[실무] PCB Thermal Via 설계하기 (PCB 열제어)

방열 설계

방열 설계 방법에는 크게 세 가지가 있습니다.
 

• 보드 내부에 가능한 한 많은 구리를 사용(면적 넓게, Layer 수 늘리기 등).
• 추가 열 방출을 위해 별도의 방열판을 사용.
• 방열패드 및 Thermal Via사용

 

Thermal Via란?

Thermal Via (써멀 비아)

 
 우리 모두 비아기 뭔지는 잘 알고 있습니다. 비아는 서로 다른 구리 층을 연결하는 PCB의 연결 구멍입니다. 이러한 비아를 표면 실장 기기의 히트 패드 바로 아래에 배치하면 다층 기판인 경우 상단 레이어에서 하단 레이어 또는 다른 레이어로 열을 전달할 수 있습니다. 이를 써멀 비아라고 하며, 부품 패드에 위치하여 열 방출을 줄일 수 있습니다.

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Thermal Via 배치

 소자 바로 아래 열원에 최대한 가깝게 Thermal Via를 배치하는 것입니다. 그러나 열 방출이 만족스럽지 않은 경우 컴포넌트 패드 배치에 관계없이 열 비아를 컴포넌트 주변에 배치할 수도 있습니다. 이 경우에도 Vias를 컴포넌트 주변부에 최대한 가깝게 배치하는 규칙은 동일하게 유지됩니다.
 

Thermal Via 크기

Thermal Via 크기와 개수에 따른 열 방출 효과

 

재질에 따른 열전도성 비교

 열전도율은 소재가 흡수할 수 있는 열의 양을 결정하는 데 사용되는 핵심 요소입니다. 아래 표는 다양한 소재의 열전도율을 확인해보세요. 이 표를 참고해서 Via를 어떻게 관리해야 하는지에 대해 알 수 있을 것입니다.
 

소재 (Material)	열 전도성 (Thermal Conductivity) (단위 : W/mK)
Copper	388
Lead Frame	277
Aluminium	205
Silicon	145
SnAgCu Solder	57.3
63Sn37Pb Material	50
DA Epoxy (Die Attach Epoxy)	2.4
Mold Compound	0.7
FR4 PCB	0.35

 
 위의 표를 보면 알루미늄은 구리보다 열전도율이 떨어지는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 알루미늄 방열판은 훨씬 더 많은 면적을 차지하기 때문에 고발열 소자에 훨씬 더 효과적으로 냉각시킬 수 있습니다. 하지만, 구리를 잘 만 사용한다면 같은 면적의 알루미늄보다 훨씬 더 많은 열을 빼줄 수 있을 것입니다.

 효과적인 써멀 비아(Thermal Via) 배치는 열 전달 방법으로 (대류, 복사, 전도 중)전도를 사용하는 IC 또는 가열된 부품 패드에 Via를 적절히 사용하여 여러 층의 구리로 열을 분산시킨 다음 자유 공기에 의해 대류 방식으로 방열이 시작되는 경우입니다. Thermal Via의 직경(Diameter)은 약 0.35mm보다 작은 것이 좋습니다. 구멍 직경이 더 크면 리플로우 납땜 과정에서 솔더 흡입이 제대로 되지 않아 납땜 문제가 발생할 수 있으므로 주의가 필요합니다. 그러나 더 큰 직경이 필요한 경우 이를 보완하기 위해 열 패딩이 유용할 수 있습니다.
 

Thermal Via 배치에서 중요한 부분들

1. 방열 패드는 열이 소자의 케이스(패키지)에서 PCB의 구리 영역으로 바로 전달되도록 설계되었지만, 땜납의 효과는 얇고 땜납의 전도 특성이 좋지 않아서 효과가 그닥 크지 않습니다.

Thermal Vias PCB1

위 이미지는 U1의 노출된 패드에 있는 Thermal Via를 보여줍니다.

2. 방열 패드 패키지의 경우 최대 열 방출은 Via들을 통해 PCB의 하단 레이어로 발생한 후 공기 중으로 방출됩니다. 따라서 하단 레이어의 면적이 넓으면 부품 패키지 전체의 열 방출 또한 감소하게 됩니다.

3. 가열된 구성 요소를 분리하고 Thermal Via를 활용해서 열을 분산시키면 다른 패키지의 열을 잘 분산시키는데 효과적일 것입니다.

4. 상단 구리는 핀 할당으로 인해 상대적으로 공간을 확보가 어렵기 때문에 Thermal Via는 DFN, QFN 패키지의 열을 방출할 수 있는 유일한 소스입니다. 따라서 하단 레이어 구리를 사용하려면 열 전도성을 높이는 유일한 방법은 써멀 비아를 사용하는 것입니다.
 

Thermal Vias PCB2

 
Thermal Via를 사용하는 U5 및 IC2. 부품 패드의 분포로 인해 솔더링 레이어에 더 넓은 구리 영역이 포함되지 않기 때문에 써멀 비아만 가능한 QFN 플랫 패키지를 사용하는 IC2.

5. Thermal Via 연결 장치의 유효 구리 면적은 솔더링 레이어에 관계없이 써멀 비아를 사용하여 구성 요소 패키지와 직접 연결된 최대 구리 길이입니다(솔더링 레이어와 무관).

6. 구리 면의 두께도 열 전도성에 영향을 미칩니다. 2oz(온스) 구리는 1.0oz 또는 0.5oz 구리보다 더 나은 내열성을 갖고 있습니다.

이 글이 열에 대한 신중한 고려가 필요한 장치를 설계하고 배치하는 과정에서 많은 도움이 되길 바랍니다.
 

References

• Circuit Digest - 써멀 비아를 효율적으로 배치하여 PCB 설계의 열 관리를 개선하는 방법 https://circuitdigest.com/article/efficient-heat-managmeent-in-pcb-designs-with-right-placement-of-thermal-vias
• Altium, Thermal Via Management https://resources.altium.com/p/management-of-thermal-vias