써멀 패드는 뜨거운 부품과 방열판 사이의 절연 공극을 열을 전달하는 유연하고 단단한 경로로 대체하여 PCB 성능을 향상시킵니다. Trumonytechs에서는 이러한 써멀 패드를 제작합니다. 열 패드 및 액체 냉각판 더 넓은 범위의 일부로서 열 인터페이스 재료 배터리 팩 및 전력 전자 어셈블리용 적층 구조입니다. 따라서 열 엔지니어에게 있어 실제 문제는 열 관리 여부가 아니라, 간격, 체결 응력 및 보드에 실제로 필요한 절연에 적합한 인터페이스 재료를 찾는 것입니다.
아래 섹션에서는 PCB에서 써멀 패드의 작동 원리, 열전도율, 두께 및 전기 절연성을 고려한 써멀 패드 선택 방법, 써멀 페이스트보다 써멀 패드가 더 나은 경우, 그리고 성능 저하 없이 써멀 패드를 설치하는 방법에 대해 설명합니다. 단, 콜드 플레이트 채널 설계, PCB 구리 및 써멀 비아 레이아웃, 셀 포맷 또는 압력 강하와의 절충점, 특정 Trumonytechs 모델의 데이터시트 값은 다루지 않습니다. 이러한 사항들은 보드와 팩에 따라 달라지며, 경우에 따라 개별적으로 결정됩니다.
열 인터페이스 재료 소개
열전도성 소재는 접합면에서 발생하는 열을 전달하여 접합 부위를 공기층으로 채웁니다. 열 패드는 이러한 소재의 대표적인 고체 성형 제품입니다. 평평해 보이는 두 접합면은 실제로는 몇몇 돌출된 지점에서만 접촉하기 때문에 접합면의 나머지 부분은 공기로 채워집니다. 공기는 열전도율이 매우 낮아 약 0.026 W/m·K에 불과하지만, 공기와 분리된 금속은 공기보다 수백 배 높은 열전도율을 보입니다. 이렇게 형성된 얇은 공기층이 전체 접합면의 열 저항에 큰 영향을 미칩니다.
패드가 양쪽 면을 전기적으로 절연하는지 여부는 제품 카테고리가 아닌 제품 자체에 따라 다릅니다. 많은 패드는 실리콘 또는 비실리콘 바인더에 세라믹이나 금속 산화물과 같은 충전제를 첨가하여 절연성을 유지하면서 열 전달을 향상시킵니다. 반면 흑연과 같은 전도성 충전제를 사용하는 패드는 절연성이 없습니다. "써멀 패드"라는 단어나 충전제 이름만으로 절연성을 판단하지 마십시오. 패드가 노출된 핀이나 트레이스에 닿을 수 있는 경우, 절연 여부를 반드시 확인해야 합니다. 전기 전도성 정격 절연 강도를 확인하십시오.
PCB 열 관리가 신뢰성에 영향을 미치는 이유는 무엇일까요?
열이 제대로 관리되지 않으면 부품이 정격 온도를 초과하여 기판 재료 간의 열팽창 불일치가 발생할 수 있습니다. 반도체, 커패시터 및 집적 회로는 각각 작동 온도 범위를 가지고 있습니다. 이 범위를 벗어나 작동하면 완전한 고장이 발생하기 전에 전기적 동작이 변할 수 있으므로, 사양에서 벗어난 정도의 온도 변화만으로도 타이밍이나 메모리에 문제가 발생할 수 있습니다.
열 사이클링은 더 느린 경로를 추가합니다. 구리, 라미네이트, 솔더 및 부품 본체가 서로 다른 속도로 가열 및 냉각되면 이러한 불일치가 접합부에 기계적 응력으로 나타납니다. 충분한 사이클이 반복되면 이러한 응력으로 인해 솔더에 균열이 생기거나 패드가 들뜰 수 있습니다. 어셈블리가 견딜 수 있는 사이클 수는 장치 정격, 온도 구배 및 사이클 범위에 따라 달라지는데, 이것이 핵심적인 이유입니다. 열 관리 문제 고밀도 PCB에.
PCB 열 전달 경로에서 써멀 패드의 위치
써멀 패드는 열 발생 부품과 방열판 또는 냉각판 사이의 접촉면이라는 특정한 위치에만 존재합니다. 써멀 패드의 역할은 표면의 거칠기와 평탄도 오차로 인해 발생하는 미세한 틈을 메우는 것입니다. 실제 조립에서 두 면은 결코 완벽하게 평평하지 않기 때문에, 써멀 패드는 클램핑 압력 하에서 밀착되어 전체 면적에 걸쳐 접촉을 유지해야 합니다. 써멀 패드는 견고한 방열판이 자체적으로 메울 수 없는, 측정 가능하고 반복 가능한 틈이 있는 곳이라면 어디든 제 역할을 다합니다.
높은 열 부하의 경우, 패드는 더 긴 열 전달 경로의 한 단계일 뿐입니다. 전기차나 에너지 저장 배터리 팩에서 열은 종종 보드 레벨 장치나 전력 모듈에서 패드를 통해 방열판이나 구조 부재로 이동한 다음 액체 냉각 루프로 전달됩니다. Trumonytechs는 이러한 역할을 수행합니다. 액체 냉각판 후속 단계에서는 패드 뒤쪽의 방열판이나 냉각판의 크기를 조정하여 부하를 감당할 수 있도록 하고, 패드를 부품에서 지속적으로 열을 방출하는 인터페이스로 간주해야 합니다.
단열 패드 선택 시 고려 사항: 전도성, 두께 및 절연성
패드 선택은 데이터시트가 아닌 접합부에서부터 시작해야 합니다. 먼저 간격과 필요한 절연을 확정한 다음, 그에 맞는 전도율과 두께를 선택하십시오. 이 세 가지 변수는 서로 연관되어 있으며, 데이터시트에서 하나의 수치만 읽는 것은 설계에 필요한 정보를 제대로 제공하지 못하는 가장 흔한 방법입니다. 아래 하위 섹션에서는 일반적으로 중요한 순서대로 이러한 변수들을 다룹니다.
열 전도성
전체 전도율이 높을수록 패드의 열 저항 비율은 낮아지지만, 데이터시트에 표시된 수치는 시험 방법에 따른 값이며 자유 공간에서의 실제 특성은 아닙니다. 시판되는 패드는 필러 시스템에 따라 일반적으로 약 1.5~15 W/m·K 범위의 열 저항 값을 가지며, 필러 함량이 높은 복합재를 사용할수록 수치가 높아집니다. 이러한 값은 일반적으로 ASTM D5470과 같은 정상 상태 표준 시험 방법을 사용하여 측정되며, 이는 ASTM International에서 개발한 열전도성 전기 절연 재료의 열 전달 특성을 측정하는 시험 방법입니다. 두 패드는 동일한 방식으로 측정되었을 때만 비교 가능합니다. 명시된 W/m·K 값은 참고 자료로 활용하고, 실제 열 저항은 자체적인 압력 및 접착 조건에서 확인하십시오.
두께 및 압축
패드 두께를 간격에 맞추고 압축할 계획을 세우십시오. 패드는 일반적으로 약 0.5mm에서 수 밀리미터까지 다양한 두께로 제공됩니다. 패드는 일반적으로 공칭 간격보다 약간 두껍게 선택하여 클램핑 시 압축되도록 하는데, 제조업체 데이터시트에 따르면 보통 20~50% 정도 압축합니다. 이 압축으로 공기가 빠져나가고 패드가 양쪽 면에 밀착됩니다. 정격 압축률을 넘어서 더 얇은 본딩 라인을 얻으려고 하면 한계가 있습니다. 열 이득이 더 이상 증가하지 않을 수 있으며, 추가 부하가 부품과 그 아래의 솔더 조인트로 전달될 수 있습니다.
전기 절연 및 호환성
패드가 노출된 도체에 닿는 부분에서는 절연체를 게이트처럼 취급해야 합니다. 패드가 핀이나 트레이스에 닿을 수 있는 경우, 절연 파괴 없이 작동 전압을 견뎌야 합니다. 이러한 위치에서는 절연 강도 또는 체적 저항률과 시험 조건이 명시된 절연 제품을 선택해야 합니다. 제품 종류나 충전재 이름만으로 절연성을 가정하지 마십시오. 실리콘 기반 패드 이러한 패드는 우수한 절연 특성과 규정 준수를 결합하기 때문에 널리 사용되지만, 온도, 가스 방출 또는 오일 누출, 패드 접촉 재료 및 설계 수명에 대한 호환성을 검증해야 합니다. 전체 사용 수명 동안 호환성이 유지될 것이라고 가정해서는 안 됩니다.
써멀 패드 vs 써멀 페이스트
간격이 실제로 존재하고 반복적으로 발생한다면 써멀 패드를 사용하는 것이 좋고, 접촉면이 거의 평평하고 가장 얇은 접착선이 필요한 경우에는 써멀 페이스트가 더 적합할 수 있습니다. 둘 다 효과적입니다. 열 인터페이스 옵션, 그리고 선택은 특정 전도율 수치보다는 접합부의 기하학적 구조와 생산 공정을 더 고려한 결과입니다.
| 요인 | 써멀 패드 | 써멀 페이스트 |
|---|---|---|
| 갭이 잘 어울립니다 | 측정 가능하거나, 불규칙하거나, 허용 오차에 따른 간격 | 작고 평평하며 잘 제어된 틈새 |
| 본드 라인 | 더 두껍게; 패드 두께와 압축률에 따라 설정됩니다. | 더 얇아서 더 낮은 저항값을 얻을 수 있습니다. |
| 조립 및 취급 | 모양대로 자르고, 제자리에 놓고, 고정합니다. 깨끗하고 미리 성형된 위치에 놓습니다. | 분배 및 확산; 압박과 관리가 필요합니다 |
| 재작업 시 재사용 | 상태에 따라 다릅니다. 압축 변형이나 손상이 있는 패드는 일반적으로 공급업체 지침에 따라 교체됩니다. | 일반적으로 재적용됨 |
| 열순환 위험 | 압축 변형이나 크리프 현상이 발생할 수 있습니다. 제형 및 조건에 따라 확인하십시오. | 여러 주기에 걸쳐 펌핑할 수 있으며, 제형 및 조건에 따라 검증할 수 있습니다. |
간격이 고르지 않거나 공차가 큰 경우에는 패드가 간격을 균일하게 채워주기 때문에 생산 과정에서 반복성이 더 높은 경우가 많습니다. 인터페이스가 평평하고 저항을 최소화하는 것이 우선인 경우에는 페이스트가 더 적합할 수 있지만, 이때는 공정에서 압력을 제어하고 열 사이클 동안의 펌프아웃을 고려한 설계가 필요합니다. 특정 재료 및 작동 조건에 따른 재사용 및 사이클링 성능을 확인해야 합니다. 재사용 및 사이클링 성능은 재료 카테고리에서 보장되지 않습니다.
설치 단계 및 일반적인 실수
패드의 성능은 설치 과정에서 결정되며, 깨끗하고 평평한 접촉면에서 시작됩니다. 대부분의 손실은 몇 가지 피할 수 있는 실수에서 비롯되므로, 아래 순서를 따르면 부품에서 방열판까지 열 경로가 온전하게 유지됩니다.
- 패드와 금속 사이에 먼지, 기름 또는 잔여물이 남지 않도록 양면을 모두 깨끗하게 닦으십시오. 오염 물질이 있으면 제거하려는 부분에서 저항이 커지기 때문입니다.
- 접촉 면적을 측정하고 패드를 늘리지 않고 전체 면적을 덮도록 자르십시오. 늘리면 재질이 얇아지고 특성이 변하기 때문입니다.
- 보호 필름을 제거하고 패드를 부품 위에 접히거나 겹치지 않도록 평평하게 놓으십시오. 접히거나 겹치면 공기가 갇혀 과열 지점이 발생할 수 있습니다.
- 패드를 제자리에 고정하고 갇힌 공기를 빼내어 패드의 정격 압축 범위 내로 압축률을 유지하려면 균일한 압력을 가하십시오.
- 방열판 또는 냉각 모듈을 정확하게 장착하고 지정된 클램프 또는 나사를 사용하여 고정하여 접촉 압력이 일정하게 유지되도록 하십시오.
- 틈이나 정렬 불량을 검사하고, 중요한 경우 부하 상태에서 온도를 모니터링하여 인터페이스가 제대로 작동하는지 확인합니다.
흔히 발생하는 실수는 패드를 늘리거나, 패드 아래에 공기층을 남기거나, 과도하게 조이는 것입니다. 패드를 늘리거나 공기층을 남기면 저항이 직접적으로 증가하고, 과도하게 조이면 약간의 열 이득을 얻는 대신 부품에 기계적 부하가 가해집니다. 패드를 제거해야 하는 경우, 패드의 상태를 확인해야 합니다. 압축 변형이 발생했거나 손상된 패드는 일반적으로 공급업체의 지침에 따라 재사용하지 않고 교체해야 합니다.
결론
써멀 패드는 접합부에 정확하게 맞춰 사용해야만 PCB 성능을 향상시킬 수 있습니다. 먼저 접합부와 필요한 절연 강도를 확인하고, 정격 범위 내에서 해당 접합부에 압축될 수 있는 두께의 써멀 패드를 선택하십시오. 또한 명시된 W/m·K 값은 ASTM D5470과 같은 시험 방법에 따른 비교 수치로 간주해야 합니다. 특히 마지막 부분은 쉽게 간과할 수 있는데, 데이터시트에 표시된 수치가 높다고 해서 실제 조립 시 저항이 낮아지는 것은 아니므로 실제 압력과 접합선에서 열 저항을 확인해야 합니다.
패드, 갭 필러 또는 콜드 플레이트를 특정 보드 또는 배터리 팩에 맞춰야 하는 경우, Trumonytechs에 문의 간격, 압력 및 절연 제약 조건을 극복하고 이에 맞는 인터페이스 재료를 사용하여 작업을 진행합니다.
자주 묻는 질문
밀폐된 케이스 안의 파워 모듈에는 써멀 패드와 써멀 페이스트 중 어느 것이 더 좋을까요?
틈새 크기에 맞는 접착제를 선택하십시오. 패드는 측정 가능한 틈새나 불규칙한 틈새에 적합하며 열 사이클 동안 위치를 안정적으로 유지합니다. 반면 페이스트는 가장 얇은 접착선이 중요한 거의 평평한 인터페이스에 적합합니다. 실제 틈새와 클램핑 공차가 있는 협소한 공간에서는 일반적으로 패드가 생산 과정에서 더 높은 재현성을 제공합니다.
써멀 패드는 얼마나 두꺼워야 할까요?
패드는 간격보다 약간 두꺼운 것을 선택하여 클램핑 시 패드가 밀착되도록 하십시오. 일반적으로 제품 사양서에 명시된 20~50% 범위가 적합합니다. 패드가 너무 얇으면 공극이 남고, 너무 두꺼우면 압축 시 기계적 하중이 증가합니다.
써멀 패드 데이터시트에 나와 있는 W/m·K 값을 신뢰할 수 있을까요?
이 값은 ASTM D5470과 같은 시험 방법에 따라 측정된 기준값으로 간주해야 하며, 실제 적용 시 보장되는 값으로 여겨서는 안 됩니다. 두 패드는 동일한 방식으로 특성화되었을 때만 비교 가능하므로, 실제 작동 압력 및 접착선에서 열 저항을 확인하십시오.
열전도율이 높을수록 냉각 성능이 항상 더 좋은 것일까요?
아니요. 실제 열 저항은 접착층 두께, 접촉 압력, 패드가 틈새를 얼마나 잘 메우는지에도 영향을 받습니다. 전도성이 높은 패드라도 제대로 밀착되지 않으면, 전도성이 낮은 패드라도 완전히 밀착될 경우 성능이 떨어질 수 있습니다.
써멀 패드는 언제 점검하거나 교체해야 할까요?
정해진 일정에 얽매이지 말고, 상태에 따라 점검 또는 교체를 진행하십시오. 부품 온도가 상승하거나, 분해 후, 또는 패드에 압축 변형, 건조, 균열, 접촉 불량이 발생할 경우 점검하고, 공급업체의 서비스 수명 및 재작업 지침을 따르십시오. 밀봉형 또는 수리 불가능한 어셈블리의 경우, 현장 점검을 계획하는 대신 설계 검증 단계에서 인터페이스 전략을 수립하십시오.
추가 자료
- ASTM D5470-17, 열전도성 전기 절연 재료의 열전달 특성 측정을 위한 표준 시험 방법 — ASTM 국제 표준. 열 패드에 표기된 W/m·K 및 열 저항 수치의 정상 상태 측정 방법을 정의하므로, 데이터시트에 표시된 전도도가 시험 방법에 따른 값이라는 점을 뒷받침합니다.
- 고출력 전자 장치의 열 관리를 위한 열 인터페이스 재료의 최근 발전 동향 — 동료 심사 논문, Nanomaterials(2022). TIM 유형 및 전도도 범위를 조사하여 일반적인 상업용 패드와 연구용 소재 간의 차이점을 뒷받침합니다.
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