금속판은 열을 퍼뜨리고, 절연층은 전류를 막습니다
가장 단순한 구조에서는 부품 아래 동박(copper foil), 전기 절연층(dielectric layer), 알루미늄이나 구리로 만든 금속 베이스(metal base)가 차례로 놓입니다. 절연층은 동박과 베이스 사이에서 전류를 막으면서 열을 전달하는 재료입니다. 이 두 역할을 동시에 만족해야 하므로, 재료 이름이나 금속판 두께만 보고 기판을 선택할 수 없습니다.
금속 베이스는 먼저 열 확산판(heat spreader)으로 작동합니다. 좁은 발열 지점의 열을 더 넓은 면적으로 옮기는 부분이라는 뜻입니다. 베이스를 외함이나 별도 방열 구조에 밀착시키지 않으면, 퍼진 열이 주변으로 빠져나갈 곳이 부족할 수 있습니다. 부품의 열이 발생하는 접합부(junction)에서 동박, 절연층, 베이스, 접촉면, 외함 또는 주변 공기까지 이어지는 경로를 한 줄로 그려 보십시오. 그중 접촉이 느슨하거나 공기 틈이 생기는 곳도 함께 표시합니다.
절연층을 고를 때는 열전도율(thermal conductivity)과 완성 두께를 같이 봅니다. 열전도율은 재료 안에서 열이 전달되는 정도이며, 단위는 W/(m·K)입니다. 균일한 면적을 통해 열이 한 방향으로 흐른다고 단순화하면 절연층의 열저항(thermal resistance)은 다음과 같이 근사할 수 있습니다.
Rθ ≈ t / (kA)
여기서 Rθ는 열저항(K/W), t는 절연층 두께(m), k는 열전도율(W/(m·K)), A는 열이 통과하는 유효 면적(m²)입니다. 같은 면적과 재료라면 두꺼운 절연층은 열 전달에 불리합니다. 그러나 절연층을 무조건 얇게 만들면 필요한 전기적 절연을 확보하지 못할 수 있습니다. 실제 열은 옆으로도 퍼지고 접촉면을 지나므로 이 식 하나로 부품 온도나 전체 기판 성능을 예측하지 않습니다. 사용할 전압과 절연 요구, 재료의 절연 내력, 완성 두께 공차를 제조업체와 함께 정합니다. 절연 내력(dielectric strength)은 절연재가 전기적으로 파괴되지 않고 견딜 수 있는 전기장과 관계된 재료 특성입니다.
관통홀의 도금벽이 금속판과 닿지 않게 합니다
도금 관통홀(plated through-hole, PTH)은 구멍 안쪽 벽에 금속 도금을 해 여러 회로층이나 부품 단자를 연결한 구조입니다. 일반 기판에서 쓰던 관통홀을 그대로 금속 코어 위에 놓으면, 도금벽과 금속판이 만나는 위치에서 원하지 않는 전기 연결이 생길 수 있습니다. 구멍 주변은 평평한 동박 아래의 절연층과 별도로 검토해야 합니다.
관통홀이 필요한 다층 구조라면, 제작 가능한 절연 방법을 먼저 제조업체에 확인합니다. 한 구성에서는 금속 코어 쪽을 최종 관통홀보다 넓게 가공하고 빈 곳에 비전도성 에폭시(nonconductive epoxy)를 채운 뒤, 최종 구멍과 도금벽을 형성합니다. 핵심은 완성 후에도 도금벽과 코어 사이에 끊기지 않은 절연 간격이 남는 것입니다. 가공 오차와 층 정렬, 충전재의 상태까지 포함해 도면에 지정해야 합니다. 다른 사례에서 사용한 코어 가공 치수를 그대로 설계 규칙으로 삼지 마십시오.
관통홀이 없어도 된다면 표면실장(surface mount) 부품만 쓰는 구성이 더 단순할 수 있습니다. 반대로 연결상 관통홀이 필요하다면, 사용할 홀의 종류와 위치, 금속 코어의 제거 범위, 충전재와 완성 절연 간격, 제조 후 검사 방법을 적층표와 제작 도면에 함께 남깁니다. 절연 상태를 확인할 때는 전원을 끈 상태에서 회로와 코어 사이에 예상치 못한 도통이 없는지 확인합니다. 필요한 절연저항(insulation resistance)·내전압(dielectric withstand) 시험은 제품 요구조건에 맞춘 제조 검사 절차로 정합니다. 외관만 보고 절연이 확보됐다고 판단하지 않습니다.
다층 구조에서는 금속 코어 위아래를 짝지어 봅니다
금속 코어를 중앙에 둔 다층 기판은 위아래 층 수를 맞추는 것부터 시작할 수 있습니다. 하지만 같은 수의 층을 놓았다고 해서 가열 후 휨(warpage)이 없어지지는 않습니다. 코어를 기준으로 마주 보는 절연층의 재료와 두께, 동박의 두께와 실제 남은 패턴의 분포를 짝지어 비교합니다. 한쪽은 넓은 구리 면이고 반대쪽은 드문 배선이면 층수가 같아도 열과 기계적 균형이 다릅니다.
기판을 제조하거나 납땜할 때 재료마다 늘어나는 정도가 다르면 냉각 뒤 휘거나 비틀릴 수 있습니다. 적층(stackup)은 위에서 아래까지 각 재료와 동박 층을 나열한 구성표입니다. 코어 위아래의 대응 층마다 재료명, 완성 두께, 동박 두께와 분포를 적고, 제조업체가 실제 적층 공정에서 만들 수 있는지 확인합니다. 대칭은 휨을 줄이기 위한 설계 출발점일 뿐이며, 완성품의 평탄도 검사 결과를 대신할 수는 없습니다.
열, 절연, 휨을 서로 다른 검사로 확인합니다
시제품을 평가할 때는 다음 세 질문을 분리하십시오.
| 확인할 것 | 실제로 할 일 | 이 결과만으로는 알 수 없는 것 |
|---|---|---|
| 열이 빠져나가는가 | 실제 장착 방식과 최대 사용 부하·주변 온도에서 부품, 금속 베이스, 접촉면의 온도를 기록합니다. 열화상 카메라(infrared camera)를 쓰면 표면 방사율(emissivity) 차이를 확인합니다. | 베이스만 차갑다는 이유로 부품 접합부 온도가 안전하다고 단정할 수 없습니다. |
| 동박과 코어가 절연됐는가 | 회로와 코어 사이, 관통홀과 코어 사이의 절연 구조를 도면·단면과 지정된 전기 검사로 확인합니다. | 바깥에서 구멍이 떨어져 보인다고 해서 내부 절연 간격까지 알 수는 없습니다. |
| 제조·조립 뒤에도 평평한가 | 적층 후와 재용융 납땜(reflow soldering) 뒤의 휨·비틀림을 정한 지지 조건과 허용값에 따라 측정합니다. 실제 외함에 장착되는지도 확인합니다. | 적층표의 층수 대칭만으로 완성 기판의 휨을 예측할 수 없습니다. |
시제품 제작 전에는 부품의 발열량과 허용 온도, 베이스가 닿을 방열 구조, 절연층의 재료·완성 두께·절연 요구, 관통홀의 절연 방식, 허용 휨과 검사 조건을 한 장의 적층·제작 자료로 묶어 검토합니다. 시제품에서 한 항목이라도 만족하지 않으면 원인이 부품과 동박 사이인지, 절연층인지, 베이스와 외함의 접촉인지, 관통홀 절연 또는 적층 균형인지 나누어 수정합니다. 금속판을 추가한 것만으로 검증이 끝났다고 여기지 마십시오.