알루미늄 PCB: 열 설계 및 재료

하나의 알루미늄 PCB 는 구리 회로, 전기적으로 절연되는 열전도 유전체, 알루미늄 베이스를 결합한 인쇄 회로 기판입니다. 유전체는 회로를 전기적으로 분리하면서 열을 금속 쪽으로 전달합니다. 기판과 장착 인터페이스, 냉각 표면이 적절한 방열 경로를 이룰 때 이 구조는 LED 조명과 전력 전자 장치에 유용합니다.

기판을 선택할 때는 전체 방열 경로를 확인해야 합니다. 유전체의 열전도율이 높으면 도움이 될 수 있지만, 그 효과는 두께와 열 전달 면적, 조립체의 다른 부분에서 발생하는 열저항에 따라 달라집니다.

핵심 요점

• 일반적인 알루미늄 베이스 기판은 유전체를 통해 열을 전달하고, 동시에 구리와 금속 베이스를 전기적으로 절연합니다.
• 열전도율과 함께 유전체 두께와 열저항을 비교하세요. 열전도율 수치만으로는 부품 온도를 예측할 수 없습니다.
• 아래의 예시에서는 방열판을 개선했을 때 유전체의 열전도율을 두 배로 높였을 때보다 계산된 접합 온도가 더 많이 낮아집니다.
• 제조 파일을 전달하기 전에 전기 절연, 홀 구조, 장착 인터페이스를 지정하세요.

알루미늄 PCB란?

알루미늄 코어 PCB는 금속 코어 PCB의 한 종류로, 절연 금속 기판(IMS)이라고도 합니다. 이 구조에서 알루미늄은 지지 금속이며, 에칭된 구리가 회로를 형성합니다. 표기법 알루미늄 PCB 은 같은 종류의 기판을 가리킵니다.

흔히 쓰이는 단면형은 금속 베이스에 접합된 절연 유전체 위에 부품과 구리 배선을 배치합니다. TCLAD’의 절연 금속 기판 정보 에는 이 회로, 유전체, 금속 베이스의 조합이 설명되어 있습니다.

알루미늄 LED PCB는 이러한 적층 구조를 통해 LED의 열 패드를 더 넓은 냉각 표면에 연결할 수 있습니다. 전력 변환 설계에도 같은 원리를 적용할 수 있지만, 배선 및 절연 요구 사항이 해당 구조에 맞아야 합니다. 금속 베이스를 사용하더라도 부품 온도와 전기적 간격, 냉각 조건을 확인해야 합니다.

적층 구조: 구리, 유전체, 알루미늄 베이스

각 층의 역할

각 층은 서로 다른 역할을 합니다. 구리는 전기적 연결을 제공하고 국부적으로 열을 확산합니다. 유전체는 전기적 분리를 제공하면서 두께 방향으로 열을 전달합니다. 알루미늄 베이스는 기판을 지지하고 장착 표면 쪽으로 열을 확산합니다.

층	주요 기능	선택 시 확인할 사항
구리 회로	전류를 전달하고 열을 국부적으로 분산합니다	구리 배선 형상이 전기적·열적 요구 사항을 충족하나요?
열전도 유전체	회로를 베이스와 절연하고 열을 전달합니다	두께, 열저항, 절연 특성이 서로 적절하게 조합되어 있나요?
알루미늄 베이스	기판을 지지하고 열을 확산합니다	베이스가 기계적 요구 사항과 냉각 인터페이스에 맞나요?

단면형 및 더 복잡한 구조

두 번째 회로층이나 하이브리드 구조를 추가하면 전기적 연결이 도전성 베이스를 통과하거나 그 주위를 지나가는 방식이 달라집니다. 절연된 상호 연결부에는 구조를 명확히 정의해야 합니다. 다층 알루미늄 기판을 금속 백킹이 있는 FR4 기판처럼 취급하기 전에 해당 구조를 확인하세요.

직접 열 경로 설계는 별도의 선택지입니다. 일부 부품 패드를 금속과 다른 방식으로 연결할 수 있습니다. 이 경우 패드의 전위와 절연을 검토해야 합니다. 일반적인 유전체 백킹 구조에 대한 가정을 그대로 적용할 수는 없습니다.

열전도율은 방열 경로의 한 요소일 뿐입니다

중요한 열 관련 질문은 예상 발열량에서 부품 온도가 얼마나 상승하는가입니다. 열전도율은 재료의 특성입니다. 열저항은 특정 형상이나 조립체의 특성이며 K/W로 표시합니다. 이는 온도 차이에 대해 °C/W와 같습니다.

두께와 면적을 사용해 유전체의 열저항 계산하기

균일한 층을 통한 정상 상태의 1차원 열전도에서 MIT에서 설명하는 열저항 관계식 은 다음과 같습니다:

Rθ = t / (k × A)

여기서 t 는 두께(미터), k 는 열전도율(W/(m·K))이며, A 는 유효 열 전달 면적(제곱미터)으로 가정한 값입니다. 유효 면적이 기판 전체 면적과 자동으로 같아지는 것은 아닙니다.

다음과 같은 가상의 유전체를 생각해 보세요:

• 두께: 100 µm = 0.0001 m.
• 열전도율: 1.5 W/(m·K).
• 유효 면적: 100 mm² = 0.0001 m².

이상적인 두께 방향 열저항은 0.667 K/W입니다. 두께와 면적을 고정한 상태에서 열전도율을 3.0 W/(m·K)로 두 배 높이면 0.333 K/W이 됩니다. 두께와 열전도율을 모두 두 배로 하면 원래의 0.667 K/W.

이 값들은 교육용 입력값이며, 재고가 있는 소재나 전기적 특성이 서로 대체 가능한 옵션이 아닙니다. 공급업체의 열저항 수치는 면적으로 정규화되어 있을 수도 있습니다. TCLAD의 절연 재료 표에는 HT의 열전도율이 2.2 W/(m·K)로 기재되어 있으며, 두께 75 µm에서 열저항은 0.05 °C·in²/W, 100 µm에서는 0.077 °C·in²/W입니다. 이 단위는 완성된 보드의 K/W가 아닙니다. 표에는 측정 방법이 명시되어 있지 않으며, 해당 열저항 값이 이상적인 평판 계산을 따른다고 단정할 수 없습니다. 최신 등급별 데이터시트를 구하고 동일한 시험 조건끼리 비교하세요.

접합부-주변 환경 열 예산 계산하기

하나의 지배적인 직렬 경로를 통해 소산되는 열 5 W가 다음 온도의 공기로 40°C전달된다고 가정합니다. 다음 열저항은 이 예시를 위해 설정한 가상의 유효값이며, 측정값이나 데이터시트에서 가져온 값이 아닙니다.

가정한 열 경로의 일부	열저항
접합부에서 부품 열 패드까지	1.000 K/W
솔더 및 국부 구리 확산	0.400 K/W
위에서 계산한 절연층	0.667 K/W
알루미늄 베이스의 기여분 및 방열판과의 계면	0.300 K/W
방열판에서 주변 환경까지	4.000 K/W
합계	6.367 K/W

이 단순화된 네트워크에서 Tj = Ta + Pheat × Rtotal입니다. 계산된 접합부 온도는 40 + 5 × 6.367 ≈ 71.8°C.

설계 변경 두 가지 비교하기

다른 값을 고정한 채 한 번에 하나의 입력값만 변경합니다:

시나리오	총 열저항	계산된 접합부 온도	기준값 대비 감소량
기준	6.367 K/W	71.8°C	기준값
절연층 열전도율 두 배로 높이기	6.033 K/W	70.2°C	1.7°C
방열판-주변 열저항을 4에서 2 K/W로 낮추기	4.367 K/W	61.8°C	10.0°C

가정한 열 예산에서 방열판의 영향이 가장 크므로, 방열판을 개선하면 효과가 더 큽니다. 조립 방식이 달라지면 결과도 달라질 수 있습니다. 값은 반올림하지 않은 입력값으로 계산하고 반올림하여 표시했습니다.

이 모델만으로 적정 작동 온도를 판단할 수는 없습니다. 실제 열 확산, 병렬 열 경로, 공기 흐름 및 온도에 따른 물성 변화를 고려하려면 분석이나 측정이 필요합니다. 모든 LED 전기 입력을 자동으로 열로 간주하지 말고 열 손실을 사용하세요.

Texas Instruments의 반도체 및 IC 패키지 열 특성 지표 (2024년 3월 개정판)는 데이터시트의 열 특성 지표가 시험 조건과 열 경로에 따라 달라지는 이유를 설명합니다. θJA 또는 임의의 θJC를 기판/방열판 네트워크에 더하는 패키지 전용 저항으로 취급하지 마세요. 이 예제의 접합부-패드 항은 명시적으로 가정한 값입니다. 열을 실제로 추출하는 표면에 적합한 모델을 사용하고, 열 경로를 중복 계산하지 마세요.

부품 정격과 현실적인 시제품 측정값을 바탕으로 전체 설계를 확인하세요. 이 PCB 열 핫스폿 가이드 에서 해당 검증 단계를 다룹니다.

알루미늄 PCB와 FR4, 구리 베이스 및 세라믹 옵션 비교

배선, 전기 절연, 냉각 및 기계적 제약을 종합적으로 고려해 기판을 선택하세요. 벌크 열전도율이 더 높은 소재라고 해서 완성된 조립품의 온도가 반드시 더 낮아지는 것은 아닙니다.

옵션	고려할 상황	선택 전 확인 사항
알루미늄 기반 IMS	열원에서 장착면까지 유전체 경로를 짧게 만들 수 있는 경우	유전체 열저항, 절연, 배선 자유도 및 방열판 접촉 상태
FR4	높은 배선 밀도나 일반적인 다층 구조가 중요한 경우	구리의 열 확산, 열 비아 및 냉각 조립품이 온도 한계를 충족하는지 여부
구리 베이스 구조	다른 금속 열 확산 경로가 적용에 도움이 될 수 있는 경우	추가 중량, 구조, 전기 절연 및 제조 비용
세라믹 기판	소재별 열·전기 특성이나 작동 요건을 고려해 평가할 필요가 있는 경우	세라믹 등급, 금속화, 접합 공정 및 기계적 하중

두꺼운 구리는 두꺼운 구리 회로를 뜻하며, 기판에 구리 베이스가 있다는 뜻은 아닙니다. 마찬가지로 알루미늄 기판에도 신호선을 배선할 수 있지만, 적층 구조는 여전히 배선 및 전기 요건을 충족해야 합니다. 금속 백킹은 임피던스에 민감한 설계에 적합한 기준 구조를 대신할 수 없습니다.

해당 PCB 소재 선택 가이드 에서 더 다양한 기판 옵션을 비교합니다. 알루미늄 PCB와 FR4 중에서 결정할 때는 먼저 사용 가능한 인클로저 안에서 두 옵션이 동일한 온도, 절연 및 배선 요건을 충족할 수 있는지 확인하세요. 기판 소재의 명칭만 비교하지 말고 완성된 솔루션을 비교하세요.

설계 점검: 절연, 홀 및 장착

전기 절연과 기계적 접촉을 함께 계획하세요. 도전성 베이스, 나사 또는 노출된 가장자리가 회로도에서 의도하지 않은 전기적 연결을 만들 수 있습니다.

전기 연결부와 금속 코어 접촉부를 구분하세요

제조 도면에서 전기 도금 홀 및 비아와 기계적 장착 홀을 구분하세요. 금속 베이스를 통과하는 전기적 상호 연결에는 의도한 절연 구조가 필요합니다. 장착 홀은 베이스를 섀시에 연결하도록 설계할 수도 있고, 절연 하드웨어가 필요할 수도 있습니다. 어느 쪽인지 명시하세요.

해당 알루미늄 기판 제조 서비스 에서는 절연 도금 홀과 관통 홀 조립을 제공하며, 소재와 적층 구조는 엔지니어링 검토 대상입니다. 필요한 곳에서 리드 배럴, 패드 및 베이스가 어떻게 분리되는지 확인하세요. 표준 FR4 드릴 파일만으로 해당 구조가 충분히 설명된다고 가정하지 말고, 제조업체에 절연 형상과 검사 방법을 명시해 달라고 요청하세요.

기판과 방열판 사이의 접촉면을 지정하세요

접촉 면적, 표면 평탄도, 열 인터페이스 재료(TIM), 두께 및 장착 방법을 정의하세요. 조립업체 및 하드웨어 공급업체와 체결 토크를 합의하세요. 접촉 압력, 틈새 및 인터페이스 재료는 실제 열 경로에 영향을 줍니다.

필요한 절연이 나사, 와셔, 슬롯 및 기판 가장자리에서 어떻게 유지되는지 설계 검토자에게 확인해 달라고 요청하세요. 제품에 안전 절연 장벽이 필요하다면 적용 요건을 문서화하고 절연 시스템 및 승인 근거를 합의하세요.

전기 및 제조 제약 조건을 확인하세요

사용 전압, 필요한 절연 기능, 연면 거리, 공간 거리 및 승인 시험을 명시하세요. 파괴 시험 또는 내전압 시험 결과뿐 아니라 승인된 작동 전압 사양도 요청하세요. 시험 수치만으로 작동 사양을 추정하지 마세요. 해당 적용 분야, 구조 및 관련 제품 요건에 맞는 한계를 합의하세요.

TCLAD의 제조 지침 에서는 회로와 홀 사이의 이격 거리 및 내전압 시험을 별개의 항목으로 다룹니다. 수치로 제시된 제조 지침은 공급업체별 기준입니다. 실제 제작에 사용할 제조업체가 승인한 형상 및 시험 기준을 확인하세요.

외곽 형상, 홀 및 구리와 가장자리 사이의 요건을 기록해 공급업체 검토를 받으세요. 더 폭넓은 출시 문서에는 PCB DFM 체크리스트 를 사용하고, 위의 금속 베이스 관련 세부 사항을 추가하세요. 제품의 용도와 분리된 보편적인 이격 거리나 시험 전압 규칙은 적용하지 마세요.

제조, 조립 및 비용 요인

기판 제조와 부품 실장 조립은 각각 별도로 공정을 결정해야 합니다. 기판 제조에서는 적층 구조, 구리 패턴, 홀, 외곽 형상, 솔더 마스크 및 표면 처리를 정합니다. 조립에는 솔더링, 부품, 열 프로파일 및 검사가 추가됩니다.

실제 기판과 부품 구성에 맞는 리플로우 프로파일을 검증하세요. Analog Devices의 uSLIC 패키지 조립 지침 은 실제 솔더 접합부에 열전대를 배치할 것을 권장하며, 접합부 온도는 오븐 설정 온도와 다르다고 설명합니다. 이 지침은 특정 패키지에 관한 것이며, 알루미늄 기판 제작 지침은 아닙니다. 측정 원칙은 적용하되, 선택한 부품과 솔더 페이스트의 공정 한계를 따르세요.

비용은 유전체 등급과 두께, 구리, 외형, 절연 홀, 패널 사용, 수량, 표면 처리, 검사 및 조립 범위에 따라 달라집니다. 공개된 최솟값과 최댓값만으로 모든 조합을 제작할 수 있다고 단정할 수는 없습니다.

확인 항목 LED 및 알루미늄 PCB 제작 역량 을 시작점으로 삼은 다음, 선택한 알루미늄 구조에 대해 확인을 요청하세요. 이 종합 제작 역량 페이지에는 FR4 제품도 포함되어 있으므로, 전체 범위를 하나의 알루미늄 적층 사양으로 해석해서는 안 됩니다.

열 설계를 제조 인계 자료로 전환하기

열 계산에 적용한 가정을 릴리스 기록에 포함하세요. 예제에서 사용한 유효 면적, 패키지 항 및 인터페이스 열저항은 실제 제품을 설명하는 데 사용하기 전에 근거를 확인해야 합니다.

기록 유형	인계 자료에 포함할 내용	이 예제의 상태
작동 요구 사항	소산 열량, 주변 온도 범위, 허용 접합 온도 및 작동 모드	5 W 및 40°C로 가정했으며, 허용 온도는 정해지지 않음
재료 요청 사항	실제 유전체 등급, 두께/공차, 열 시험 방법, 구리 및 베이스 구조	일반적인 유전체 입력값만 사용
도출된 추정치	계산, 가정한 면적, 열 네트워크 경계 및 한계	유전체 열저항 0.667 K/W, 기준 온도 71.8°C
기계적 인터페이스	방열판/접촉부 도면, TIM, 장착 방법 및 합의된 체결 토크	인터페이스 및 방열판 항은 가정값
전기적 승인 기준	사용 전압, 절연 요구 사항 및 합의된 시험 방법/기준	적용 분야에 맞는 정의 필요
제조 자료	회로 파일, 드릴 데이터, 제조 도면, 외형, 홀 세부 사항, 수량 및 표면 처리	실제 설계에 필요한 자료를 제공해야 함

관련 드릴 및 제조 정보를 포함한 Gerber 또는 승인된 ODB++ 데이터를 제공하세요. 조립을 위해 BOM과 부품 배치 데이터도 필요합니다. 모든 파일에서 리비전 식별자가 서로 일치하도록 하세요.

릴리스 전에 각 열 입력값의 출처가 공급업체 데이터, 시뮬레이션 또는 프로토타입 측정 중 무엇인지 합의하세요. 전기 절연, 가공 한계 및 선택한 재료가 동일한 제작 사양에서 서로 호환되는지 확인하세요. 가정한 열저항을 사용해 계산한 온도만으로 제조 적층 구조를 승인할 수는 없습니다.

자주 묻는 질문

알루미늄 PCB에 방열판이 필요한가요?

별도의 방열판, 섀시 연결 또는 다른 냉각 표면이 필요할 수 있습니다. 알루미늄 베이스가 열을 확산시키더라도 완성된 어셈블리에서 열을 주변으로 전달해야 합니다. 소산 전력, 주변 조건 및 허용 부품 온도를 바탕으로 냉각 요구 사항을 정한 다음, 실제 작동 조건에 가까운 환경에서 어셈블리를 검증하세요.

알루미늄 코어 기판에 스루홀 부품을 사용할 수 있나요?

필요한 홀과 전기적 절연을 구조적으로 지원한다면 가능합니다. 전도성 베이스가 있으므로 홀 설계가 중요합니다. 어떤 배럴과 패드가 전기적 연결부인지, 베이스가 섀시에 연결되는지, 어디에 절연이 필요한지 지정하세요. 릴리스 전에 제조업체와 세부 사항을 확인하세요.

3 W/m·K 유전체가 1.5 W/m·K 옵션보다 항상 더 나은가요?

아닙니다. 두께와 면적이 같다면 열전도율이 높을수록 이상적인 두께 방향 열저항이 낮아집니다. 하지만 유전체가 더 두꺼우면 그 개선 효과가 상쇄될 수 있고, 냉각 경로의 다른 부분이 전체 성능을 좌우할 수도 있습니다. 열전도율만으로 선택하지 말고, 필요한 전기 절연, 실제 열 데이터 및 조립 조건을 함께 비교하세요.

알루미늄 베이스는 회로와 전기적으로 절연되어 있나요?

표준 유전체 백킹 구조에서는 유전체가 구리 회로와 베이스를 분리하도록 설계됩니다. 그래도 절연 여부는 선택한 재료, 형상, 홀 및 조립 방식에 따라 달라집니다. 직접 열 경로를 사용하는 변형 구조는 다를 수 있으므로, 의도한 전기적 연결을 정의하고 실제 제작 사양에 필요한 시험을 확인하세요.

검토를 위해 알루미늄 PCB를 준비하세요

회로 파일, 제조 도면, 열 부하, 작동 조건 및 장착 요구 사항을 함께 제출하세요. 아래 알루미늄 PCB 제조 문의를 통해 검토를 요청할 수 있습니다. 검토 과정에서 호환되는 구조를 확인하고, 생산 전에 검증이 필요한 열 관련 가정을 파악해야 합니다.