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2021.04.21 열 설계

기술 트렌드의 변화와 열 설계

전자기기의 반도체 부품 열 설계

지난 편에서는 「열 설계란?」이라는 제목으로, 열 설계의 중요성에 대해 간단히 설명했습니다. 이번에는 조금 더 구체적으로 설명하겠습니다.

기술 트렌드의 변화와 열 설계

최근의 기술 트렌드로서 「소형화」「고성능화」「디자인성」이 주목받고 있습니다. 이러한 기술 트렌드가 열 설계에 미치는 영향에 대해 설명하겠습니다.

「소형화」

제품의 소형화 요구에 따라, IC, 실장 기판, 기타 콘덴서와 같은 부품에서도 소형화가 추진되고 있습니다. 반도체 부품의 소형화는, 예를 들어 기존의 TO-220과 같은 Through Hole로 비교적 큰 패키지에 탑재된 IC 칩을, 이보다 훨씬 작은 표면 실장 패키지에 탑재하는 방법이 있으며, 이러한 방법은 최근 흔히 사용되고 있습니다.

또한, 집적도를 높이는 방법도 사용되고 있습니다. 예를 들어, 동일한 패키지에 탑재하는 IC 칩을 2개 탑재하는 듀얼화, 또는 2개에 해당하는 칩을 탑재함으로써 집적도를 높여 기능 대 면적비를 높이는 방법 등이 실시되고 있습니다.

이와 같은 부품의 소형화와 고집적화는 발열을 증가시키게 됩니다. 하기는 실제 예입니다. 왼쪽 열 화상은 패키지 소형화의 예로, 동일한 전력을 소비하는 20×20×20mm 패키지와 10×10×10mm 패키지의 비교 예입니다. 작은 패키지 쪽이 고온을 나타내는 적색이 집중되어 있는 것을 알 수 있으며, 이는 발열이 크다는 의미입니다. 오른쪽은 고집적화의 예로, 동일 사이즈의 패키지에서 칩이 1개인 것과 2개인 것을 비교한 것입니다. 온도의 차이가 명백하게 나타나는 것을 알 수 있습니다.

또한, 소형화 & 고집적화된 부품을 소형 기판에 고밀도로 양면 실장하여, 하우징 내부에 기판을 빽빽하게 배치하는 고밀도 실장도 실시되고 있습니다.

고밀도 실장의 경우, 기판에 방열하는 표면 실장 부품의 유효 방열 범위가 감소하여 발열이 증가합니다. 하우징 내부의 주위 온도가 높은 경우에도 방열 가능한 열은 줄어듭니다. 결과적으로 기존에는 발열 부품 주변만 고온이었지만, 기판 전체가 고온이 됩니다. 이로 인해 발열이 작은 부품의 온도까지 상승하게 됩니다.

「고기능화」

기기의 기능을 향상시키기 위해서는 디바이스 수를 늘리거나, 집적 규모가 더 크고 고성능의 IC를 사용하거나, 데이터의 고속 처리, 신호의 고주파화 등 여러가지 대책이 필요합니다. 그러나 이러한 방법은 소비전력을 더 많이 필요로 하므로, 결과적으로는 발열이 증가하게 됩니다. 또한, 고주파를 취급하는 경우, 노이즈의 방사를 억제하기 위해 실드가 필요한 경우가 많습니다. 실드 내부는 열이 축적되므로, 실드 내부의 디바이스에 있어서 온도 조건은 악화됩니다. 그리고, 기능 향상을 이유로 기기의 사이즈를 크게 할 수는 없으므로, 앞서 기술한 고밀도 상태가 되어 하우징 내부의 온도가 상승하게 됩니다.

「디자인성」

제품의 차별화나 미적 어필을 위해, 디자인을 중시하거나 우선시하는 제품이 많아지고 있습니다. 그러나, 이로 인해 과도하게 고밀도 실장되거나 적절한 배열 (排熱)이 불가능해짐에 따라 하우징 내부의 온도가 높아져 문제시되는 예가 있습니다. 쉽게 말하자면, 휴대기기를 손에 쥐면 뜨겁다고 느껴지는 것을 예로 들 수 있습니다. 부품은 디자인성, 즉 외형의 자유도를 높이기 위해 소형 / 박형화와 같은 대응을 하고 있지만, 디자인성을 더 우선시하는 케이스도 많습니다.

발열이 증가하여 방열이 어려워지는 것만이 문제는 아니다

지금까지 설명한 바와 같이 「소형화」「고기능화」「디자인성」과 같은 기술 트렌드의 변화에 따라 발열이 증가하는 반면 방열은 어려워지고 있습니다. 따라서 열 설계에는 까다로운 조건과 요구가 부여되고 있습니다. 이는 분명히 큰 문제이기는 하지만, 한가지 더 검토해야할 사항이 있습니다.

대부분의 경우, 각 회사마다 기기 설계 시의 열 설계 평가 기준이 있을 것이라고 생각합니다. 만약 그 평가 기준이 오래되어 현재의 기술 트렌드가 고려되지 않은 경우, 평가 기준 자체가 문제가 될 수 있습니다. 이러한 평가 기준을 따르는 경우, 큰 문제가 발생할 가능성이 있다는 것을 인식해야 합니다.

기술 트렌드의 변화에 대응하기 위해서는, 열 설계의 평가 기준에 대한 검토도 필요합니다.

키 포인트

・최근의 기술 트렌드로서 「소형화」「고성능화」「디자인성」이 주목받고 있다.

・이러한 기술 트렌드에 따라, 발열이 증가하는 반면 방열은 어려워지므로, 열 설계가 어려워진다.

・기존의 열 설계 평가 기준이 현재의 트렌드에 대응하는 것인가에 대한 검토도 중요하다.

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