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엔지니어 인터뷰

소형화, 고효율화, EMC와 더불어 중요 과제 : 열 설계

기술 트렌드의 변화에 따라
열 설계에는 역풍이 불고 있다.

-제1장-

주목 키워드
  • 소형화
  • 고효율화
  • EMC
  • 열에 관한 문제가 클로즈업
  • 열 설계가 중요 과제
  • 절대 최대 정격
  • Tjmax를 넘지 않도록 설계
  • 양산 공정에 가까워질수록 대책에 소요되는 시간과 비용이 증가
  • 초기 단계에서부터 정밀도가 높은 열 설계가 필수
  • 기술 트렌드의 변화에 따라
  • 열 설계 환경에는 역풍이 불고 있다
  • 고기능화
  • 디자인성
  • 부품의 소형화와 고집적화는 발열을 증가시킨다
  • 고밀도 실장
  • 발열 밀도
  • 소비전력
  • 디자인성 중시

최근 전자기기 설계에 있어서, 소형화, 고효율화와 더불어 노이즈 관련 EMC (전자 양립성) 대응 등이 과제가 되고 있습니다. 그리고 이와 더불어, 열에 관한 문제가 클로즈업되어 열 설계가 중요 과제로 떠오르고 있습니다. 열은 부품 및 기기의 성능이나 신뢰성, 그리고 안전성으로 이어지므로, 예전부터 중요 검토 사항 중 하나이기는 했지만, 최근에 더욱 주목을 받게 된 이유에 대해 알아보고자, 로옴 주식회사 시스템 솔루션 개발 본부의 아베 잇페이씨를 인터뷰하였습니다.

-열 설계의 과제에 대한 질문에 앞서, 먼저 열 설계의 정의와 필요성에 대해 설명해 주십시오.

기본적으로는 IC나 트랜지스터 등의 반도체 부품을 전제로 설명하겠습니다. 반도체 부품에는 절대 최대 정격이 정해져 있습니다. 온도와 관련된 항목으로서 Junction 온도, 즉 패키지 내부의 칩 온도인 Tjmax가 규정되어 있습니다. 당연한 사실이지만, 설계 시에는 Tjmax를 넘지 않도록 설계해야 합니다. 기기 전체적으로는 반도체 부품뿐만 아니라 콘덴서 및 저항 등에도 온도나 전력 손실에 관련된 절대 최대 정격이 있으므로, 이를 넘지 않도록 해야 합니다.

따라서, 열 계산 결과가 Tjmax를 넘는 경우 열 저항을 낮추거나 방열 성능을 높이는 방법을 통해 최대 정격 범위에 포함되도록 합니다. 이것이 바로 열 설계입니다.

설계 단계에서 열에 대한 대처를 확실하게 실시하지 않으면, 제품 프로토타입 제작 단계나, 경우에 따라서는 양산 직전에 열로 인한 문제가 발견되는 경우가 있습니다. 열에만 한정된 사항은 아니지만, 공정이 양산에 가까워질수록 대책에 소요되는 시간과 비용은 증가하며, 출하가 늦어지는 경우 기회 손실로도 이어지게 됩니다. 최악의 경우에는 시장 출시 후 문제가 발생하여 리콜이나 신용 문제로도 발전할 수 있으므로, 열 설계는 매우 중요할 뿐만 아니라, 초기 단계부터 정밀도가 높은 열 설계가 필수인 것입니다.

-열 설계의 중요성에 대해서는 잘 이해되었습니다. 그런데, 이런 부분은 예전부터 보편적으로 중요시되고 있는 항목이 아닌가요? 어째서 최근 들어 중요 과제로서 대두되고 있는 걸까요?

단적으로 말하자면, 최근 기기나 부품의 「소형화」와 「고기능화」에 따라 발열 밀도가 상승하고 있어, 기존의 열 대책 방법이나 열 계산 방법으로는 완벽하게 대응할 수 없는 케이스가 증가하고 있기 때문입니다.

-조금 더 구체적으로 설명해 주십시오.

먼저, 「기술 트렌드의 변화에 따라, 열 설계 환경에는 역풍이 불고 있다」는 점을 인식해 주십시오. 앞서 언급한 기기와 부품의 「소형화」와 「고기능화」, 그리고 「디자인성」과도 연관이 있습니다.

-그럼, 「소형화」부터 설명 부탁드립니다.

제품의 소형화 요구에 따라, 실장 기판, IC, 콘덴서 등도 소형화되고 있습니다. 부품의 소형화에 대한 흔한 예로서, 기존 TO-220과 같은 Through hole로 비교적 큰 패키지에 탑재된 IC 칩을, 훨씬 작은 표면 실장 패키지에 탑재하는 케이스가 있습니다.

그리고, 집적도를 높이는 방법도 있습니다. 1개의 IC 칩이 탑재된 패키지에 2개의 칩을 탑재하거나, 2개에 해당하는 칩을 탑재하는 것도 가능합니다. 이와 같은 부품의 소형화와 고집적화로 인해 발열이 증가하게 됩니다. 하기의 온도 분포를 나타내는 이미지는 동일한 전력을 소비하는 20×20×20mm의 패키지와 10×10×10mm의 패키지를 비교한 것입니다. 작은 패키지의 발열이 크다는 것을 명확하게 알 수 있습니다. 또한, 동일 사이즈의 패키지에서 칩이 1개인 경우와 2개인 경우의 차이점도 명확하게 알 수 있습니다.

그리고, 이와 같은 부품이 기판에 고밀도 실장되면 발열 밀도는 더욱 높아지고, 실장 면적이 줄어 유효 방열 범위도 감소하므로 기판 전체의 온도가 높아지게 되고, 발열이 적은 다른 부품의 온도까지 상승시키게 됩니다. 하기 이미지는 발열 부품이 밀집되면 기판 전체의 온도가 높아지는 것을 나타냅니다.

-「고기능화」는 어떤 영향이 있습니까?

기기의 기능을 높이기 위해서는 디바이스의 수를 늘리거나, 집적 규모가 더 크고 능력이 높은 IC를 사용하거나, 고속 처리 및 고주파화 등이 필요합니다. 그러나, 이로 인해 소비전력이 증가하고, 결과적으로는 발열이 증가하게 됩니다. 고주파화의 경우, 노이즈를 억제하기 위해 실드가 필요하지만, 실드 내부는 열이 축적됩니다. 그리고, 기능 향상을 이유로 기기 자체의 크기를 크게 할 수 없으므로, 기기 내부의 밀집도가 높아지고 이로 인해 온도가 상승하여 방열이 어려워집니다.

-「디자인성」이란, 무엇입니까?

제품의 차별화나 평가를 높이기 위해, 디자인을 중요시한 제품이 증가하고 있습니다. 경우에 따라서는 디자인을 우선시한 나머지 적절한 위치에 흡기 / 배기를 위한 구멍을 배치할 수 없어, 기기 내부의 온도가 상승하고 이로 인해 문제가 발생하는 예도 있습니다. 부품 역시 이러한 디자인성, 즉 외형의 자유도를 높이기 위해, 소형 및 박형화를 추진하고는 있지만, 그렇다고 하더라도 디자인을 더 우선시하는 케이스가 있습니다.

이와 같이 「소형화」, 「고기능화」, 「디자인성」에 따라 발열이 증가하고, 방열이 어려워지는 등, 열 설계는 더욱 까다로워지고 있습니다.

-제2장-

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