Vol. 20, No. 6, pp. 20-26, December 2016
PCB-BOARD의 방열기 발열특성 해석
Heat Characteristics Analysis of Radiator for PCB-Board
장성철*†․권민수**․한수민***
Sung-Cheol Jang*, Min-Su Kweon**†and Soo-Min Han***
(Received 15 June 2016, Revision received 09 December 2016, Accepted 09 December 2016)
Abstract: For power electronic devices, the thermal energy density per unit volume has seen a rapid increase in recent years, owing to the miniaturization and dense integration of electronic components, as well as the continuous development in performance and function. This research examined the validity and reliability of a thermal safety model for managing the heating conditions of TRIAC electronic components. Among the electronic components of a PCB, these can be considered as a heat source.
Using the model, the heating conditions of TRIAC components were maintained at their design target levels in the process of developing an LMT motor drive board. In addition, the heating characteristics of the entire PCB were analyzed to verify its thermal safety. Finally, the reliability and validity of the thermal safety model for maintaining the heating conditions of the TRIAC electronic elements at adequate levels was verified using a numerical analysis method.
Key Words：PCB, TRIAC, thermal energy, Heating Characteristics, Numerical Analysis Method
*†장성철(교신저자) : 한국폴리텍4대학 충주캠퍼스 기계 시스템학과
E-mail : [email protected], Tel : 043-850-4280
**권민수 : 한국폴리텍4대학 충주캠퍼스 전자과
***한수민 : HKC R&D Center
*†Sung-Cheol Jang(corresponding author) : Department of Mechanical System Engineering, Polytech4, Chungjoo Camp.
E-mail : [email protected], Tel : 043-850-4280
**Min-Soo Kweon : Department of Electric Engineering, Polytech4, Chungjoo Camp.
***Soo-Min Han : HKC Co., Ltd. R&D Center.
1. 서 론
최근 전력전자 기기들은 제품성능 및 기능의 지속적 발달과 더불어 전자소자 및 그 부품들의 소형화, 고실장화로 인해 단위체적당 열에너지 밀 도의 증가가 가속화되고 있다. 미국의 한 통계 자 료에 따르면, 전자소자의 고장원인의 약 55% 정 도가 과도한 온도에 의해 발생하는 것으로 보고 되고 있다.1,2) 따라서 적절한 발열설계로부터 열원 인 전자소자들에 대한 냉각정책을 실시하여, 전력 전자 기기들의 고장률 저하와 신뢰성 향상을 확 보하여야 할 것이다.
이러한 발열문제를 해결하기 위한 방법으로, 기 존의 반복적인 시제품 제작과 성능평가 시험을 통한 시행착오법에 기반을 둔 개발프로세스는 지 난 15여년에 걸쳐 점차적으로 수치해석적 접근법 을 활용한 시뮬레이션 기반의 설계프로세스로 대 체되고 있다.1,2) 이와 같은 변화는 비용과 시간이 많이 소요되는 시제품 제작의 필요성을 줄이고, 설계엔지니어가 컴퓨터를 활용한 가상시험으로부 터 그 제품의 성능예측이 가능함과 동시에 그 결 과로부터 최적 설계모델을 도출할 수 있는 효율 적인 방법이기 때문이다. 따라서 제품의 초기 설 계단계에서 설계검증 수단으로 수치해석적 방법
인 CAE 프로그램들이 적극 활용되고 있으며, 전 력전자뿐만 아니라 전 산업분야에 걸쳐 그 활용 도가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 현재까지 많은 연구자들에 의해 전력전자 기기의 발열특성 에 관한 수치해석적 접근에 기반을 둔 연구결과 들이 지속적으로 발표되고 있다.1,2)
본 연구에서는 LMT 모터 드라이브 보드의 개 발과정에서 인쇄회로기판의 전자소자들 중 열원 으로 간주되는 트라이악 전자소자의 발열상태를 설계목표 수준으로 관리하기 위한 열안전설계의 타당성과 신뢰성을 검토하였다. 또한 전체 PCB 모델에 관한 발열특성을 분석하여, 그 열적 안전 성 여부를 확인하고, 트라이악 소자의 발열상태를 적절한 수준으로 유지하기 위한 방열기 모델의 열적 신뢰성 및 타당성을 수치해석적 접근방법을 활용하여 검증하고자 한다.
2. 트라이악 소자의 전력소모량 결정
트라이악 소자의 발열을 관리하기 위한 핵심부 품은 바로 방열기이다. 이러한 방열기는 전자기기 내 환경조건과 설계조건에 따른 많은 변수들로부 터 허용 최대온도를 초과할 수 없도록 설계되어 야 한다. 즉 전력소모량이 높은 전자소자인 트라 이악은 방열이 매우 중요한 과제이므로 처음에는 양호한 동작이 이루어진다. 그러나 방열기 설계에 오류가 있을 경우에, 트라이악 소자 내부에서 허 용온도 이상의 발열로 인해 접점이 파괴될 수 있 기 때문에 트라이악 소자의 방열기에 관한 열분 석은 아주 중요한 설계 검토항목이라 할 수 있다.
전력전자 기기에 전류가 흐를 때, 전력의 일부가 열로 소산되게 된다. 만약 전자소자가 허용 최대 온도를 넘을 경우에는 앞서 언급된 바와 같이 제 품의 성능과 신뢰성에 심각한 영향을 미치게 되 고, 그 내구수명 또한 현격히 줄어들게 된다. 모든 전력전자 기기들은 정상적인 작동 하에서 열에너 지가 생성되고, 장치의 표면을 통해 외부로 그 열 을 방출하게 된다. 열전달은 크게 전도, 대류, 복 사 열전달에 의해 이루어진다.
Fig. 1은 트라이악 소재가 들어가 있는 LMT 모
Fig. 1 LMT motor driver board
터 드라이브 보드의 사진을 나타낸 것이다. Fig.
1에 나타낸 바와 같이 트라이악 소자들이 전원 380V, 3상 AC 전압 및 출력전력 1.9 kW의 구동모 터를 제어하기 위한 LMT 모터 드라이브 보드에 사용되고 있다. 이 트라이악 소자는 이 애플리케 이션에서 큰 전력을 소비하기 때문에 많은 열에 너지를 방출한다. 전자 기기가 만족하게 동작하는 가의 여부는 바로 발열설계가 완벽할 때, 그 시스 템이 비정상적인 과전류상태에서도 어느 정도 견 딜 수 있으며, 고가인 반도체의 파손을 방지할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 트라이악 소자의 열 방출을 원활히 하기 위한 방열기의 열 안전설계 에 대한 건전성 및 신뢰성 평가를 시행착오법이 아닌 유한요소법에 기반을 둔 ANSYS R15.0을 활 용하여 검증하고자 한다.
트라이악 소자의 전력소모량은 부하전류에 의 해 영향을 받게 된다. 먼저 트라이악 소자에 통전 되는 평균전류를 계산하여 접점에서 발생하는 전 압강하 값과 곱하면 바로 소비전력을 계산할 수 있지만, 보다 더 정확한 전력소모량을 계산하기 위하여 다음과 같은 식 (1)을 활용하였다.
∙∙ (1)
여기서 와 는 각각 트라이악 전자소자의 공급업체에서 제공하는 데이터시트에 기술되어져 있는 임계전압과 동적저항값들을 나타낸다.1) 본 연구에 사용된 트라이악의 경우에는 임계전압과 동적저항 값들이 각각 1.02 V와 12 mΩ이다. 그리 고 는 전류의 평균값이고, 는 전류의
실효값을 의미한다. 값은 다음 식 (1)을 활 용하여 값으로부터 계산할 수 있다.
× ×
(2)
또한 직류와 같은 일을 하는 교류값, 즉 전류의 실효값은 다음과 같은 식 (3)으로부터 결정할 수 있다.
sin sin
sin sin
(3)
실효값은 제곱근에서 순시값 제곱의 평균값으 로 나타내며, 동일저항으로 흘렸을 때 교류전류와 동일한 줄열을 발생하는 직류전류값으로 정의한 다. 본 연구의 주 관심대상인 트라이악 소자는 Fig. 2의 그래프와 같이 1초 동안 기동전류 40 A 가 흐르고, 58.5초 동안 운전전류 4 A가 통전되며, 0.5초 간 제동전류 19 A가 흐르게 된다. 총 60초 간 전류가 흐를 수 있고, 1시간 동안 최대 15회만 동작할 수 있다. 하지만 발열에 강건한 안전설계 를 위해 최악의 발열상태로 60초 운전 후, 140초 휴식을 가진 다음, 연속적으로 15회 반복 사용할 수 있는 동작조건이라고 가정하였다. 즉 50분 간 Fig. 2의 파형이 15회 반복 가능한 발열설계가 이 루어졌는지를 검토하고자 한다. 따라서 식 (3)과 Fig. 2로부터 트라이악 소자의 최악조건에 대한 전류의 실효값을 다음과 같이 계산하였다.
× × ×
(4)
그리고 식 (1), (2), (4)로부터 평균전류와 최대 소비전력값들을 계산하면 각각 다음과 같다.
× ×
(5)
× × (6)
3상의 경우, 트라이악 소자내부에 3개의 P-N 접합부가 존재함으로 트라이악 소자의 최대 소비 전력(P)값은 위 식 (6)의 3.54 W×3으로부터 결정 할 수 있다. 이와 같이 트라이악 소자 1개의 최대 소비전력량은 약 10.62 W로 계산되었다.
Fig. 2 RMS current profile under the worst case of the operating condition
3. 열해석을 위한 유한요소모델
트라이악 소자와 방열기의 열전달해석을 수행 하기 위하여 Fig. 3에 도시된 조립상태를 3D CAD 로 모델링하였다. 반도체 칩과 구리판 사이에는 절연층이 존재하며, 그리고 방열기에 효율적으로 열을 전달하기 위해 반도체와 방열기 접합부분에 는 열전도 페이스트가 존재한다. 이러한 절연층 및 페이스트층을 반드시 고려하여야만 보다 정확 한 수치해석결과를 얻을 수 있을 것이다. 트라이 악 파워소자 패키지의 3D CAD 모델은 Fig. 4와 같이 TPDVxx40 데이터시트3)에 제시된 치수 값들 을 사용하였고, 트라이악 소자 패키지의 열적특성 은 Table 1에 표시하였다. 표에서 플로트는 트라 이악 소자의 최대 전력소비량을 의미하고, Rjc-max는 소자 접합부와 케이스 간 열저항을 나 타내며, Rja-max는 소자 접합부와 공기 간 열저항 을 말한다. PCB의 전도 열전달을 묘사하기 위해 Table 2에 PCB 기판의 FR-4 및 트라이악 파워소 자 패키지의 조립 구성부품들에 대한 열전도 계 수 값들을 나타내었다.4)
주변공기에 노출되어 있는 PCB 표면에 대류열 전달계수를 설정하여 열전달현상을 묘사하였다.
대류열전달계수 는 실제 실험결과에 근거를 둔
Nusselt number의 실험식으로부터 결정할 수 있지 만, 간단한 유체유동과 단순한 기하형상에 관해서 만 응용할 수 있는 한계성이 있다. 따라서 본 논 문에서는 Lucian이 “전기회로보드 설계”에서 활용 한 ℃의 대류열전달계수값을 사용하 였다5). 그 외 소자들의 경우는 PCB 발열에 영향 을 미치는 정도가 미비함에 따라 열원으로 간주 하지 않았다.
Fig. 4는 트라이악의 치수조건을 나타낸 것이 고, Fig. 5는 LMT 모터 드라이브 보드 전체 PCB 모델에 부과된 발열조건과 함께 단순화된 해석용 3D CAD 모델을 도시하였다.
Fig. 6과 Table 3은 LMT 모터 드라이브 보드에 관한 유한요소 격자망과 그 분할 상태도를 나타 낸 것이다.
Table 1 Thermal characteristics of packages Characteristics Value Ptot at T=25℃ [W] 10.65 Rjc-max [K/W] 0.9 Rja-max [K/W] 50
Table 2 Thermal conductivity for each component of PIM motor drive board
Component Thermal conductivity [W/m·K]
Case 1
Semiconductor 150
Insulator 32.3
Copper plate 401
Thermal conductive paste 4.5
Heat sink 200
FR-4 0.35
Table 3 Nodes and elements for thermal analysis of LMT motor drive board.
Num. of Nodes 716,294 Num. of Element 429,317
Fig. 3 3D CAD model for triac device - heat sink assembly
Fig. 4 Dimensions of Triac package
Fig. 5 Simplified 3D CAD model and heat sources
Fig. 6 Finite element model for thermal analysis of PCB model
4. 자연대류와 전도열전달 시뮬레이션
첫 번째 열해석 모델은 모터 드라이브 보드의 트라이악 소자와 방열기의 조립체에서 방열기를 제외한 트라이악 패키지만을 해석대상으로 하였 고, P-N 접합부에서의 전력소비량은 식 (6)으로부 터 결정된 10.62 W값을 부과하였다. 또한 주변온 도는 상온상태로 가정하여 25℃로 설정하였다.
Fig. 7은 방열기를 제외한 트라이악 소자에 대한 발열해석 결과를 도시한 것이다. 최대 온도상승 값은 약 568.81℃으로 계산되었다. 발열시험을 통 해 트라이악 소자의 작동불능까지 계측 가능한 최대온도값은 참고문헌4)에 의하면 약 330℃이다.
이러한 열해석으로부터 트라이악 소자에 관한 발 열시험을 실시하기 전에 트라이악 소자는 반드시 방열기가 필요하다는 사실을 예측할 수 있다.
방열기가 조립된 트라이악 소자에 대한 열해석 또한 연구되었다. 해석을 위한 입력 전력소비량과 주위 공기온도 조건은 앞서 수행한 해석과 동일 하게 설정하였다. Fig. 8은 방열기가 조립된 상태 에 대한 열해석 결과를 도시한 것으로 최대 온도 상승값이 여전히 요구 설계조건, 125℃보다 큰 149.24℃로 나타났다. 그리고 Fig. 9에 LTM 모터 드라이브 보드 전체 모델에 대한 발열해석 결과 를 도시하였다. 최대 상승온도값은 133.07℃로 예 측되었다.
트라이악 소자의 최대온도는 125℃ 이상일 때 파손의 위험성이 내재함으로 이 온도 이하에서 사용할 수 있도록 열관리 정책이 마련되어져야 한다. 따라서 이러한 해석결과로부터 현재의 트라 이악 소자를 발열로부터 안전하게 보호하기 위해 서는 설계변경이 이루어져야 한다. 일반적으로 방 열기의 방열량은 방열판의 표면적에 비례한다. 방 열팬으로 강제 공냉시키면 방열기의 능력을 약 2 배 이상 증가시킬 수 있다. 그러나 현재의 설계에 서 방열팬을 부착하는 것은 현실적으로 불가능할 것으로 판단된다. 따라서 Fig. 10에서와 같이 5개 의 트라이악 방열기들과 연결된 방열판을 추가하 여 전체적인 방열판의 표면적을 증가시킴으로써 트라이악 소자에서의 온도상승값을 요구 설계조 건에 부합한 발열량 이하로 낮추고자 한다.
Fig. 7 Thermal analysis result for triac package without a heat-sink
Fig. 8 Thermal analysis result for the triac power device with a heat-sink
Fig. 9 Thermal analysis result for LTM motor drive board
Fig. 11에 추가적인 방열판이 부착된 경우의 PCB 모델에 관한 열해석 결과를 도시하였다. 최 대 발열온도상태는 약 83.24℃로서 설계목표치의 상한 발열온도값 125℃보다 훨씬 낮은 온도값으 로 예측되었다. 이러한 결과로부터 추가된 방열평 판은 트라이악 소자의 온도상승 값을 설계목표치 이하로 저감시킬 수 있는 적절한 설계 변경임을 확인할 수 있었다.
Fig. 10 Additional heat-sink plate for reducing T-rise of the triac packages
(a) Isometric view
(b) Isometric view without additional heat-sink plate
(c) Top view
(d) Bottom view
Fig. 11 Thermal analysis result for the PCB model added a heat-sink plate
5. 결 론
본 연구에서는 LMT 모터 드라이브 보드에 관 한 열전달해석을 수행하여 모터의 구동조건 중에 서 최악조건에 대한 트라이악 소자의 열적 안전 성 여부를 검토하였다.
트라이악 소자에 부착된 방열기만으로는 요구 설계조건, 125℃ 이하의 열관리 정책을 확보할 수 없음을 확인하였다.
트라이악 소자에서의 온도상승 값을 요구 설계 조건에 부합한 발열량으로 관리하기 위해 적절한 추가 방열기 모델을 제안하였으며, 제안된 방열기 모델은 발열로부터 소자를 안전하게 보호할 수 있음을 보였다.
또한 트라이악 소자의 방열기에 관한 설계 타 당성과 신뢰성 확보를 위해 수치해석적 접근법을 활용함으로써 기존의 시행착오법에 의한 개발프 로세스보다 그 투입시간과 시제품 제작시간을 최 대한 절약할 수 있었고, 또한 소요비용을 최소화 할 수 있었다.
후 기
본 논문은 한국산업기술진흥원에서 실시하는 산업기술혁신사업 국제공동기술개발사업의 연구 과제에 의해서 수행되었습니다.
References
1. S. Narasimhan, A. Bar-Cohen, and R. Nair, March 2003, "Thermal compact modeling of parallel plate heat sinks", IEEE Trans.
Components and Packaging Technologies, Vol.
26, Issue 1, pp. 136-146.
2. J. R. Culham, M. M. Yovanovich and S. Lee, Sept. 1995, "Thermal modeling of isothermal cuboids and rectangular heat sinks cooled by natural convection", IEEE Trans. Components, Packaging, and Manufacturing Technology, vol.
18, Issue 3, pp. 559-566.
3. STMicroelectronics, 2011, "Technical Data Sheet- TPDVxx40: 40 A high voltage Triacs", Doc ID 18270 Rev 1.
4. K. Keller, 1998, "Low cost, high performance, high volume heatsinks", in Proc. 1998 Electronics
Manufacturing Technology Symposium, pp. 113-118.
5. C. Farcas, I. Ciocan, D. Petreus and N. Palaghita, 2012, "Thermal Modeling and Analysis of a Power Device Heat Sinks", 2012 IEEE 18th International Symposium, pp. 25-28.
