먼저 알아둘 용어
방열 패드와 열저항 — 방열 패드(thermal pad)는 부품에서 발생한 열을 기판 등으로 전달하는 금속 접합부입니다. 열저항은 두 지점의 온도 차이를 그 사이로 전달되는 열의 일률(W)로 나눈 값이며, 단위는 °C/W입니다. 예를 들어 접합부와 주변 공기 사이의 열저항은 정상 상태의 온도 차이를 부품의 소비 전력 중 열로 바뀐 전력으로 나눠 구합니다. 데이터시트에서 어느 두 지점 사이의 값인지, 어떤 기판과 냉각 조건에서 측정했는지 확인해야 합니다.
열이 퍼지는 경로와 이웃 부품의 영향 — 열은 동박과 주변 구조물을 통해 넓은 영역으로 퍼집니다. 발열 부품들이 가까이 있으면 서로의 온도를 높일 수 있으므로, 여러 부품이 동시에 동작하는 조건도 확인해야 합니다.
정격을 측정한 온도와 기판 조건을 먼저 확인합니다
데이터시트의 연속 전류와 전력 정격을 읽을 때는 부품 케이스의 온도와 시험용 기판 조건을 함께 확인합니다. 반도체 내부 접합부에서 주변 공기까지의 열저항은 기판과 부품을 연결한 구조에 따라 달라질 수 있습니다. 패키지가 크다는 이유로 방열이 더 좋다고 단정하거나, 온저항이 낮다는 이유만으로 냉각이 충분하다고 판단하지 않습니다.
작은 패키지에서 열을 퍼뜨릴 경로가 부족하다면, 같은 실제 부하를 기준으로 더 넓은 패키지나 금속 탭이 있는 패키지도 후보로 비교합니다. 후보마다 해당 온도·구동 조건에서 예상되는 전기 손실과 실장 구조의 열 경로를 각각 확인합니다. 부하가 같아도 부품별 손실까지 같다고 가정하지 않습니다. 큰 패키지를 골랐다는 사실만으로 온도 정격을 만족한 것은 아니므로 최종 기판·방열 구조에서 검증합니다.
프로세서도 해당 패키지에서 열이 주로 윗면으로 빠지는지, 아래쪽 기판으로 전달되는지 확인합니다. 일부 패키지에서 아래쪽 경로가 중요하다고 해서 모든 BGA(Ball Grid Array)를 아래에서 냉각해야 하는 것은 아닙니다. 방열을 목적으로 납땜 볼 사이에 금속이나 전도성 재료를 임의로 넣어서도 안 됩니다.
밑면 열 패드로 열을 빼는 패키지라면 부품 자료에 표시된 패드 치수와, 제조사가 권장하는 기판 랜드 및 실제 납땜 접합 면적을 따로 확인합니다. 패키지 밑면의 접합 면적과 기판 상면에서 열을 퍼뜨리는 동박 면적은 같은 항목이 아닙니다. 패드에서 동박까지 열이 이어지는 접합 상태를 함께 살피며, 어느 한쪽의 면적만으로 허용 접합 온도나 방열 성능을 보장하지 않습니다.
기판 중앙과 가장자리 중 열을 빼내기 쉬운 위치를 찾습니다
동박으로 열을 퍼뜨릴 때는 부품에 연결된 동박의 면적과 열이 퍼질 방향을 확인합니다. 기판 모서리에서는 바깥쪽으로 열을 전달할 동박이 없으므로 기판 안쪽으로 이어지는 경로가 중요합니다. 반대로 가장자리에 방열 구조가 있고 부품의 열을 그곳으로 충분히 전달할 수 있다면, 부품을 가장자리 가까이 놓는 편이 유리할 수 있습니다.
고주파(RF, Radio Frequency) 전력 부품의 노출 방열 패드 아래에 열 비아를 둘 때는 먼저 부품 데이터시트에서 패드의 회로 연결(net)과 권장 접합 구조를 확인합니다. 방열 패드 아래나 바로 옆에 RF 신호선 또는 신호 비아가 있다면, 방열 패드에 연결된 동박과 신호 경로의 간격·결합·신호의 귀환 전류가 흐르는 기준면을 단면도와 배선도에서 함께 살핍니다. 방열용 비아를 늘릴 때 신호 경로에 영향을 주지 않는지 확인하고, 제작한 기판에서는 같은 부하 조건으로 온도와 RF 신호의 전기적 특성을 각각 측정합니다. 방열 패드와 RF 신호선 사이에 둘 간격은 부품의 특성, 사용 주파수, 기판 구조에 맞게 정합니다. 하나의 예시 간격을 모든 설계에 적용하지 않습니다.
열을 내는 부품이 몇 개인지, 그중 어느 부품들이 동시에 동작하는지 표시합니다. 배치할 위치별로 동박이 좁아지거나 끊기는 곳과 여러 부품의 열이 모이는 곳을 확인합니다. 전원 회로에서 전류가 순환하는 경로(loop)를 짧게 유지해야 하는 조건도 함께 고려합니다. 방열만 생각해 부품 사이를 무조건 벌려 놓지는 않습니다.
발열량이 커서 방열판을 추가할 수 있다면, 부품을 배치할 때 사용할 방열판의 외형, 높이, 고정 위치를 도면에 함께 표시합니다. 평면도에서 부품 옆이 비어 보여도 방열판이 주변 커넥터나 외함 안쪽에 닿을 수 있습니다. 방열판 도면으로 간섭 여부를 확인하고, 패키지에서 방열판으로 열을 전달할 접촉면도 살핍니다.
방열판 자리를 남긴 것만으로 온도 정격을 만족한다고 판단하지 않습니다. 최종 구조와 부하 조건을 정한 뒤 대상 부품과 주변 부품의 온도를 확인합니다.
같은 부하와 냉각 조건에서 주변 부품의 온도도 확인합니다
배치나 방열 구조를 비교할 때는 발열량, 팬의 동작 조건, 외함, 주변 온도를 같게 맞춥니다. 대상 부품의 온도만 낮아졌는지 보지 말고 주변 부품의 온도와 회로 동작도 확인합니다. 팬을 쓰지 않는 설계도 허용 온도 범위를 실제로 만족해야 합니다. 패키지나 배치를 바꿨다면 그 이유와 온도 측정 결과를 기록하고, 열이 기판과 방열판을 거쳐 주변 공기로 빠져나가는 경로도 함께 표시합니다.
배치부터 온도 측정까지 순서대로 확인합니다
