ANSYS 블로그
July 13, 2022
전자 제품의 열 순환 고장
장치를 껐다가 켤 때마다 온도가 변합니다. (하루 종일 휴대전화가 얼마나 자주 켜지는지 생각해 보십시오.) 에너지가 여러 층의 촘촘하게 쌓인 물질을 통해 흐르면 장치가 가열되었다가 빠르게 냉각됩니다. 장치의 수명 동안 이러한 온도의 반복적인움직임을 열 순환이라고 합니다.
열 관리가 중요한 이유
장치가 고온과 저온 상태를 거치는 과정인 열 순환은 전자제품에서 고장을 일으키는 가장 큰 영역 중 하나입니다. 열 피로가 발생하면 장치 내의 여러 시스템이 영향을 받아 뒤틀림, 납땜 약화, 깨짐 또는 균열이 발생할 수 있으며, 이를 완화하지 않고 방치할 경우 전체 제품 고장이 발생할 수 있습니다.
오늘날 모든 제품에 전자 장치가 사용되기 때문에 열 순환으로 인한 변형은 다음과 같은 산업 전반에 걸쳐 장치의 구성 요소에 영향을 미칩니다.
- 자동차
- 항공우주 및 방위
- 생물 의학
- 제조
- 소비재
그림 1: 전자제품 고장의 원인.
부품이 열 순환에 민감한 이유는 무엇인가?
부품이 회로 기판의 위치와 QFN(quad-flat no-lead) 패키지, BGA(ball grid array) 및 세라믹 캐패시터와 같은 구성 요소 유형을 포함하여 구성 요소가 열 순환에 민감할 수 있는 몇 가지 이유가 있습니다. 이러한 부품에는 호환 리드가 없으므로, 땜납 부분만 변형을 흡수할 수 있습니다.
변형에 민감한 부품의 경우 다음과 같이 보드의 변형이 심한 영역에 부품을 배치하지 않는 것이 중요합니다.
- 장착 홀근처
- 인덕터와 같은 더 큰 강성 구성 요소 사이 또는 근처 영역
- V-스코어 보드가 깨지면 부품이 손상될 수 있는 V-스코어 보드 가장자리 근처
QFN 배치 예
그림 2에서 QFN은 4개의 코너 스탠드오프가 있는 인쇄 회로 기판(PCB)의 두 개의 대형 인덕터 사이에 배치되었습니다. 열 순환 중에 발생하는 높은 변형 영역(빨간색과 노란색으로 표시)을 볼 수 있습니다. 결과적으로 변형률이 높은 영역에 QFN을 배치하면 QFN의 납 접합 고장이 발생할 수 있습니다.
그림 2: 열 분석 중인 인쇄 회로 기판(PCB)의 두 인덕터 사이에 배치된 QFN(Quad-Flat No-Lead) 패키지.
전자제품 내 납땜 변형
납땜은 회로 기판에 부품을 부착하는 가장 기본적인 방법 중 하나입니다. 금속 고온 접착제와 같이 땜납은 녹았다가 굳으면서 부품을 서로 붙입니다. 납땜 열화는 진동이나 충격으로 인해 발생할 수 있지만 열 순환이 납땜 접합 고장의 가장 일반적인 원인입니다.
모든 재료에는 고유한 열팽창 계수(CTE)가 있으며 재료 CTE 간의 불일치는 납땜 피로의 주요 원인입니다. 납땜이 변형되면 부품과 회로 기판 사이의 결합이 변형, 균열 또는 파손되어 고장 위험으로 이어질 수 있습니다.
그림 3: 열 피로 균열이 있는 BGA(Ball grid array) 볼.
그림 4: 열-기계 하중으로 인한 BGA 볼의 응력.
자세한 내용은 납땜 접합 고장의 주요 5가지 이유 블로그를 참조하십시오.
열 순환 수명 테스트 가속화
회로 기판의 모든 것이 순수하게 전기적인 것은 아닙니다. 전기를 전달하는 데 사용되는 적층 재료는 종종 회로 기판 내에 깊이 묻혀 있기 때문에 위나 아래에서 관찰할 수 없습니다. 전기가 통과하면서, 이러한 재료는 팽창하고, 수축하고, 변형됩니다. 정확한 수명 테스트를 위해서는 이러한 구성 요소가 열 순환에 어떻게 반응할지 예측하는 것이 중요합니다.
열 피로로 인한 고장을 방지하기 위해 엔지니어는 설계 단계에서 열 응력 요인을 줄여야 합니다. 시뮬레이션을 사용하여 응력이 발생하는 위치를 확인하고 물리적 프로토타입을 만들기 전에 재료층 및 제한 사항의 수, 구성요소의 위치 및 재료 언더필을 변경할 수 있습니다.
시뮬레이션을 사용하여 열역학적 신뢰성 위험을 테스트할 때 유한 요소 분석(FEA) 또는 구조 분석 기능이 있는 소프트웨어를 사용하는 것이 중요합니다. FEA는 메싱을 사용하여 모델에 요소를 매핑하는 물리적 시스템의 수학적 표현입니다. 정확한 분석을 위해서는 메싱 기법이 매우 중요합니다.
오래 가는 전자제품 설계
열역학적 신뢰성 위험을 이해하는 것은 전자 장치를 설계할 때 중요한 단계입니다. 온도 순환은 전자제품 고장의 주요 원인 중 하나이며 이러한 위험을 염두에 두고 장치를 설계하지 않으면 현장에서 예기치 않은 제품 고장이 발생할 수 있습니다. 시뮬레이션을 사용하는 것은 엔지니어가 긴 설계 과정을 없애고 여러 프로토타입 반복을 줄이기 위해 취할 수 있는 중요한 첫 번째 단계입니다.
이 온디맨드 웨비나를 통해 신뢰성에 영향을 미치는 부품 수준 안정성, 보드 수준 안정성 및 시스템 수준 상호 작용에 대해 자세히 알아보십시오. 전자제품의 열 순환 고장을 예측하는 방법