소형화, 고효율화, EMC와 더불어 중요 과제 : 열 설계기술의 상호 이해를 바탕으로 전체적인 열 설계가 중요

－「소형화」, 「고기능화」, 「디자인성」이라는 기술 트렌드의 변화 이외에 다른 요인은 없습니까?

기술 트렌드의 변화에 따라 발열 밀도가 높아지는 경향이 있음에도 불구하고, 자동차기기나 산업기기에서는 장수명화가 요구되고 있습니다. 반도체 부품뿐만 아니라 모든 부품에서, 동작 수명은 온도와 상관 관계가 있습니다. 단순히 말하자면 동작 시의 온도가 높을수록 수명은 짧아집니다. 반도체 부품은 나름대로 효율을 개선하여 소비전력을 삭감하고, 자기 발열 저감을 도모하고 있지만, 현실적으로는 더욱 강력한 방열 대책이 필요한 상황입니다.

그리고, 필연적인 요인으로 비용 삭감이 매우 까다로워졌다는 점을 들 수 있습니다. 단순히 부자재의 비용뿐만 아니라, 양산에 이르기까지의 리워크를 되도록 줄이기 위해, 설계 초기 단계부터 정밀도가 높은 열 설계가 요구되고 있습니다. 이에 따라 정보, 기술, 지식, 툴이 필요시되고 있으며, 이러한 사항을 완벽하게 사용할 수 있는 능력도 요구되고 있습니다. 양산에 이르기까지 프로토타입 평가에서 몇번이고 문제가 발견되어 프로토타입 제작을 2~3회 반복하게 되는 경우와, 초기 단계에서 열 설계를 확실하게 실시하여 프로토타입 평가가 한번에 끝나는 경우를 비교하면 소요 비용, 시간, 노동력의 차이가 매우 커지게 됩니다.

또한, 시장 클레임이나 리콜 등은 심각한 사회적 문제로 발전할 가능성이 있으므로, 막대한 비용뿐만 아니라, 사회적 신뢰를 실추시키는 사태가 벌어질 수도 있습니다. 실제로, 전자제품이나 자동차 분야에서는 열로 인해 발생한 사고나 리콜이 끊이지 않는 상황입니다.

이와 같이 발열의 증가에 따라 조건이 까다로워지고 있으므로, 기존보다 한차원 높은 안전성과 신뢰성을 실현할 수 있는 열 설계가 필요시되고 있습니다.

－잘 알겠습니다. 정리하자면, 기본적으로 필요한 열 설계이지만, 최근의 부품 및 기기의 소형화, 고기능화, 디자인성 요구에 따라, 기존의 열 설계 방법으로는 불충분한 케이스가 늘어나고 있기 때문에, 이에 대응하기 위해 고도의 기술, 지식, 정보, 툴이 필요하고, 이러한 사항을 완벽하게 사용해야 하는 등 열 설계가 고도화되고 있으므로, 최근의 과제로서 더욱 주목을 받고 있다는 것이네요.

그렇습니다. 덧붙이자면 비용 삭감, 시장 클레임 회피와 같은 요구에도 대응하기 위해, 기존보다 더 정밀도가 높은 열 설계가 필요한 것입니다.

－이러한 과제를 해결할 수 있는 제안이 있을까요?

제 경우에는, 고객을 대상으로 열 설계 세미나를 하거나, 개별 안건에 대해 열 설계 서포트를 실시하고 있습니다. 현장에서 직접 설계자와 과제에 대해 대화하다 보면, 기술적인 사항 이외에도 여러가지 떠오르는 것이 있습니다.

1개의 제품을 설계하기 위해서는 대략적으로 전자 회로 설계, 외장 부분이나 구조에 관련된 메커니즘 설계, 프린트 기판 설계, 소프트웨어 설계가 필요합니다. 회사에 따라서는 각각에 전문 기술자가 배치되어 있거나, 개별로 구분된 부문이거나, 1명의 기술자가 여러 부분을 담당하는 경우도 있습니다. 최근의 열 설계를 위해서는, 이러한 설계자 전원이 기존과는 열에 관한 상황이 달라짐에 따라 열 설계에 대한 접근 방법도 달라지고 있다는 공통된 인식을 지니는 것이 중요하다고 생각됩니다. 그리고 기술의 상호 이해를 바탕으로 전체적으로 열 설계를 진행한다면, 앞서 언급한 과제를 극복하여 요구 사항을 실현할 수 있을 것입니다.

－앞서 정밀도가 높은 열 설계를 위해 기술, 지식, 정보, 툴이 필요하다고 말씀하셨는데, 좀더 구체적으로 설명 부탁드립니다.

지식 면에서 예를 들자면, 전열 공학과 유체 역학을 모두 파악해 두면 도움이 됩니다. 최소한 전열 공학만이라도 알아두면 여러가지 접근 방법을 사용할 수 있습니다. 또한, 열 저항 회로망법에 대한 이해도 필요합니다.

그리고, 열 전도 시뮬레이터나 열 유체 시뮬레이터를 이용하는 것도 매우 효과적입니다. 열 설계를 위해서는 기본적으로 시뮬레이터가 필요합니다. 최근에는 사용이 편리한 시뮬레이터가 많이 보급되어 있습니다. 시뮬레이션에 필요한 열 시뮬레이션 모델은 부품 메이커에서 제공하는 것을 이용할 수 있습니다.

정보원으로는, JEITA (사단법인 전자정보기술 산업협회)의 반도체 패키징 기술 위원회 (링크 : 일본어)의 웹 사이트가 있습니다. 열 시뮬레이션에 필요한 모델을 입수할 수 없는 경우에는, 「반도체 패키지 열 파라미터 예측 툴 (링크 : 일본어)」을 이용하여 대처할 수 있습니다.

－로옴에서는 어떤 서포트가 가능한가요?

로옴에서는 앞서 소개한 JEITA의 반도체 패키징 기술 위원회에 참가하여, 열 저항에 관한 규격 개선이나 추가를 검토하고 있습니다. 각종 열 저항의 정의, 각종 파라미터에 따른 특성 변동, 이용 방법과 과제 등을 가이드라인화하여 운용하고 있습니다.

또한, 열 시뮬레이션용 모델도 제공 가능합니다. 열 저항 θ_JA와 θ_JC를 제공하고 있으며, JEDEC 기준, JESD51에 준거한 θ_JA, Ψ_JT, θ_JCtop, θ_JCbot도 제공 가능합니다. 그리고, 열 시뮬레이션 서포트 및 열 저항 측정 서포트를 개별적으로 대응하고 있으므로, 별도 문의하여 주십시오.

－그럼, 최총 정리를 부탁드립니다.

최근의 열 설계는 기술 트렌드의 변화에 따라 더욱 복잡해지고 있습니다. 이러한 상황을 충분히 이해한 후, 각 설계자 및 부문이 상호 이해도를 높이고 공동으로 대처해 나가는 것이, 비용 삭감과 동시에 제품의 신뢰성 및 안전성 향상으로 이어지게 됩니다.

본 Tech Web에서도 기초 지식 코너에서 열 설계에 관한 기사를 게재하고 있으므로, 많은 관심과 활용을 부탁드립니다.