방열판: 설계에서 열을 제거하기 위한 단계별 가이드

방열판은 중요합니다! 회로 설계의 중요한 역할 중 하나는 BJT, MOSFET 및 선형 조정기에서 볼 수 있듯이 열이 전자 장치로부터 빠져나와 주변 공기로 배출되는 효과적인 경로를 제공한다는 것입니다.

방열판은 열을 발산하는 장치에 더 커다란 표면 공간을 만들고 그 과정에서 열이 더 효율적으로 전달되어 주변으로 분산되도록 하는 역할을 담당합니다. 장치의 열 방출 경로가 개선되면 부품 접합부에서 발생하는 모든 온도 상승이 완화됩니다.

이 기사에서는 방열판 제공업체가 제공하는 사양과 더불어 방열판 선택 문제와 장치 응용 제품의 열 데이터에 의존하는 문제를 심도 있게 논의할 예정입니다.

방열판이 필요하시나요?

이 기사에서는 관련 응용 제품에 TO-220 패키지의 트랜지스터가 포함되어 있으며 여기에서는 전도 및 전환 손실이 2.78W 내전력으로 동일하게 나타난다고 가정합니다. 또한 주위 작동 온도는 50°C를 넘지 않습니다. 이 트랜지스터에 방열판이 필요한가요?

우선 2.78W가 주위 공기로 흩어져 소멸하지 않게 방지할 가능성이 높은 모든 열 임피던스의 기능을 취합하여 완전히 이해해야 합니다. 열이 효율적으로 분산될 수 없는 경우 TO-220 패키지의 접합 온도는 원하는 최대 작동 온도 이상으로 상승하게 되어 응용 제품의 경우 125°C에 달하게 됩니다.

일반적으로 트랜지스터 공급업체는 °C/W 단위로 측정했으며 R_{θ J-A} 기호로 표시한 모든 접합부와 주위 사이의 열 임피던스를 기록합니다. 이 단위는 장치에 분산된 각 전력 단위(W)에 대해 TO-220 패키지 주변 주위 온도 이상으로 상승할 것으로 예상되는 접합 온도의 상승 폭을 나타냅니다.

이러한 상황을 고려하면 트랜지스터 제조업체가 접합부와 주위 사이의 열 임피던스를 62°C/W로 기록할 때 TO-220 패키지 내부에서 소산된 2.78W의 전력은 접합 온도를 주위 온도를 웃도는 172°C(2.78W x 62°C/W)로 상승하게 만듭니다. 최악의 경우 이 장치의 주위 온도가 50°C에 달한다고 가정하면 접합 온도는 222°C(50°C + 172°C)에 달하게 됩니다. 이는 지정된 최대 실리콘 온도 125°C를 훨씬 초과하기 때문에 방열판이 반드시 필요합니다.

응용 제품에 방열판을 연결하면 접합부와 주위 사이의 열 임피던스를 대폭 감소할 수 있습니다. 다음 단계에서는 안전하고 신뢰할 수 있는 작동을 제공하려면 얼마나 낮은 열 임피던스 경로가 필요한지 결정합니다.

열 임피던스 경로 설정

열 임피던스 경로를 결정하기 위해서는 최대한으로 허용되는 온도 상승 범위를 파악해야 합니다. 장치의 최대 주위 작동 온도가 50°C이며 이미 실리콘 접합부는 125°C 이하로 유지되어야 한다고 설정했으니 허용 가능한 최대 온도 상승 폭은 75°C(125°C - 50°C)입니다.

다음 단계로 접합부 자체와 주변 공기 사이의 최대 허용 열 임피던스를 계산합니다. 허용되는 최대 온도 상승이 75°C에 머무르며 TO-220 패키지 내부에 소산된 전력이 2.78W라면 최대 허용 열 임피던스는 27°C/W(75°C ÷ 2.78W)입니다.

마지막으로 실리콘 접합부부터 주변 공기까지의 모든 열 임피던스 경로를 합산한 총합이 최대 허용 열 임피던스보다 작은지 확인합니다. 이 총합은 위에서 계산한 바와 같이 27°C/W입니다.

그림 2: 일반적인 TO-220 응용 제품의 접합부와 주변 공기 사이에서 계산하여 추가해야 하는 열 임피던스의 그래픽 일러스트레이션

그림 2의 그래픽에서 필요한 첫 번째 열 임피던스는 R_{θ J-C} 기호로 표시한 ‘접합부와 케이스 사이’임을 확인할 수 있습니다. 이 예시의 TO-220에서 볼 수 있었듯이 이는 열이 생성되는 접합부로부터 열이 전달되어 장치 표면으로 배출되기가 얼마나 쉬운지를 의미합니다. 일반적으로 공급업체의 규격서에는 접합부와 주위 사이 값과 함께 이 임피던스가 열거됩니다. 여기에서 가정된 접합부와 케이스 사이의 열 임피던스는 0.5°C/W입니다.

필요한 두 번째 열 임피던스는 R_{θ C-S} 기호로 표시한 ‘케이스와 방열판 사이’로, 열이 장치의 외부 케이스에서 방열판 표면으로 얼마나 쉽게 전달되는지를 측량한 값입니다. 경우에 따라 두 표면은 불규칙하므로 TO-220 케이스의 표면과 방열판 베이스 사이에 열전소재(TIM 또는 ‘열 화합물’)를 적용하여 열적 관점에서 둘 모두가 완전히 이용되도록 하는 것이 좋습니다. TIM을 적용하려면 관련 열 임피던스를 고려해야 하지만 TO-220 표면에서 방열판으로 열이 훨씬 효율적으로 전달됩니다.

설명된 열전소재

일반적으로, TIM은 열전도율, 미터-섭씨당 와트(W/(m °C)) 또는 미터-켈빈당 와트(W/(m K))의 측정 단위를 특징으로 합니다. 이 예시에서 섭씨와 켈빈은 모두 온도의 상승과 하락을 계산하는 동일한 온도 측정의 증가를 사용하므로 호환 가능합니다. 예를 들어 온도가 45°C 상승한 것은 45K 온도 상승과 동일합니다.

TIM의 임피던스는 전체 면적(TIM이 덮여 있는 면적(m²))에 대한 두께(미터 단위의 TIM 두께)의 비율에 달려 있다는 사실로 인해 미터 단위가 포함되며 결과값은 1/m(m/m² = 1/m)입니다. 이 예시에서는 TO-220 케이스의 금속 탭 영역에 얇은 TIM 층이 덮여 있으며 특정 속성과 응용 제품 세부 정보는 다음과 같습니다.

TIM의 열 임피던스는 위에 열거된 속성을 이용하여 다음 방정식으로 계산할 수 있으며 일관성을 위해 미터가 사용됩니다.

방열판 선택

필요한 마지막 열 임피던스는 ‘방열판과 주위 사이’로, R_{θ S-A} 기호로 표시합니다. 이 계산은 열이 방열판 베이스로부터 주변의 공기로 얼마나 쉽게 전달되는지 보여줍니다.

이 예시에서는 장치가 공기 흐름 없이 자연스러운 대류 조건에서 작동된다고 가정합니다. 이 그래프는 이 특정 방열판의 최종 열 임피던스인 방열판과 주위 사이를 계산하는 데 사용될 수 있습니다. 주변 온도를 초과하는 표면 온도 상승 폭을 소산된 열로 나누면 해당 특정 작동 조건에서의 열 임피던스 결과값이 도출됩니다. 여기에서 분산된 열은 2.78W이므로 주위 온도를 초과하는 표면 온도 상승은 53°C입니다. 53°C를 2.78W로 나누면 19.1°C/W의 방열판과 주위 사이의 열 임피던스 결과값이 나옵니다.

이전 계산에서 접합부와 주위 공기 간에 허용되는 최대 임피던스는 27°C/W였습니다. 접합부와 케이스 사이의 임피던스(0.5°C/W)와 케이스와 방열판 사이의 임피던스(0.45°C/W)를 제하면 방열판에 대한 최대 허용값은 26.05°C/W(27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W)로 계산됩니다.

이 예시의 목적을 따져볼 때 가정된 조건에서 이 방열판의 열 임피던스인 19.1°C/W는 앞서 계산된 26.05°C/W의 허용치에 한참 못 미칩니다. 이는 TO-220 패키지 내부의 실리콘 접합 온도가 낮으며 설계에 폭넓은 열 마진이 있음을 의미합니다. 또한 접합부의 최대 온도는 대략 다음과 같이 모든 열 임피던스를 모두 더한 값에 접합부에서 소산된 와트 수를 곱한 후 마지막으로 이를 최대 주위 온도에 더한 것과 같습니다.

여기에 소개된 예시는 응용 제품의 열 관리에서 방열판이 얼마나 중요한 역할을 하는지를 보여줍니다. 방열판을 생략할 경우 TO-220 패키지 내부의 실리콘 접합부 온도는 설계에서 규정된 한계인 125°C를 훌쩍 초과하게 됩니다. 여기에 사용된 공정은 수정 및 반복되어 다양한 응용 제품에 적합한 크기를 가진 올바른 방열판을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.

결론

방열판은 열이 전자 장치로부터 주변 공기로 전달되도록 효율적인 경로를 제공한다는 사실로 인해 회로 설계에서 중대한 역할을 합니다. 장치 내부로 소산된 전력과 함께 주변 환경의 최대 온도를 식별함으로써 너무 작아서 소진을 유발하거나 너무 커서 비용 낭비가 되지 않도록 방열판 선택을 최적화할 수 있습니다. 또한 두 표면 사이에서 열을 효율적이고 일관적으로 전달하는 동안 TIM이 수행하는 중대한 역할도 고려하세요.