극한의 방열을 위한 구리 코인 PCB

전자 제품이 더 작고 강력해짐에 따라 회로 기판의 발열 문제는 더욱 심각해졌습니다. 일부 드라이버나 통신 모듈과 같은 고전력 장치는 매우 작은 면적에서도 많은 열을 발생시킵니다. 적절한 열 관리가 이루어지지 않으면 열은 부품 성능 저하를 초래할 뿐만 아니라, 전체 장치의 손상을 초래하고 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

열 방출을 위한 서멀 비아, 구리 포어, 히트 싱크, 심지어 금속 코어 PCB와 같은 일반적인 방열 방식은 일부 고전력 또는 고열밀도 환경에서는 더 이상 충분하지 않습니다. 이러한 상황에서 구리 코인 PCB는 열을 발생 부품에서 히트 싱크 또는 외부 환경으로 직접 빠르게 전달하여 방열 경로를 단축하고 효율을 향상시키는 데 필수적입니다.

이 블로그에서는 구리 코인 PCB를 자세히 소개합니다. 여기에는 구조, 유형의 차이점, 설계 핵심 사항, 제조 과정에서 발생할 수 있는 문제, 실제 고전력 장치에서의 응용 성능 등이 포함됩니다.

구리 코인 PCB란 무엇입니까?

구리 코인 PCB(구리 블록 PCB)는 내부에 단단한 구리 블록을 내장한 다층 인쇄 회로 기판의 한 유형으로, PCB 구리 코인 또는 PCB 코인이라고 합니다. 이 구리 조각은 일반적으로 많은 열을 발생시키는 칩이나 전력 장치 바로 아래에 설계되어 열교 역할을 하여 부품에서 열을 더 빨리 방출합니다.

일반 PCB에서는 열이 먼저 절연체인 FR-4를 통과해야 합니다. FR-4는 열전도율이 매우 낮고 방열 효율도 높지 않습니다. 구리 코인 PCB에서는 열이 구리 블록으로 직접 전달된 후 회로 기판의 반대쪽이나 방열판으로 빠르게 전달되어 경로가 짧고 효율이 높습니다.

구리를 사용하는 이유는 열전도도가 약 380~400 W/m·K인 반면, FR-4는 0.3~0.5 W/m·K에 불과하기 때문입니다. 즉, 구리의 열전도도는 일반적으로 사용되는 PCB 절연 재료보다 200~800배 높습니다. 따라서 구리 코인 PCB는 파워 모듈, LED, 무선 주파수 장비, 자동차 전장 등 고전력 및 고열밀도 전자 제품의 방열 문제를 해결하는 이상적인 방법으로 자리 잡았습니다.

구리 동전 구조의 유형

설계 요구 사항, 구성 요소 레이아웃 및 제조 방법의 차이에 따라 PCB 구리 동전은 여러 유형으로 분류될 수 있습니다.

표에서 볼 수 있듯이 각 구리 코인 PCB 구조는 애플리케이션 요구 사항에 따라 고유한 장점을 제공합니다.

구리 코인 PCB 작동 원리

구리 코인 PCB의 방열 메커니즘은 높은 열전도도의 금속 재료를 사용하여 낮은 열 저항 경로를 구축하는 설계 개념에 기반합니다. PCB 내부에 견고한 구리 코인을 내장함으로써 열이 칩에서 방열 매체로 직접 전달될 수 있으며, 이는 절연 재료(예: FR-4)의 열 축적을 줄여 전반적인 방열 효율을 향상시킵니다.

열전달 과정

구리 코인 PCB의 열 흐름은 다음 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 발열

고전력 칩이나 전력 장치는 작동 중에 열을 발생시킵니다.

2. 패드에서 구리 동전으로의 열 전달

열은 구성 요소 패드에서 구성 요소 아래 또는 옆에 있는 구리 동전으로 전도됩니다.

3. 구리 동전을 통한 수직 열 전도

구리의 높은 열전도도(약 380~400 W/m·K)로 인해 열은 낮은 열전도도의 FR-4 소재를 우회하여 PCB 스택업을 통해 수직으로 빠르게 전도됩니다.

4. 열 확산 또는 열 방출 구조로의 전달

열은 PCB를 통과한 후 큰 구리 평면으로 퍼지거나 외부 방열판, 알루미늄 베이스 또는 금속 인클로저로 전달됩니다.

5. 환경으로의 열 방출

마지막으로, 열은 대류를 통해 주변 공기로 방출되거나 섀시나 하우징으로 전도됩니다.

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구리 동전 vs 기타 열 관리 솔루션

전자 제품의 성능이 점점 더 높아지면서 발열 문제도 해결해야 할 과제로 떠올랐습니다. 다양한 열 관리 솔루션은 저마다 고유한 특성을 가지고 있습니다. 비용은 낮지만 효과는 미미한 솔루션도 있고, 열전도율이 높지만 가격이 비싼 솔루션도 있습니다. 구리 코인 PCB는 이 두 가지 솔루션의 중간 형태로, 세라믹이나 다이아몬드 소재만큼 비싸지 않으면서도 효율적인 열전도성을 제공하여 산업용 제품의 대량 생산에 적합합니다.

다음 표에서는 여러 가지 일반적인 열 관리 솔루션을 비교하여 열 전도 용량, 효율성, 비용 및 적용 시나리오의 차이점을 직관적으로 이해할 수 있도록 돕습니다.

구리 코인 PCB 설계 지침

구리 코인 PCB의 핵심은 구리 블록의 배치 위치, 기판 층의 설계 방식, 그리고 공정 정렬 여부입니다. 이러한 요소들을 올바르게 처리해야만 이상적인 방열 효과를 얻을 수 있습니다.

1. 구성 요소 및 구리 동전에 대한 배치 권장 사항

•  구리 동전은 발열 부품 바로 아래 또는 가능한 한 가까이에 놓아야 합니다.

•  구성 요소 패드와 구리 표면 사이의 거리를 최소화합니다.

•  이 영역에서는 고속 신호 추적을 라우팅하지 마십시오.

•  구리 동전이 BGA 솔더 볼이나 비아를 방해하지 않는지 확인하십시오.

2. PCB 스택업 고려 사항 일반적인 구리 코인 PCB 스택업에는 다음이 포함됩니다. • 솔더 마스크 및 구성 요소 레이어 • 구리 패드/열 인터페이스 • 내장 PCB 구리 코인 • 프리프레그 + 내부 구리 레이어 • 하단 구리 레이어 또는 방열판 코인 모양 옵션: • 원형 • 직사각형 • 계단 모양(다중 레벨) • 구성 요소 설치 공간에 맞게 조정된 사용자 지정 형상

2. PCB 스택업 고려 사항

일반적인 구리 동전 PCB는 다음과 같은 구조로 제작됩니다.

•  솔더 마스크와 구성 요소 패드가 있는 최상층

•  패드 영역 아래에 내장된 견고한 PCB 구리 동전

•  프리프레그와 그 아래의 내부 구리 층

•  디자인에 따라 바닥 구리층 또는 방열판/금속 베이스

PCB 코인 자체는 원형, 직사각형, 계단형일 수 있으며, 구성 요소의 크기에 맞게 맞춤 제작될 수도 있습니다.

3. 구리 동전이 어떻게 삽입되는가

PCB 코인을 PCB에 내장하는 데 일반적으로 사용되는 방법은 세 가지입니다.

4. 일반적인 과제와 허용 범위

생산 중에 구리 동전 PCB는 몇 가지 문제에 직면할 수 있습니다.

•  적층 과정에서 동전이 움직이면 열 전달이 저하될 수 있습니다.

•  PCB 코인 주변의 수지가 넘치면 표면에 융기나 공동이 생길 수 있습니다.

•  노출된 PCB 구리는 산화를 방지하기 위해 처리해야 합니다.

•  코인은 PCB 내부 공간을 차지하기 때문에 라우팅이 더 어려워집니다. 특히 고밀도 또는 HDI 설계에서는 더욱 그렇습니다.

구리 코인 PCB의 응용

구리 코인 PCB는 방열 성능이 장비의 성능과 안전에 직접적인 영향을 미치는 산업에서 널리 사용됩니다.

결론

구리 코인 PCB는 현재 고전력 전자 기기에서 가장 효과적이고 안정적인 방열 방식 중 하나입니다. PCB 구리 코인을 회로 기판 내부에 직접 매립하여 열 저항이 매우 낮은 열 전도 경로를 형성합니다. 이를 통해 칩에서 발생하는 열을 더 빠르게 전달하고, 온도를 낮추며, 기기의 수명을 연장할 수 있습니다.

기존의 열전도성 비아 또는 MCPCB 금속 기판과 비교했을 때, 구리 코인 PCB는 열을 더 빨리 전도하고, 열 확산이 더 균일하며, 열 저항이 낮고, 차지하는 공간이 적으며, 전반적인 신뢰성이 더 높습니다.

전자 기기가 더 작고 강력해짐에 따라 이 기술의 중요성은 계속해서 커질 것입니다. 자동차 전장품 및 위성 시스템부터 5G 기지국 및 LED 조명 모듈에 이르기까지 PCB 코인은 방열 성능과 신뢰성 향상을 위한 이상적인 선택이 되었습니다.