열전도율을 향상시키는 알루미늄 PCB
1 분
- 알루미늄 PCB란?
- 전자 기기에서 열전도율이 중요한 이유
- 알루미늄 PCB의 열전도율
- 알루미늄 PCB의 열 방출 및 팽창
- 알루미늄 PCB vs 기존 FR-4 PCB
- 알루미늄 PCB의 응용 분야
- 결론
열 관리는 현대 전자 기기가 점점 더 작아지고 강력해짐에 따라 전자 설계에서 가장 중요한 문제 중 하나가 되었습니다. PCB에는 다양한 코어와 재료가 있습니다. 이전에 다양한 재료를 다루었지만, 오늘은 메탈 코어 PCB에 중점을 둡니다. 기본 PCB에서 열 방출이 불량하면 전자 기기의 성능이 저하되고, 수명이 단축되거나, 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다.
알루미늄 PCB는 기존 FR-4 보드에 비해 더 나은 열전도율을 가지고 있어 효율적인 대안이 됩니다. 차이가 나는 특성은 아래 글에서 나열합니다. 또한 알루미늄 PCB의 구조, 장점, 용도와 열전도율을 향상시키는 방법을 살펴보겠습니다.
알루미늄 PCB란?
알루미늄 인쇄 회로 기판(PCB)은 금속 기반 인쇄 회로 기판입니다. 회로 기판에서 전력 전자 장치가 생성하는 열을 제어하도록 설계되었습니다. 기존 유리섬유(FR-4) 대신 알루미늄을 기초 기판으로 사용합니다. 알루미늄 PCB의 기본 구조는 다음과 같습니다:
1. 구리 회로 레이어: 이 레이어의 주요 기능은 PCB의 모든 부품에 전기적 연결을 제공하는 것입니다. 표준 CCL(1~10온스)에 비해 사용되는 구리 레이어가 상대적으로 더 두껍습니다. PCB 가격 책정 시 구리 중량을 선택할 수 있습니다. 더 두꺼운 구리 코팅은 더 높은 전류 용량과 관련이 있습니다.
2. 유전체 레이어(절연 레이어): 유전체 레이어는 약 50~200μm 두께의 절연 레이어로 알려져 있습니다. 전기 절연과 열 전도 레이어 역할을 하기 때문에 열에 대한 저항은 낮고 전기 신호에 대한 저항은 높아야 합니다.
3. 금속 베이스 레이어(알루미늄): 알루미늄 베이스는 알루미늄 기판으로 구성됩니다. PCB에 기계적 강도를 제공합니다. 하지만 주요 용도는 열 전도체 역할을 하여 열을 방출하는 것입니다.
4. 알루미늄 베이스 멤브레인 레이어: 이 유형의 멤브레인은 선택적입니다. 금속 표면의 원치 않는 에칭과 긁힘을 방지하는 보호 목적으로 사용됩니다.
전자 기기에서 열전도율이 중요한 이유
전력 컨버터, LED, 차량용 전자 장치와 같은 전자 부품이 작동하는 동안 열이 발생합니다. 이 열이 주변으로 빠르게 방출되지 않으면 주변 부품이 가열됩니다. 과도한 열 축적은 부품 수명을 단축시키고 솔더 조인트 피로를 유발할 수 있습니다. 부품이 과열되면 타거나 PCB와 전체 회로에 불이 붙을 수 있습니다.
알루미늄 PCB의 열전도율
1. 알루미늄의 우수한 열전도율
두 기판을 나란히 비교하면 특성을 확인할 수 있습니다. FR-4는 0.3~0.4 W/mK의 열전도율을 가집니다. 반면 알루미늄은 약 205 W/mK의 열전도율을 가집니다. 비교에 따르면 기존 FR-4 PCB는 5.50 × 10⁻⁴ °C/W의 열 저항을 가지며, 이는 알루미늄 PCB보다 거의 30% 더 높습니다. 결과적으로 열 방출 효율이 크게 감소합니다.
2. 유전체 레이어의 역할
알루미늄이 높은 열전도율을 가지고 있지만, 구리 트레이스와 알루미늄 사이에 위치한 유전체 레이어가 열 전달에 크게 기여합니다. 일부 설계에서 절연 레이어의 열전도율은 1 W/mK에서 10 W/mK 사이입니다.
열 저항 방정식:
Rth 값이 낮을수록 열 전도가 더 좋음을 나타냅니다. 제조업체는 유전체 재료를 최적화하고 두께를 줄여 알루미늄 PCB의 열 성능을 크게 향상시킵니다.
알루미늄 PCB의 열 방출 및 팽창
열 제거에서 알루미늄 PCB는 표준 FR4 PCB보다 뛰어납니다. 예를 들어, 두께 1.6mm의 알루미늄 PCB는 와트당 2-3도의 열 저항(TR)을 가집니다. 반면 같은 두께의 FR4 PCB는 와트당 22-25도의 TR을 가집니다. 열팽창 계수도 재료마다 다릅니다. 알루미늄 PCB는 우수한 열 방출 능력으로 인해 열팽창/수축 문제가 없습니다.
알루미늄 PCB vs 기존 FR-4 PCB
알루미늄 PCB의 응용 분야
1. LED 조명: 알루미늄 PCB는 고휘도 LED가 생성하는 열을 제어하기 위해 LED 조명 기구와 전구에 자주 사용됩니다. PCB 베이스가 가장 가까운 방열판에 직접 연결될 수 있어 모든 LED 전구에 사용됩니다.
2. 전력 전자: 더 높은 전력이 필요하거나 전압/전류 변환이 수행될 때 사용됩니다. 전원 공급 장치, 전압 레귤레이터, 컨버터가 몇 가지 예입니다.
3. 가전 제품: 전자 제품이 점점 소형화됨에 따라 작은 방열판이 최선의 선택이 아닐 수 있습니다. 그런 경우 메탈 코어 PCB가 더 나은 선택이 됩니다. 가전 제품 응용 분야에는 컴퓨터, 모바일 기기, LCD 백라이트가 포함됩니다.
4. 의료 장비: MRI 스캐너, 수술용 조명, 진단 장비는 항상 저온 상태를 유지해야 하는 가장 정밀한 전기 장비의 몇 가지 예입니다.
결론
부품 발열이 주요 문제인 경우 알루미늄 PCB가 우수한 여러 이유를 살펴보았습니다. 알루미늄 PCB는 고전력 및 소형 기기에 대한 수요 증가로 인해 열 관리를 위한 최선의 선택이 되었습니다. 기계적 견고성과 강력한 열전도율 면에서 FR4를 능가합니다. 그러나 회로 작동 중 열이 유입되는 것을 방지하는 추가 기술이 있으며, 능동 냉각 기술, 방열판, 히트파이프, 기본 CPU 팬 등 항상 냉각 솔루션이 있습니다. 엔지니어는 열 전달 원리를 이해함으로써 내구성 있고 효과적인 전자 기기를 설계할 수 있습니다.
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