모든 PCB 설계는 어려운 일이며, 특히 장치가 점점 더 작아짐에 따라 더욱 그렇습니다. 고전류 PCB 설계는 동일한 어려움과 더불어 고려해야 할 고유한 요소들이 추가로 필요하기 때문에 더욱 복잡합니다.
전문가들은 산업용 IoT 분야에서 고전력 장치에 대한 수요가 2030년까지 두 자릿수의 연간 성장률을 기록하며 증가할 것으로 예측합니다. 이러한 추세에 맞춰 고전류 전자 제품의 PCB 설계를 최적화하기 위한 7가지 단계는 다음과 같습니다.

1. 충분한 케이블 크기를 확보하세요
고전류 PCB 설계 시 라인 크기는 가장 중요한 고려 사항 중 하나입니다. 구리 배선은 더욱 컴팩트한 설계를 위해 소형화되는 경향이 있지만, 고전류에서는 이러한 방식이 적합하지 않습니다. 작은 단면적은 열 발산으로 인한 전력 손실을 초래할 수 있으므로, 적절한 크기의 트랙이 필요합니다.
와이어의 단면적은 와이어의 폭과 구리의 두께, 이 두 가지 요소를 조정하여 변경할 수 있습니다. 이 두 가지 요소의 균형을 맞추는 것이 전력 소비를 줄이고 이상적인 PCB 크기를 유지하는 핵심입니다.
PCB 선폭 계산기를 사용하여 장치에 필요한 전류 유형을 지원하는 폭과 두께를 확인하세요. 이 도구를 사용할 때는 필요한 것보다 더 높은 전류를 지원할 수 있도록 배선 크기를 신중하게 설계해야 합니다.

2. 구성 요소 배치를 다시 생각해보세요
부품 레이아웃은 고전류 PCB 설계에서 또 다른 핵심 고려 사항입니다. MOSFET 및 유사 부품은 많은 열을 발생시키므로, 다른 고온 또는 온도에 민감한 부분으로부터 최대한 격리하는 것이 중요합니다. 하지만 소형 폼팩터를 사용하는 경우 이러한 배치가 항상 쉬운 것은 아닙니다.
증폭기와 컨버터는 MOSFET 및 기타 발열체로부터 적절한 거리를 유지해야 합니다. 가장자리에 고출력 영역을 유지하고 싶을 수 있지만, 이는 균일한 온도 분포를 보장하지 않습니다. 대신, 기판 전체에 직선으로 배치하여 에너지를 유지함으로써 열을 더욱 고르게 분산시킵니다.
가장 영향력 있는 부분부터 접근하면 이상적인 부품을 결정하기가 더 쉽습니다. 먼저 고온 부품의 이상적인 위치를 결정하세요. 부품의 위치를 ​​파악하면 나머지 부품들을 사용하여 빈틈을 메울 수 있습니다.

3. 방열 관리 최적화
마찬가지로, 고전류 PCB는 신중한 열 관리가 필요합니다. 대부분의 경우, FR4 라미네이트의 유리 전이 온도에 맞춰 내부 온도를 130°C 미만으로 유지해야 합니다. 부품 배치를 최적화하는 것이 도움이 될 수 있지만, 열 최소화 단계는 그 이상이어야 합니다.
자연 대류 냉각은 소형 가전제품 PCB에는 충분할 수 있지만, 고전력 애플리케이션에는 충분하지 않을 수 있습니다. 기계식 라디에이터가 필요할 수 있습니다. MOSFET 주변의 팬이나 액체 냉각 시스템과 같은 능동 냉각도 도움이 됩니다. 그러나 일부 장치 설계는 기존 라디에이터나 능동 냉각을 수용할 만큼 충분히 크지 않을 수 있습니다.
더 작지만 고성능 PCB의 경우, 구멍을 통한 방열이 유용한 대안입니다. 전도성이 높은 금속에 여러 개의 구멍을 뚫으면 MOSFET이나 유사한 부품의 열이 더 민감한 부위에 도달하기 전에 열을 제거할 수 있습니다.

4. 적절한 재료를 사용하세요
재료 선택은 열 관리를 최적화하고 부품이 더 높은 전류를 견딜 수 있도록 하는 데 매우 중요합니다. 이는 PCB 부품과 기판에 적용됩니다.
FR4는 가장 일반적인 기판이지만, 고전류 PCB 설계에 항상 최선의 선택은 아닙니다. 금속 코어 PCB는 FR4와 같은 기판의 절연성과 비용 효율성, 그리고 고전도성 금속의 강도와 온도 변위의 균형을 이루기 때문에 이상적일 수 있습니다. 또는 일부 제조업체에서 특수 내열 라미네이트를 제작하는 것도 고려해 볼 만합니다.
다시 말씀드리지만, 열 저항 값이 높은 부품만 사용해야 합니다. 이는 때로는 내열성이 더 높은 재료를 선택해야 하는 반면, 때로는 같은 재료의 더 두꺼운 부품을 사용해야 하는 경우도 있습니다. 어떤 옵션이 가장 적합한지는 PCB 크기, 예산, 그리고 공급 가능한 공급업체에 따라 달라집니다.

5. 품질 관리 프로세스 개선
고전류 PCB의 신뢰성은 생산 과정에서 발생하는 오류를 찾아내는 것과도 관련이 있습니다. 제조 공정에서 장점을 상쇄하는 결함을 찾아 해결하지 못한다면, 위의 네 가지 설계 방식은 큰 개선을 가져오지 못할 것입니다. 시제품 제작 과정에서 더욱 신뢰할 수 있는 품질 검사를 실시하는 것 또한 중요합니다.
PCB 품질을 평가하는 데 적합한 도구를 사용하는 것은 이 분야에서 가장 중요한 고려 사항 중 하나입니다. 디지털 광학 비교기를 템플릿 및 커버링으로 사용하는 것은 시간이 지남에 따라 늘어나고 변형되어 신뢰성을 저해하기 때문에 기존 방식보다 성능이 뛰어납니다. 또한, 인적 오류 위험을 최소화하기 위해 자동화가 쉬운 도구를 고려해야 합니다.
어떤 방법과 기술을 사용하든 모든 결함을 추적하는 것은 매우 중요합니다. 시간이 지남에 따라 이 데이터는 문제 발생 추세를 파악하여 더욱 안정적인 PCB 설계 변경을 가능하게 합니다.

6. 제조 가능성 설계
고전류 PCB 설계에서 유사하지만 종종 간과되는 요소는 제조 용이성 확보입니다. 생산 오류가 너무 흔해서 장치가 문서상의 사양을 거의 충족하지 못한다면, PCB가 이론상으로 얼마나 신뢰할 수 있든 소용없습니다.
해결책은 지나치게 복잡하거나 난해한 설계를 최대한 피하는 것입니다. 고전류 PCB를 설계할 때는 제조 공정을 염두에 두고 이러한 작업 흐름에서 PCB가 어떻게 생산될지, 그리고 어떤 문제가 발생할 수 있는지 고려해야 합니다. 오류 없는 제품을 쉽게 만들수록 제품의 신뢰성은 높아집니다.
이 단계에서는 생산 관계자와의 긴밀한 협력이 필요합니다. 사내에서 제조를 담당하지 않는 경우, 설계 단계에서 생산 파트너를 참여시켜 잠재적인 제조 가능성 문제에 대한 의견을 수렴하십시오.

7. 기술을 유리하게 활용하세요
새로운 계획 및 생산 기술을 통해 이러한 고려 사항의 균형을 더 쉽게 맞출 수 있습니다. 3D 프린팅은 생산 오류 없이 더욱 복잡한 PCB 레이아웃을 지원할 수 있도록 설계 유연성을 향상시킵니다. 또한, 정밀성을 통해 구리 배선이 직각이 아닌 곡선을 따라가도록 하여 길이를 줄이고 전력 소비를 최소화할 수 있습니다.
인공지능(AI)은 살펴볼 가치가 있는 또 다른 기술입니다. AI PCB 도구는 부품을 자동으로 배치하거나 잠재적인 설계 문제를 파악하여 실제 환경에서 오류가 발생하지 않도록 방지할 수 있습니다. 이와 유사한 솔루션은 실제 프로토타입을 제작하기 전에 다양한 테스트 환경을 시뮬레이션하여 PCB의 성능을 평가할 수 있습니다.

고전류 PCB 설계에는 주의가 필요합니다.
신뢰할 수 있는 고전류 PCB를 설계하는 것은 쉽지 않지만 불가능한 것은 아닙니다. 다음 7단계를 따르면 설계 프로세스를 최적화하여 더욱 효율적인 고전력 장치를 만드는 데 도움이 될 것입니다.
산업용 사물 인터넷(IIoT)이 성장함에 따라 이러한 고려 사항들은 더욱 중요해질 것입니다. 지금 이러한 고려 사항을 수용하는 것이 미래의 지속적인 성공을 위한 열쇠가 될 것입니다.