PCB 열 관리용 서멀 비아(Thermal Via)

서멀(열) 비아는 PCB의 한 층에서 다른 층으로 열을 전달하도록 설계된 특수한 비아입니다. 이러한 비아는 열을 생성하는 부품 근처에 배치되어 열 경로를 형성하며, 이를 통해 열을 방출하고 과열 위험을 줄이는 데 기여합니다. 서멀 비아는 열 싱크, 열 패드 또는 구리 플레인과 함께 사용되어 효과를 극대화할 수 있습니다. 이는 단순히 표면 실장된 열원 부품 아래에 위치한 도금된 관통 구멍(PTH)으로, 열 전달을 가능하게 합니다.

서멀 비아는 PCB의 상단 구리 층에서 하단 면으로 낮은 열 저항 경로를 제공합니다. 단일 비아만으로는 열을 효과적으로 방출하기 어려우며, 일반적으로 다수의 비아 배열이 필요합니다. 전자공학 및 PCB 설계에서는 적절한 열 관리가 필수적이며, 효과적인 PCB 열 관리는 기판의 과열을 방지하고 설계 팀의 부담을 줄이는 데 핵심적인 역할을 합니다.

열 관리의 필요성

PCB 설계에서 효과적인 열 관리는 전자 시스템 고장의 50% 이상을 차지하는 과도한 열로 인한 문제를 예방할 수 있습니다. PCB에서 열은 주로 프로세서, LED, 전력 조절기와 같은 고출력 부품에서 발생합니다. 주요 고려 사항으로는 구리 면적, PCB 두께, 소재 등 열 저항에 영향을 미치는 요인을 최소화하는 것이 포함됩니다. 설계 초기 단계에서 전력 부품을 분석하고 제조업체 데이터를 활용하는 등의 전략은 효과적인 열 방출을 보장합니다. 또한 대류, 복사, 열 싱크와 같은 기술을 통해 PCB에서 열을 효율적으로 방출할 수 있습니다. 고성능 전자기기에서 기능을 유지하고 비용을 절감하며 고장을 방지하려면 열 관리를 위한 선제적 계획이 필수적입니다.

서멀(열) 비아의 열 관리 지원 방법

서멀 비아는 부품에서 발생한 열이 접지 플레인이나 외부 열 싱크와 같은 열 방출이 용이한 영역으로 이동할 수 있는 경로를 제공합니다. 이러한 메커니즘은 국부적인 과열을 방지하고 안정적인 동작을 보장합니다. 그러나 서멀 비아는 추가 시 보드 공간을 차지하며, 경우에 따라 실질적인 이점이 제한될 수 있습니다.

서멀 비아는 PCB의 두 층 사이에서 전류를 운반하지 않고, 열 전달만을 목적으로 설계된 비아입니다. 이러한 비아의 주요 목표는 가열된 표면에서 더 차가운 표면으로 열을 효과적으로 전달함으로써, 과열을 방지하는 것입니다. 일반적으로 가열된 표면은 부품 아래의 패드이며, 더 차가운 표면은 PCB 내부의 구리 플레인이 될 수 있습니다. 반대편 구리 표면과 연결되지 않은 서멀 비아는 비효율적이며, 적절한 열 전달을 위해서는 가열된 표면에서 더 차가운 표면으로 열이 원활히 흐를 수 있는 상호 연결된 구조가 필수적입니다.

서멀(열) 비아의 효과

서멀 비아가 "효과적"이라는 것은 무엇을 의미할까요? 한 가지 해석은 서멀 비아가 추가됨에 따라 서멀 비아를 통해 전달되는 온도 강하가 감소한다는 것입니다. 즉, 가열된 표면에서 더 많은 열이 효율적으로 전달된다는 의미입니다. 우리는 서멀 비아의 효과를 패드의 절대 온도가 주변 환경(또는 주변 온도) 대비 얼마나 감소했는지로 판단합니다.

그러나 이 개념은 추가적인 문제를 야기할 수 있습니다. 강조하듯이, 온도는 "지점(point)" 개념입니다. 즉, 온도는 패드나 트레이스의 특정 지점마다 다르게 나타날 수 있으며, 이는 온도에 영향을 미치는 모든 요소가 지점별로 달라지기 때문입니다. 열 프로파일 이미지를 참고하면, 하나의 서멀 비아 상단 온도는 50.32°C이고, 가까운 다른 비아의 온도는 46.99°C입니다. 패드 중심부의 온도는 약 50.57°C이며, 몇 밀리미터 떨어진 지점의 온도는 48.91°C입니다. 이러한 이유로 패드의 최대 온도를 기준 온도로 삼는 것이 적합하다고 판단됩니다.

서멀(열) 비아의 서멀(열) 프로파일

서멀 비아는 PCB의 열 저항을 효율적으로 낮추어 열이 기판 전체로 더 균등하게 확산되도록 합니다. 그러나 그 성능은 비아 직경, 수량, 도금 두께와 같은 요소에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 열원 아래에 배치된 여러 개의 작은 서멀 비아는 적은 수의 큰 서멀 비아보다 더 나은 성능을 발휘하는 경우가 많습니다.

서멀(열) 비아 설계 고려 사항

• 크기와 수량: 작고 밀집된 비아 배열은 열 방출에 더욱 효과적입니다.
• 비아 도금: 두꺼운 구리 층으로 도금된 비아는 열 전달 성능을 향상시킵니다.
• 서멀 패드: 서멀 비아를 열 방출 패드나 플레인과 함께 사용하면 효율이 극대화됩니다.
• 재료 채우기: 조립 중 납땜 흡수가 발생하지 않도록 필링 비 또는 플러그 비아를 사용하는 것이 중요합니다.
• 배치: 서멀 비아는 열원 바로 아래에 배치하여 최대한의 열 방출 효율을 확보해야 합니다.
• 비용 고려: 비아 밀도와 제조 제약 조건을 균형 있게 조정하여 비용 효율성을 유지해야 합니다.

서멀(열) 비아를 언제 사용해야 할까

서멀 비아는 다음과 같은 상황에서 필수적입니다:

• 고출력 장치(예: LED, MOSFET)를 사용하는 경우
• PCB 설계에 고밀도 부품 배치가 포함된 경우
• 설계에 열 싱크나 열 패드가 통합된 경우
• 고온 환경에서 사용되며 고급 열 방출 전략이 필요한 경우

서멀 비아의 수와 위치는 열 저항에 직접적인 영향을 미칩니다. 열원 근처에 비아를 가깝게 배치하면 열 방출 속도가 증가하여 열 저항이 낮아집니다. 서멀 비아는 양면 보드에서 상단과 하단 구리 층을 연결하거나 PCB의 여러 층을 연결하여 사용할 수 있습니다.

서멀(열) 비아 배열 배치 방법

서멀 비아의 직경은 다양하게 설정할 수 있지만, 최적의 열 전도성을 위해 권장되는 최종 직경은 0.30mm입니다. 비아 간격의 최적 거리는 0.80mm로 설정하는 것이 가장 효과적입니다. 비아 배열을 배치하기 전에 비아 간 거리를 먼저 확인하는 것이 좋으며, 간격은 열원 부품의 특성에 따라 조정될 수 있습니다. 이후에는 비아를 열 방출 플레이트의 하단 표면 바로 아래에 배치하는 것이 이상적입니다.

열 방출 플레이트 바로 아래에 위치한 비아만으로는 열 방출이 충분하지 않을 경우, IC 주변부에도 추가 비아를 배치할 수 있습니다. 이러한 비아는 IC와 최대한 가까운 위치에 배치하는 것이 중요합니다. 서멀 비아의 직경, 개수, 형태 및 관련 설계 파라미터는 기업별 설계 규칙에 따라 다를 수 있습니다. 이러한 요소를 고려하여 설계를 최적화하고, 열 방출 효과를 극대화하기 위한 연구 및 구현 단계에서 이를 반드시 반영해야 합니다.

또한, 시뮬레이션 도구를 활용하여 열 패드의 크기와 형태를 정의하고, 더 큰 열 부하를 처리할 수 있는 최적의 기판 소재를 선택할 수 있습니다. 시뮬레이션 도구는 부품 성능을 분석하고, PCB 내의 잠재적인 열집점(hotspot)을 파악하는 데 유용합니다. 시뮬레이션을 통해 PCB 상단 표면과 하단 구리 플레인 간의 열 흐름을 시각화하고, 열 저항과 비아 수 간의 관계를 명확히 확인할 수 있습니다.

다른 열 관리 방법과의 비교

서멀(열) 비아는 매우 효율적이지만, 다음과 같은 다른 열 관리 전략과 함께 사용하는 경우가 많습니다:

• 열 싱크: 외부에서 열을 방출하는 구조로, 추가적인 조립 과정이 필요합니다.
• 서멀 패드: 매우 효과적이지만 제조 비용이 증가할 수 있습니다.
• 구리 플레인: 열 확산에 유용하지만, 고출력 응용 분야에서는 단독으로 충분하지 않을 수 있습니다.

결론

서멀 비아는 고출력 응용 분야에서 열을 방출하기 위한 비용 효율적이고 효과적인 수단으로, PCB의 신뢰성을 높이고 성능을 향상시키며 컴팩트한 설계를 가능하게 합니다. 설계 과정에서 비아의 배치, 크기, 수량을 신중하게 고려하면 최적의 열 성능을 확보할 수 있습니다. 또한, 서멀 비아는 다른 열 관리 기술과 결합하여 오늘날의 고성능 전자 기기에 적합한 견고한 PCB 설계를 구현하는 데 필수적인 요소입니다.

PCB 설계 시 서멀 비아를 활용하려면 다음과 같은 기본 규칙을 따르는 것이 중요합니다. 열 방출을 개선하려면 관통 구멍 접촉부의 구리 층 두께를 늘리는 것이 효과적입니다. 서멀 비아의 직경은 다양하게 설정할 수 있지만, 최적의 열 전도성을 위해 권장되는 직경은 0.30mm입니다. 비아 간 최적 간격은 0.80mm로 설정해야 합니다.