열 설계

한 줄 요약 — SMD 부품의 방열판은 PCB 구리입니다. 그리고 온도는 정밀 측정의 적입니다.

열 경로

T_J = T_A + P\times(R_{\theta JC}+R_{\theta CS}+R_{\theta SA})

기호

P전력powerW

R_ CS저항 (CS)resistance (CS)Ω

R_ JC저항 (JC)resistance (JC)Ω

R_ SA저항 (SA)resistance (SA)Ω

T_A온도 또는 주기 (A)temperature or period (A)

T_J온도 또는 주기 (J)temperature or period (J)

기호	의미	전형값
$R_{\theta JC}$	접합-케이스	1~5 °C/W (전력), 30~60 (소형)
$R_{\theta CS}$	케이스-방열판	0.5~2 °C/W (열패드)
$R_{\theta SA}$	방열판-공기	5~50 °C/W
$R_{\theta JA}$	접합-공기 (전체)	데이터시트

★ SMD의 방열은 PCB가 담당

데이터시트의 $R_{\theta JA}$ 는 특정 구리 면적을 가정합니다.

조건	$R_{\theta JA}$ (SOT-23 예)
최소 패드(pad)	250 °C/W
100 mm² 구리	150 °C/W
1000 mm² 구리	80 °C/W
양면 + 써멀 비아(thermal via)	60 °C/W

⚠️ 작은 패드에 붙이면 데이터시트 값의 3배까지 나빠집니다. 데이터시트의 조건(구리 면적, 층 수)을 반드시 확인하세요.

방열 기법

기법	효과
구리 면적 확대	가장 기본
써멀 비아 (부품 아래)	반대면으로 열 전달, 4~9개
양면 구리	면적 2배
내층 플레인(plane) 연결	열 확산
방열판	전력 부품
부품을 가장자리에	공기 흐름
팬	⚠️ 진동이 측정에 영향 (마이크로포닉스(microphonics))

써멀 비아

항목	권장
드릴 지름	0.3 mm
간격	1 mm
개수	4~9개 (패드 크기에 따라)
도금	채움 또는 태빙 (솔더 흡입 방지)

⚠️ 비아(via)가 솔더를 빨아들이면 접합 불량이 됩니다. 비아를 채우거나(filled via), 패드 밖에 두거나, 태빙(tenting)하세요.

계산 예제

LDO리니어 레귤레이터 linear regulator남는 전압을 열로 버려 출력을 만드는 방식으로, 조용하지만 전압 차와 전류의 곱만큼 뜨거워집니다. $P = (V_{in}-V_{out})I$ 자세히 보기 →: 12 V → 5 V, 300 mA, SOT-223, $T_A$ = 40 °C

P = (12-5)\times0.3 = 2.1\ \text{W}

기호

P전력powerW

구리 면적	$R_{\theta JA}$	$T_J$
최소 패드	100 °C/W	$40+210 = 250$ °C ❌
500 mm²	60 °C/W	$40+126 = 166$ °C ❌
1000 mm² + 써멀 비아	40 °C/W	$40+84 = 124$ °C ⚠️

여전히 아슬아슬합니다. 대안:

대안	$P$	결과
벅으로 8 V 먼저 → LDO	$(8-5)\times0.3 = 0.9$ W	$T_J = 76$ °C ✅
TO-220 + 방열판	2.1 W	$T_J = 80$ °C ✅
벅만 사용	0.2 W	✅ (단, 노이즈)

★ 온도가 측정에 미치는 영향

영향	크기
저항 온도계수	100 ppm/°C (후막), 25 ppm/°C (박막)
OP앰프 옵셋 드리프트	1~20 µV/°C
바이어스 전류	JFET/CMOS는 10 °C마다 2배
기준전압(voltage reference) 드리프트	2~50 ppm/°C
다이오드(diode) $V_F$	−2 mV/°C
MOSFET $V_{th}$	−2~−6 mV/°C
열전대 효과(thermoelectric)	1~35 µV/°C (06)
커패시터(capacitor) 용량	X7R ±15%
크리스털 주파수	ppm

⚠️ 온도 구배(gradient)가 절대 온도보다 나쁩니다. 정합된 부품 쌍이 다른 온도면 정합이 깨집니다.

대책

방법	효과
발열 부품과 이격	기본
정합 부품을 인접·같은 방향으로	같은 온도 유지
온도 안정 시간 확보	워밍업
저드리프트 부품	근본
온도 센서로 보정	소프트웨어
항온조 (극한)	최고 정밀

💡 정밀 측정 장비가 “워밍업 30분”을 요구하는 이유가 이것입니다. 온도가 안정되어야 드리프트가 멈춥니다.

온도 상승 확인

방법	특징
열화상 카메라	전체 분포, 가장 유용
열전대 접촉	국부
적외선 온도계	비접촉, 방사율 주의
IC 내장 온도 센서	접합 온도에 가까움
손가락	60 °C 이상은 못 만짐 (위험)

⚖️ 트레이드오프

선택	✅	⚠️
넓은 구리	방열↑	면적, 기생 용량(parasitic capacitance)기생 용량 parasitic capacitance부품·배선·케이블이 원치 않게 갖는 커패시턴스로, 고임피던스 신호원에서 대역폭을 가장 먼저 잡아먹습니다.자세히 보기 →↑
써멀 비아	방열↑	솔더 흡입 위험, 비용
방열판	방열↑↑	부피, 비용, 조립
팬	방열↑↑↑	진동·소음 → 측정에 영향, 신뢰성
전력 낮추기 (벅)	근본 해결	스위칭 노이즈
부품 분산	열 집중 회피	배선(trace) 길어짐

⚠️ 측정 시스템에 팬을 쓸 때는 진동을 조심하세요. 세라믹 커패시터의 마이크로포닉스와 케이블 흔들림이 노이즈가 됩니다 (3-04).

🔌 체크리스트

각 부품의 손실을 계산했는가?
데이터시트 R_θJA의 조건(구리 면적)을 확인했는가?
실제 구리 면적이 충분한가?
써멀 비아를 넣었는가?
최악 조건(고온 환경, 최대 부하)에서 T_J < 정격정격 rating부품이 견딜 수 있는 전압·전류·전력의 상한으로, 넘기면 성능이 나빠지는 게 아니라 타 버립니다. $P = VI = I^2R$ 자세히 보기 →인가?
발열 부품이 온도 민감 부품(기준전압, 크리스털)에서 멀리 있는가?
정합이 필요한 부품이 같은 온도에 있는가?
열화상으로 확인할 계획이 있는가?

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
데이터시트 열저항	구리 면적·공기 흐름에 크게 의존
온도가 균일	국부 집중, 구배
온도가 성능에 무관	드리프트가 정밀도를 제한
정상 상태만 고려	과도 발열(펄스 부하)

연습문제

문제 1. 1.5 W 손실, $R_{\theta JA}$ = 50 °C/W, $T_A$ = 50 °C. 접합 온도는?

연습 15-07-1 — 열을 회로로 푼다워크벤치에서 열기 →

풀이

T_J = 50 + 1.5\times50 = 125\ \text{°C}

기호

T_J온도 또는 주기 (J)temperature or period (J)

정격 150 °C 기준으로 여유 25 °C — 아슬아슬합니다.

개선: 구리 면적 확대, 써멀 비아, 또는 손실 감소

문제 2. 기준전압 IC 옆에 3 W 손실 LDO가 있습니다. 문제는?

exercises/15-07-ref-near-ldo.yaml

풀이

온도 상승이 기준전압을 드리프트시킵니다.

LDO 근처의 보드 온도가 30 °C 상승한다고 가정하면:

기준전압 IC	드리프트	2.5 V 기준 오차
25 ppm/°C	750 ppm	1.9 mV
10 ppm/°C	300 ppm	0.75 mV
3 ppm/°C	90 ppm	0.23 mV

16비트 ADC의 LSB가 38 µV이므로, 1.9 mV는 50 LSB의 오차입니다.

게다가 온도가 시간에 따라 변하면 (부하 변동, 환경) 오차도 변해 교정(calibration)으로 잡을 수 없습니다.

해결:

기준전압 IC를 LDO에서 멀리 (20 mm 이상)
사이에 슬롯이나 열 차단 (구리를 끊어 열 전도 차단(cutoff))
저드리프트 기준전압 (3 ppm/°C급)
LDO 손실 자체를 줄임 (벅 + LDO)
온도 센서로 소프트웨어 보정

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