전자장치의 열 저하

전원 공급 장치는 모든 전자기기의 핵심이다. 하지만 주변 부품의 열화를 방지하려면 어느 정도로 낮은 온도에서 작동해야 하는지 판단하기가 쉽지 않다.

설계팀과 공급업체 간의 커뮤니케이션이 간접적으로 이루어지는 경우가 많기 때문에, 실제 온도가 얼마가 될지보다 적정 온도가 얼마여야 하는지를 파악하는 일이 더 어려울 수 있다.

전자 산업은 디레이팅 전략이 최적의 전자기기 설계를 위한 최선의 방법이 아니라는 점을 인식하고 있다.
디레이팅 전략의 광범위한 가정은 지나치게 보수적이고 비용이 많이 드는 설계로 이어지거나, 충분한 신뢰성을 확보하지 못한 설계로 이어질 수 있다.

더 효과적인 접근 방식은 시뮬레이션과 물리 기반 분석을 활용해 온도 열화에 취약한 부품의 신뢰성을 확보하는 것이다.
예를 들어 엔지니어는 Ansys Icepak을 사용해 열 시뮬레이션을 수행하고, Ansys Sherlock을 통해 해당 시뮬레이션을 기반으로 물리 기반 신뢰성 분석을 수행할 수 있다.

자성 부품의 열화

트랜스포머와 초크 같은 자성 부품은 설계 검토 중 온도 문제가 제기될 때 종종 충분히 고려되지 않는다.

특히 트랜스포머는 일반적으로 맞춤 제작되는 경우가 많기 때문에, 많은 제품이 명확한 온도 등급을 제공하지 않는다.

그렇다면 자성 부품에 대해 어느 온도가 “너무 뜨거운” 상태인지 어떻게 판단할 수 있을까? 원문에서는 시뮬레이션 소프트웨어를 활용해 해결할 수 있는 세 가지 핵심 이슈를 제시하고 있다.

LED 및 옵토커플러의 열화

시뮬레이션은 엔지니어가 열 스트레스를 기준으로 전자기기 내부에서 LED의 배치를 최적화하는 데 도움을 줄 수 있다.

LED는 전원 공급 장치에 포함될 때 표시등으로 사용된다. 그러나 LED는 온도에 민감하기 때문에 이러한 통합 과정은 까다로울 수 있다.

LED가 옵토커플러에 사용될 때도 문제가 발생할 수 있다. 옵토커플러는 빛을 통해 정보를 전달하는 부품이며, 핵심 과제는 LED가 낮은 온도를 유지할 수 있는 위치에 옵토커플러를 배치하는 것이다.

전해 커패시터의 열화

전해 커패시터는 온도와 관련해 설계자가 가장 주의해야 하는 부품이다. 전해 커패시터는 기능적 동작을 위해 액체에 의존하기 때문이다. 이 부품의 수명은 액체 전해질이 점진적으로 증발하는 과정에 의해 제한된다.

전해질 손실은 커패시턴스 감소와 등가 직렬 저항 증가로 이어진다. 이 때문에 모든 전해 커패시터 제조업체는 정격 수명을 제공한다.

전해 커패시터가 열에 민감하다는 점은 해당 부품이 실제로 경험하는 온도를 파악하기 위해 시뮬레이션과 같은 고정밀 도구가 중요하다는 사실을 보여준다.

그럼에도 대부분의 기업은 고전적인 아레니우스 방정식을 사용해 제조업체의 정격값을 외삽한다. 이 방정식은 보수적인 커패시터 수명 예측을 제공하지만, 정확성이 항상 일정하지는 않다.

또한 커패시터의 실제 수명은 부품 매개변수 변화에 대한 회로의 민감도에 따라 달라질 수 있다. 제조업체가 정의하는 수명은 일반적으로 커패시턴스가 20% 감소하는 시점이다. 그러나 그 시점에서 등가 직렬 저항은 2배에서 5배까지 증가할 수 있다. 회로 민감도에 따라 커패시터가 고장 모드로 간주되기 전에 제품 고장을 유발할 수도 있다.

설계자가 전해 커패시터를 뜨거운 부품 가까이에 배치하는 경우, 커패시터 전체에 걸친 비균일한 온도 분포가 가속 열화와 압력 증가를 유발할 수 있다. 이는 파열로 이어질 수 있기 때문에 표준 수명 방정식이 적용되지 않을 수도 있다.

세라믹 커패시터의 열화

세라믹 커패시터 제조업체들은 제품의 커패시턴스를 적극적으로 높여 왔다. 이러한 개선을 위해서는 커패시터에 더 많은 유전체층이 필요하며, 각 층의 두께는 더 얇아진다.

하지만 전압은 유전체층 두께 변화에 맞춰 충분히 낮아지지 못했고, 그 결과 유전체 전반에 훨씬 높은 전기장이 형성된다.

가속 테스트 조합에 따르면, 특정 커패시터 유형은 40°C, 즉 104°F 및 3.3VDC에서 작동할 때 10년 후 2%의 고장률을 보일 수 있다.

2%는 크지 않아 보일 수 있다. 하지만 설계에 포함된 모든 커패시터를 고려하면, 문제 해결을 위한 시뮬레이션 투자가 합리적으로 보이기 시작한다.

필름 커패시터의 열화

필름 커패시터는 두 가지 메커니즘 중 하나로 고장날 수 있으며, 두 메커니즘 모두 온도에 민감하다.

• 부분 방전
• 유전체 재료의 취성화

안타깝게도 두 가지 서로 다른 고장 메커니즘의 영향을 효과적으로 분리하는 공식은 없다. 커패시터 수명을 예측하는 일반적인 접근 방식은 표준 IEC 60384-16 내구성 테스트를 기반으로 외삽하는 것이다. 그러나 시뮬레이션은 이러한 예측을 더 정확하게 수행할 수 있다.

필름 커패시터의 수명은 전압 변화에 가장 민감하다. 설계자는 충분한 전압 디레이팅이 대부분의 애플리케이션에서 수명을 연장할 수 있기 때문에, 필름 커패시터가 전해 커패시터나 세라믹 커패시터보다 조금 더 뜨거워지는 것을 허용하기도 한다.

집적 회로의 열화

엔지니어는 집적 회로가 의도된 수명 주기 동안 마모되지 않도록 환경 조건의 영향을 조사해야 한다.

주요 우려 사항은 마모를 유발하는 서브마이크론 공정이다. 고장 메커니즘과 장치 신뢰성에 영향을 주는 열 효과를 분석할 수 있어야 시스템 열화 위험을 완화할 수 있다.

엔지니어는 신뢰성 물리 분석, 시뮬레이션, 고장 메커니즘 모델을 사용해 집적 회로를 평가할 수 있다.

솔더 조인트의 열화

솔더 조인트는 부품, 기판 또는 보드 사이에서 전기적·열적·기계적 연결을 제공한다.

온도 변화가 발생하면 부품과 보드는 서로 다른 속도로 팽창하거나 수축한다. 이로 인해 솔더 조인트에는 전단 하중이 가해진다.

이 응력은 일반적으로 솔더 조인트의 강도보다 훨씬 낮다.

하지만 온도 변화에 반복적으로 노출되면 벌크 솔더에 손상이 축적될 수 있다. 시뮬레이션은 각 온도 사이클이 어떻게 손상을 누적시키고, 균열과 최종 고장으로 이어지는지를 모델링하는 데 사용될 수 있다.

열기계 피로로 인한 솔더 조인트 고장은 전자 제품의 주요 마모 메커니즘 중 하나이다. 부적절한 설계, 재료 선택, 환경 조건은 비교적 짧은 시간 내 고장으로 이어질 수 있기 때문이다.

열화 문제를 해결하는 방법

열화가 중요한 문제라는 점은 분명하지만, 전원 공급 장치 엔지니어는 효과적인 도구가 부족해 이를 해결하는 데 어려움을 겪고있다.

실행 가능한 접근 방식은 신뢰성 물리 분석과 시뮬레이션을 활용하는 것이다. 이러한 시뮬레이션은 열화 거동을 예측할 수 있어 엔지니어가 트레이드오프 분석을 수행할 수 있도록 돕는다. 이 트레이드오프 분석은 전자기기의 환경, 재료, 아키텍처를 최적화하는 데 도움이 된다.

엔지니어는 이 정보를 활용해 전원 공급 장치의 열 성능을 정확하게 예측할 수도 있다.

Ansys Sherlock Automated Design Analysis 소프트웨어는 전원 공급 장치 엔지니어가 부품이 언제 너무 뜨거운 상태인지 이해하도록 돕고있다. 이 소프트웨어는 표준 설계 정보와 포괄적인 내장 데이터베이스를 결합해 복잡한 계산에 필요한 입력값을 제공하고 있다.

출처 : Ansys Thermal Degradation of Electronics: How Hot is Too Hot?

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