오늘 다뤄볼 주제는 열유동해석 중 '전자장비'에 대한 것입니다.
전자장비에서는 PCB, 칩, 소자 등 다양한 부품이 존재하고 있습니다. 전자장비를 좀 더 명확하게 이해하고 이를 설계에 반영하는 것이 필요합니다.
설계를 할 때 가장 중요하게 생각하는 것은 발열부의 온도가 과연 어느 정도인가 입니다. 정확하게 이야기 한다면 Junction 온도가 어느 정도이고, 과연 성능 저하 혹은 화재의 위험이 있는지 판단하는 것이 중요합니다. 해석에서는 이를 어떻게 반영하는 것이 좋을까요?
인쇄회로기판과 열저항 모델을 사용하는 이유는 무엇일까요?
전자장비의 열해석에서 가장 핵심적인 요소는 부품 내부에서 발생하는 발열을 어떻게 외부로 전달하고, 그로 인한 온도 상승이 성능에 어떤 영향을 미치는지를 파악하는 것입니다. 특히, 반도체 패키지와 인쇄회로기판(PCB)은 온도 변화에 민감한 부품들이 밀집되어 있기 때문에, 이들의 열적 특성을 정확히 반영하는 것이 필수적입니다.
인쇄회로기판은 일반적으로 절연체와 도체가 교차 배치된 적층 구조를 가지고 있으며, 이로 인해 열전도 특성이 방향에 따라 달라지는 비등방성(Anisotropic)을 보입니다. 따라서 단순한 등방성 고체로 모델링하기보다는, 각 층의 두께와 도체 함유율에 따라 계산된 방향별 열전도도를 반영한 모델이 필요합니다. 이를 위해 PCB 전용 열물성 계산 기능이 제공되며, 실제 구조와 유사한 열거동을 모사할 수 있습니다.
반도체 패키지의 경우에는, 패키지 내부 구조가 복잡하고 열원이 칩 내부의 정션(junction)에 위치하기 때문에, 이를 직접 모델링하기 보다는 열저항 개념을 활용하는 것이 일반적입니다. 특히 θjb, θjc와 같은 열저항 값이 제공되는 경우, 2-열저항 모델을 사용하면 복잡한 내부 구조 없이도 정션 온도에 대한 예측이 가능하며, 간단한 입력만으로 정확한 해석 결과를 얻을 수 있습니다.
이러한 방식은 열해석에 드는 시간과 모델링 복잡도를 크게 줄여주며, 설계 초기 단계에서 다양한 발열 시나리오를 신속히 검토할 수 있는 장점을 가집니다. 따라서 실제 제품의 성능 예측과 신뢰성 확보를 위해서는 PCB와 반도체 패키지에 대한 적절한 열전달 모델을 선택하고 적용하는 것이 필수적입니다.
전자장비 열유동 해석에서 고려해야 할 사항은 어떤 것인가?
전자장비의 열유동 해석은 단순한 열전달 분석을 넘어, 실제 작동 조건에서의 열-공기 흐름 상호작용을 예측하는 것이 핵심입니다. 발열원은 대부분 전자부품 내부에 존재하며, 그 위치와 강도는 장비 전체의 냉각 성능에 결정적인 영향을 미칩니다. 따라서 해석 초기 단계에서는 발열 분포와 냉각 방식 (자연대류 또는 강제대류)을 명확히 정의하는 것이 중요합니다.
해석에 사용되는 모델을 단순히 형상을 모사하는 수준이 아니라, 회로기판과 반도체 패키지의 열전도 특성, 방열판이나 쿨링팬의 성능, 외부 유입 공기의 조건 등 실제 사용 환경과 밀접하게 연결되어야 합니다. 특히 밀폐형 전자장비의 경우 내부 공기의 순환 여부가 해석 정확도에 큰 영향을 주기 때문에, 유동 경로 설계 및 입출구 조건 정의가 필수입니다.
또한, 유체의 종류에 따라 열 전달 특성이 달라지기 때문에 이를 반영한 모델링이 필요합니다. 액체 냉각을 사용하는 경우에는 중력 영향을 고려한 3차원 유동 경로 설정이 중요하며, 기체 냉각의 경우에는 난류 조건, 팬 유량, 외부 공기 유입량 등을 고려해야 합니다.
냉각되는 유체의 종류만큼 열이 발생하는 고체의 input data 및 특성값, 등가 물성, 열저항 고려 등이 최종 평가하는 고체 발열원의 온도결과에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 반드시 유의해서 조건을 반영하는 것이 필요합니다.
이번 예제에서는 전자장비 내에 인쇄회로기판과 열저항 소자, 일반적인 체적발열을 가정한 소자 등 여러 모델을 구성하고 공기에 의한 강제대류 방열해석에 대해 이해하는 것을 목표로 합니다. 발열이 발생하는 대상에 유로가 잘 형성되고 있는지, 팬의 성능곡선, 타공판에서의 저항체로 인한 변화는 어떠한지, 주요 소자들의 온도결과는 어떠한지 등에 대해 확인합니다.
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