알앤디테크 - TRM (Thermal Risk Management)



TRM (Thermal Risk Management )

열화상카메라로 PCB온도측정은 많은 한계가 많습니다.
문제발생시 PCB수정설계 - PCB 샘플 - 부품실장 - 전원인가 - 열화상 측정은 많은 시간과 비용을 지불하게 합니다. 그러나 TRM을 사용하면 빠른 시간 안에 결과를 정확하게 예측해 볼 수 있습니다.

 

과열로 인한 PCB 파손 사례

  전동공구를 제조하는 국내 기업체 연구소에서 기존 제품의 소형화 및 출력을 높이기 위해, 설계를 바꿨는데 PCB가 열화상 카메라로 측정할 시간도 없이 타버려서, 원인이 무엇이고 어느 부품이 얼마까지 열이 올라갔는지 몰라 해석을 의뢰한 경우입니다.

1. 해석의 필요한 준비물

(Schematic Design, PCB Gerber, Datasheet)

2. 해석 조건 입력

(각 부품의 재질, 크기, 전류, 전압, 와트 입력)

3. Simulation

PCB외부조건 입력
Top Layer 및 Bottom Layer의 주변온도, PCB의 면적과 여기에 장착된 팬에 의한 공기유동속도를 감안하는 해석도 가능합니다. 필요하다면 시간에 따른 Transient 해석까지 가능합니다.

4. Simulation 원인 검증

각 Layer별 온도(deg ℃), Heat Spreading Index(-), 전류밀도(A/㎟), 전력밀도(mW/㎟), 전압(V), Electric Conductivity(S/m), Thermal Conductivity(W/mK)

5. Simulation을 통한 해결

PCB 과열로 패턴과 보드가 박리된 Bottom측에 별도의 알루미늄 방열판을 추가하여 열로 인한 문제를 긴급 해결 했습니다.
사전에 TRM을 이용하여 열을 감안한 설계가 가능하고, 시간과 비용을 절감하면서도 보다 완성도 높은 제품을 출시할 수 있습니다.

높은 정확도

열해상 카메라로 촬영한 결과와 TRM으로 촬영한 결과가 1% 이내의 오차로 일치하는 예
Joule의 공식과 자체 함수에 의해 정확하게 결과를 산출해 냅니다.

TRM 도입효과

1. 쉬운 사용
PCB 설계에 숙련되지 않은 회로설계 엔지니어라도 어느 부분이 실제 Critical한지 아닌지 판단 할 수 있습니다.

2. 빠른 Simulation
Spice, CFD Mesh와 다른 FVM 해석엔진

TRM vs  열화상카메라 비교

PCB보드에 부품을 실장해 납땜하고, 전류를 인가해서 열화상 카메라로 실험한 결과와 Gerber 파일을 불러들여, 조건을 입력하고 시뮬레이션한 결과의 오차는 5%미만입니다.
Simulation Tmax = 34.3 °C / 열화상 카메라 측정온도 Tmax = 34.1 °C
Simulation Tmax ≈ 42.75 °C / 열화상 카메라 측정온도 Tmax≈42.3 °C
( Layout 환경 : 4층 Layer / Trace 3 mm 두께 / Trace간 0.1 mm 간격 / Top에 7 A (단층 L1) )
열화상 카메라 측정온도 Tmax≈38 °C / Simulation Tmax ≈ 40 °C
TRM Software가 이처럼 실험치와 정학한 결과를 갖고 있는 것은, PCB보드의 재질과 크기 및 적층 구조, 부품의 재질과 크기, Top, Bottom의 온도 및 인가되는 전류 및 전압을 실제 같은 모든 상황을 고려하여 계산에 의해 정확하게 산출하기 때문입니다.

정확성은 PCB를 잘 모르는 회로설계 엔지니어 및 PCB Designer에게도 많은 이득을 가져다 줍니다. 많은 실험에서 소요되는 설계회수와 설계시간, 부품들 및 비용을 들여 알게 되는 경험을 줄여 Prototype상태전에 파악하게 합니다. 이만큼 TRM은 정확하면서도 설계 엔지니어들이 쉽게 사용할 수 있는 잇점이 있습니다.

Pspice vs TRM vs CFD 열화상카메라 비교

우리가 회로 해석할 때, 일반적으로 사용하는 Pspice.이는 이상적인 부품의 관점에서 하는 교과서적인 이론적인 시뮬레이션입니다.부품의 크기와 재질 등, Layer적층구조 및 배선의 두께, 길이를 감안하지 않는 상태로 샘플 PCB보드가 나왔을 때와는 상당한 차이가 있을 수 밖에 없게 됩니다. Pspice 에서 온도가 얼마까지 상승하는지 보는 것은 당연히 한계가 있게 됩니다.

제품 PSpice TRM CFD
해석 범위 회로 일부분 PCB 보드 Housing
해석 타겟 이상적인 부품 부품, Trace 전류 흐름 용량 General Electronics Cooling
해석 결과 Compare_pspice.jpg Compare_TRM.jpg Compare_CFD.jpg
해석 엔진 Berkely FVM FEM Mesh
입력 OrCAD Capture Gerber, BMP, JPG, CAD CAD
Sensitivity ○ : Option
Smoke V : Option
Optimizer ○ : Option Χ Χ
Monte Carlo ○ : Option Χ Χ
부품 / Trace, 재질, 크기 Χ
부품위치 XY-Z Χ
보드 재질, 크기 Χ
온도 (C) Χ
Potential, 전압 (V) Χ Χ
전류 밀도 (A/mm2) Χ Χ
열 전도율 (W/mK) Χ Χ
전기 전도율 (S/m) Χ Χ
전력밀도 Χ Χ
공기 유동 해석 Χ V
사용성 Difficult Easy Difficult
정확성 low medium to high high
속도 very fast 2 to 10 min min to hrs
비용 midium midium very high


TRM 도입효과

1. 쉬운 사용
TRM 소프트웨어는 거버파일을 불러들이기 때문에, 어떤 전자CAD(OrCAD, PADS, Altium, Allegro, Mentor)를 사용해도 호환성이 좋습니다.
PCB 설계에 숙련되지 않은 회로설계 엔지니어라도 어느 부분이 실제 Critical한지 아닌지 판단 할 수 있습니다.

2. 빠른 Simulation
대부분의 PCB열해석 프로그램은 mesh를 나눠서 이 메쉬를 계산해야하기 때문에 속도가 느릴 수 밖에 없습니다.
이런 유동방식의 프로그램은 고사양의 PC나 서버, 워크스테이션을 갖추고 있어야 할뿐 아니라 유지보수 측면에서도 상당히 고가를 유지해야 합니다.

반면, TRM은 일반 전자CAD를 운용하는 PC나 노트북에서도 빠른 해석이 가능합니다.
TRM 소프트웨어는 다른 CFD계열의 유동방식을 채택한 열해석 프로그램보다 비교되지 않을 정도로 빠릅니다.
동일한 PCB열해석에서 3~5일 해석시간을 소요하는 반면, TRM은 단 몇십분만에 빠른 결과를 보실 수 있습니다.
그것도 정확하게 말입니다!

Spice, CFD Mesh와 다른 FVM 해석엔진을 사용하고 있기 때문입니다.

3. 높은 정확성
열화상카메라보다 높은 해상도를 가지고 분석이 가능합니다.
가장 많이 사용하는 유명 열화상카메라(4천만원~5천만원)의 경우 IR해상도 320 X 480, 최대 650도~-40도까지만 가능합니다.
시간에 따른 열변화는 녹화하여야 하며, 기능이 추가되면 옵션 가격이 추가됩니다.

그러나, 열화상카메라를 써서 PCB의 열을 측정하는 가장 문제점은 "열만 본다"는 것입니다.
TRM 소프트웨어는 높은 밀도의 픽셀과 높은 해상도로 1억이상의 열화상카메라의 해상도를 구현해 낼 수 있습니다.

4. 높은 해상도
계산된 화상그래프는 IR(적외선) 카메라의 사진보다 높은 해상도 제공

5. 비용 절감
여타 열해석 프로그램은 기본제품과 열해석 옵션을 추가하여, 기본 기구설계 프로그램을 유지하기 위해 매년 Maintenance를 체결하여야 합니다. 여기에 운용되는 PC나 서버도 유지비용이 들게 됩니다. 그리고 가장 중요한 열해석 프로그램자체의 가격이 상당히 높습니다. 그러나, TRM은 보다 경제적인 가격으로 쉽게 접근해 보실 수 있습니다.

TRM의 시뮬레이션 기술을 이용하여 어떠한 설계의 열 문제를 최소화 할 수 있고 원료, 드릴링 시간, 더 나은 납땜 결과, 더 얇은 동박두께, 보드크기 등을 경제적이고 합리적으로 비교도 가능하기 때문입니다.

TRM (Evaluation, Tutorial, Training)

1. 한글 매뉴얼
TRM을 사용하기 위한 Tutorial 과정이 한글매뉴얼로 제공됩니다.
평가판 설치후 Sample 폴더에 있는 예제를 준비단계로부터 Simulation 및 결과확인까지 자세히 따라해 볼 수 있습니다.
TRM_img4.jpg

2. 동영상 매뉴얼 (한글 설명이 포함된 기본 동영상, 응용동영상)
3. 샘플예제
4. Evaluation 및 해석서비스, 교육 (전화, 메일로 문의)