 주시하면 이러한 문제를 피할 수 있습니다.
솔더 조인트의 실패
부품과 PCB 연결은 솔더 조인트로 이루어집니다. 이러한 연결은 매우 높은 온도에 의해 손상될 수 있습니다. 높은 열로 인해 솔더가 녹을 수 있습니다. 단락으로 이어질 수 있습니다. 솔더는 낮은 온도에서 취성입니다. 솔더는 취성일 수 있으며 균열이나 파손이 발생할 수 있습니다.
습기 및 응축
응축은 급격한 온도 변화로 인해 발생할 수 있습니다. 이 습기로 인해 단락이 발생할 수 있습니다. 또한 부식 문제가 발생할 수도 있습니다. 갇힌 습기는 추운 온도에서 얼어붙을 수 있습니다. 이는 PCB와 그 구성 요소의 손상을 일으킬 수 있습니다. PCB의 온도 변화를 주시하세요.
PCB 온도를 제어하는 방법
히트 싱크
PCB에서 많은 열이 발생합니다. 이 열은 여러 구성 요소에서 나옵니다. 이 열을 제거할 방법을 찾아야 합니다. 이 경우 방열판이 좋은 해결책입니다. 방열판은 열을 안전하게 제거하는 데 도움이 됩니다. 보드 손상을 방지합니다. 방열판이 없으면 구성 요소가 일찍 고장날 수 있습니다. PCB 전체를 냉각하려면 어떤 유형의 방열판이 필요합니다.
라미네이트
고온 라미네이트는 PCB 온도를 제어하는 데 도움이 되며, 손가락 화상을 방지합니다. 라미네이트 선택에는 여러 가지 주요 특성이 중요한데, 유리 전이 온도가 높을수록 보호 효과가 뛰어납니다. 박리 시간 도 중요한데, 길수록 좋습니다. 습기가 많은 환경에서는 수분 흡수율도 고려해야 합니다. 분해 온도가 높을수록 안전성이 향상됩니다. Z축 팽창률이 낮을수록 손상 위험이 더욱 줄어듭니다.
플레이트 폭 및 두께
PCB 의 두께는 열 방출에 영향을 미칩니다. 두꺼운 기판은 열전도율이 낮아 열을 더 많이 보유하게 됩니다. 반대로 얇은 기판은 열 흐름이 원활하여 기판 온도를 낮춥니다. 따라서 설계에 적합한 두께와 너비를 선택하는 것이 중요합니다. 적절한 치수를 사용하면 발열 문제를 예방할 수 있습니다. 엔지니어링 전문가의 도움을 받아 최적의 옵션을 선택하면 PCB가 제대로 작동할 수 있습니다. 기판의 두께와 너비를 정확하게 설정하여 열을 효과적으로 제어할 수 있습니다.
팬
팬은 대부분 전자 장치를 냉각하는 데 가장 자주 사용됩니다. 팬은 PCB를 냉각하는 데 도움이 됩니다. 대신 장치에서 열을 밀어냅니다. 동시에 차가운 공기를 빨아들입니다. PCB가 과열되는 것을 방지합니다. 또한 PCB가 오래 지속되는 데 도움이 되는 것은 좋은 공기 흐름입니다. 또한 장치 성능을 향상시킵니다.
재료 및 구성 요소 고려
PCB의 열 제어는 적절한 재료 선택에 달려 있습니다. 두꺼운 구리 PCB 는 내열성이 뛰어나고 강하며 내구성이 좋습니다. 고온과 전류에도 문제없이 작동하기 때문에 자동차나 항공기에 적합합니다. 하지만 많은 PCB에 사용되는 FR-4는 난연성 재질이지만 내열성은 떨어집니다. 따라서 FR-4 PCB를 사용하는 경우, 열 발생을 최소화하도록 설계하는 것이 중요합니다. RF 재료와 폴리이미드 또한 과열될 수 있습니다. RF 기판 에는 PTFE가 흔히 사용되지만, 고온에 노출되면 변형될 수 있습니다.
CTE 정렬
CTE는 재료가 가열될 때 얼마나 팽창하는지를 반영하는 매개변수입니다. PCB 설계에서 유전체 및 구리 층에서 CTE를 시도하세요. 이렇게 하면 층이 동등하게 성장하고 손상이 훨씬 줄어듭니다. CTE가 정렬되지 않으면 층이 같은 속도로 팽창하지 않습니다. 이로 인해 워크오프 및 조립 문제가 발생할 수 있습니다. 드릴링은 문제가 될 수 있습니다. 과열을 원하지 않으면 CTE가 작은 재료를 선택하세요. CTE가 높고 이상적이지 않습니다. 대신 PTFE에 유리 섬유를 채웁니다. PTFE 세라믹을 채운 CTE와 열 성능이 더 좋습니다.
적절한 간격을 유지하세요
PCB에서 부품 간격을 적절하게 조정하는 것은 쉽지 않습니다. 부품이 너무 가까우면 크로스토크 문제가 발생합니다. 크로스토크란 서로 다른 부품들이 원치 않는 방식으로 상호 작용하는 것을 의미합니다. 이러한 상호 작용은 저항 손실을 유발하고 열 발생량을 증가시킵니다. 특히 고주파 PCB 에서 이러한 문제가 자주 발생하므로 , 부품 간격을 신중하게 고려해야 합니다.
열 파이프를 올바르게 통합하기
PCB에 히트 파이프를 넣음으로써 열이 관리됩니다. 하지만 구동 파이프는 열을 흡수하고 부품을 보호합니다. 작은 기기에 잘 맞습니다. 기기의 공간이 제한되어 있다면 히트 파이프를 사용하면 다른 문제를 해결할 수 있습니다. 히트 파이프는 암모니아나 물을 운반합니다. 열을 흡수하여 증기로 바꿉니다. 이것은 또한 PCB를 매우 잘 냉각시킵니다. 히트 파이프를 올바르게 사용하면 열 손상을 방지할 수 있습니다.
상대 열 지수 및 최대 작동 온도
상대 열 지수(RTI)는 재료가 열을 처리하는 능력입니다. 재료에서 벗어나도 손상되지 않는 최고 온도를 알려줍니다. 이는 PCB의 최대 작동 온도입니다. 그러나 이러한 숫자를 무시하면 보드가 고장날 수 있습니다. 잘 가열되지 않는 재료를 사용하십시오.
PCB 온도에 대한 FAQ
온도가 너무 높아지면 어떻게 되나요?
50°C 또는 100°C 이상의 온도에서는 문제가 발생할 수 있습니다. FR4 보드에서 당기는 것이 작동하면 구리 트레이스가 있는 보드에서도 작동할 수 있어야 합니다. 그러나 근처 구성 요소도 영향을 받습니다. 온도가 너무 높아집니다. 보드의 무결성이 손상될 수 있습니다. 전력 손실도 발생할 수 있습니다. 때로는 손상을 피하기 위해 온도를 면밀히 살펴야 합니다.
고온이 PCB를 손상시킬 수 있는가?
인쇄회로기판(PCB)은 고온에 의해 손상될 수 있습니다. 납땜 불량이나 층 분리와 같은 문제는 열로 인해 발생하며, 부품 자체도 손상될 수 있습니다. 대부분의 표준 FR-4 PCB는 130~140°C에서 사용 가능하며, 세라믹 PCB는 350°C 이상의 온도에서도 사용할 수 있습니다. 항상 용도에 맞는 재질을 선택해야 합니다. 납땜 부위는 열에 취약하며, 열로 인해 부품이 손상되거나 작동이 멈출 수 있습니다. PCB에 냉납이 발생하면 연결이 끊어집니다.
HDI PCB는 PCB 온도에 관해 특별한 주의가 필요합니까?
고출력 및 고밀도 PCB는 아시다시피 특별한 관리가 필요합니다. 이러한 PCB는 많은 열을 발생시키기 때문에 효과적인 열 관리 전략이 필수적입니다. 단순히 기본적인 부품만 냉각하는 것으로는 충분하지 않을 수 있습니다. 이러한 보드에 필요한 고급 냉각 솔루션을 고려할 때, 적절한 보드 설계가 매우 중요합니다. 방열판이나 팬을 사용하는 것이 적합하지 않다면 병렬 회로 설계를 고려해 보세요. 병렬 회로 설계는 PCB의 열 관리를 효과적으로 보장하고 성능 및 수명 향상에도 도움이 됩니다. 설계 단계에서부터 열 방출을 고려해야 합니다.
PCB가 단시간 동안 한계보다 높은 온도를 견딜 수 있을까?
짧은 노출에도 즉각적인 손상이 발생하지 않을 수 있습니다. 그러나 권장되지 않습니다. PCB는 짧은 시간 동안에도 고온에 의해 손상됩니다. 일반적으로 재료 고장은 장기간 노출로 인해 발생할 수 있습니다. 반복적인 열 사이클로 인해 고장이 증가할 수 있습니다. 회로의 신뢰성을 높이거나 낮출 수 있습니다. 안전한 작동에 필요한 온도 제한이 부과됩니다. PCB의 수명을 늘리는 데 도움이 됩니다. 이를 사용하면 성능과 신뢰성을 유지할 수 있습니다.
맺음말
이 PCBTok 블로그에서 우리는 PCB와 온도 관리에 대한 핵심 질문을 살펴보았습니다. 그런 다음 고온이 PCB를 어떻게 저하시키는지, 그리고 고전력 설계와 관련하여 PCB가 무엇을 살펴봐야 하는지에 대해 이야기했습니다. 또한 PCB가 허용 가능한 최대 온도보다 높은 온도에서 단시간 동안 작동할 수 있는지도 살펴보았습니다.
