KR200427630Y1 - 인쇄회로기판 구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 다수의 바이어홀이 소정 조건에 따라 형성되는 인쇄회로기판 구조에 관한 것이다. 본 고안은 인쇄회로기판의 소정 개소에 패드가 구비되고 그 패드 상부 일부분에 IPS가 실장되는 부착면이 순차적으로 형성된다. 그리고 상기 IPS로부터 방출되는 열과 인쇄회로기판 내층에 존재하는 열을 외부로 방열하도록 상기 패드 또는 부착면에 소정 갯수와 사이즈(π)를 갖는 바이어홀이 형성된다. 상기 바이어홀의 형성위치와 함께 그 바이어홀의 갯수 및 사이즈, 그리고 바이어홀의 랜드부분에 처리되는 마스크 여부에 따라서 열 방열효과가 서로 상이하게 나타난다. 따라서 본 고안은 다양한 패턴 중에서 최적의 열 방열효과를 제공하는 설계패턴을 인쇄회로기판에 제공하여 IPS가 실장되는 인쇄회로기판의 설계기준을 제공할 수 있다.

인쇄회로기판, IPS, 바이어홀, 방열효과.

Description

인쇄회로기판 구조{FORMATION OF PRINTED CIRCUIT BOARD}

도 1 내지 도 4는 본 고안의 바람직한 실시 예들에 따른 인쇄회로기판의 설계 패턴도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : IPS 소자 부착부 12 : 패드(PAD)

14 : 부착면 16 : 바이어홀(VIA Hole)

본 고안은 인쇄회로기판(PCB : Printed circuit board) 구조에 관한 것으로서, 특히 인쇄회로기판 내층에 존재하는 열과 인쇄회로기판에 지능형 파워 스위치(Intelligent power switch, 이하 IPS라 함)가 실장(mounting)될 때 그 IPS로부터 방출되는 열을 용이하게 배출하도록 하는 인쇄회로기판 구조에 관한 것이다.

인쇄회로기판에는 각 층간이 절연 재질로 분리 접착되어진 표면 도체층을 포함하여 3층 이상에 도체패턴이 있는 다층인쇄회로기판(Multi layer printed circuit board)이 있다. 상기 다층인쇄회로기판은 통상 내부도체패턴층을 말하는 내층과 표면도체패턴층을 말하는 외층으로 구분된다. 그리고 상기 층간의 회로 접속은 다른 층과 전기적 접속을 위하여 형성된 바이아홀(via hole)을 통해 연결된다.

이러한 다층인쇄회로기판에서는 내층에 형성된 도체패턴의 전류 흐름으로 발생하는 열을 효과적으로 방출해야만 한다. 상기 열 방출은 인쇄회로기판의 성능을 결정하는 요인중 하나이다.

이와 같은 인쇄회로기판은 차량 엔진룸에도 적용된다.

상기 차량 엔진룸에는 배터리로부터 공급되는 전원을 분배하여 차량에 구비되는 각종 전기/전자기기를 제어하기 위한 부품소자로서 계전기(relay), 컨넥터, 그리고 상기 컨넥터를 상호 연결하는 인쇄회로기판 형태의 지능형 전원분산모듈(IPDM: Intelligent Power Distribution Module)이 구비되는 정션박스(junction box)가 장착된다. 상기 전원분산모듈에는 상기 IPS가 실장되어 상기 계전기의 온/오프 동작을 제어한다.

이와 같이 상기 인쇄회로기판의 소정 개소에는 상기 IPS가 실장되는데, 이때 상기 IPS로부터 발생하는 열이 인쇄회로기판의 외부로 방출되지 못하면 상기 IPS 및 인쇄회로기판의 내부 온도가 상승하여 상기 부품소자가 정상적으로 동작하는데 방해가 된다.

따라서 종래에도 상기 IPS 소자로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있도록 인쇄회로기판을 설계하였다. 그러나, 이 경우 상기 IPS 소자에 따라서 이미 정해져 있는 데이터쉬트(Data sheet)를 참조한다. 즉, 상기 데이터쉬트에는 상기 IPS 소자가 열방출을 위하여 얼마만큼의 인쇄회로기판 공간이 필요한지에 대한 정보가 제공되어 있다. 그러나 상기 데이터쉬트에 나와있는 자료를 참조하여 설계를 하는 경우 인쇄회로기판의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

이에 본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, IPS 소자가 실장되는 인쇄회로기판의 소정 개소에 복수의 바이아 홀을 형성하여 인쇄회로기판의 사이즈를 줄이면서도 방열 효과를 향상시키도록 하는 인쇄회로기판 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 고안은 인쇄회로기판 내층에 존재하는 열을 효과적으로 방출하도록 하는데 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 인쇄회로기판 구조는, 인쇄회로기판의 소정 개소에 구비된 패드, 상기 패드상부면에 스위칭 소자가 실장되는 부착면, 상기 패드 또는 부착면에 선택적으로 형성되는 바이어 홀, 상기 바이어 홀의 랜드(Land)부분에 선택적으로 형성되는 마스크를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기 바이어 홀은, 갯수와 사이즈(π)가 서로 상이하게 형성된다.

상기 스위칭소자는 지능형 파워 스위치(IPS:Intelligent power switch)인 것 이 바람직하다.

그리고, 상기 바이어 홀은 상기 스위칭 소자로부터 발생되는 열을 방출하는 열 방출홀이거나 또는 상기 인쇄회로기판의 내층에 존재하는 열을 방출하는 열 방출홀이다.

이와 같은 구성을 가지는 본 고안에 의하면, 인쇄회로기판의 내층에서 발생하는 열 및 인쇄회로기판상에 실장된 IPS로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있음을 알 수 있다.

이하, 본 고안에 의한 인쇄회로기판 구조를 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4에는 본 고안의 바람직한 실시 예들에 따른 인쇄회로기판이 도시되어 있다.

본 명세서에서는 하나의 인쇄회로기판에 서로 상이한 조건을 갖는 IPS 소자 부착부가 설계되어 있는 것을 예로서 설명한다. 상기 인쇄회로기판의 실시 예는 총 9종의 IPS 소자 부착부(10 내지 90)가 제공되며, 상기 IPS 소자 부착부(10 내지 90)가 인쇄회로기판상에 설계되어있는 것을 도시하여 설명한다.

도면에서는 한 장의 인쇄회로기판에 기준이 되는 IPS 소자 부착부(10)와 함께 서로 다른 IPS 소자 부착부(20 내지 90)가 함께 설계된 것을 도시하고 있다. 상기 설계기준에는 바이어홀 유/무, 그 바이어홀의 형성 개수, 바이어홀의 랜드 마스크(land mask) 처리여부, 바이어홀의 사이즈(size)(π)가 제공된다.

도 1 내지 도 4에서 기준이 되는 IPS 소자 부착부(이후 '제 1부착부'이라 칭 하며, 다른 IPS 소자 부착부도 아라비아 숫자를 부여하여 구분 설명한다)(10)는 중앙에 설계된다. 상기 제 1부착부(10)에는 패드(pad)(12)상에 위치하고 있는 상기 IPS 소자가 부착되는 부착면(14) 부위에만 바이어홀(열 방출홀이라고도 함)(16)이 다수 형성된다. 상기 바이어홀(16)의 개수는 실시 예에서 25개가 형성되며, 상기 바이어홀(16) 주변의 랜드부분에는 인쇄회로기판의 양면이 소정 재질로 마스크 처리된다. 그리고 상기 바이오홀의 원주율(π)은 0.6mm을 갖도록 하고 있다. 그러나 상기 바이어홀(16)의 갯수 및 원주율(π)의 칫수 및 후술하여 제공되는 각종 갯수/칫수 등은 본 고안을 설명하기 위해 제안된 하나의 실시 예에 불과하다.

앞서 설명한 바와 같이 총 9종의 IPS 소자 부착부(10 내지 90)가 제공되는 바, 상기 제 1부착부(10) 이외에 순서대로 제 2 부착부(20) 내지 제 9 부착부(90)의 각 구조를 설명한다.

도 1에는 제 1부착부(10)를 기준으로 좌/우에 바이어홀의 유/무 및 바이어홀의 위치에 따라 상이하게 설계된 제 2부착부(20) 및 제 3부착부(30)의 설계 패턴이 도시되어 있다.

제 2부착부(20)는 패드(22) 및 부착면(24)에 바이어홀이 형성되어 있지 않고, 제 3부착부(30)에는 IPS 소자의 부착면(34) 주위에 제공된 패드(pad)(32)상에만 바이어홀(36)이 다수 형성된다.

도 2에서는, 바이어홀의 개수에 따라 비교대상인 제 4부착부(40)와 제 5부착부(50)의 설계 패턴이 도시되어 있다. 상기 제 4부착부(40) 및 제 5부착부(50) 모두 IPS 소자가 부착되는 면(44)(54)에 서로 상이한 개수의 바이어홀(46)(56)이 형 성되어 있다. 즉 제 4부착부(40)의 부착면(44)에는 바이어홀(46)이 9개가 형성되고 제 5부착부(50)의 부착면(54)에는 바이어홀(46)이 41개가 형성된다.

도 3에서는, IPS 소자의 부착면(64)(74)에 형성된 바이어홀의 마스킹 처리 유/무에 따라 설계된 패턴이 도시되어 있다. 제 6부착부(60)에서 부착면(64)의 바이어홀(66)은 마스킹 처리가 되지 않았고, 제 7부착부(70)에서 부착면(75)의 바이어홀(76)에는 일면에만 마스킹 처리가 되었다.

도 4에서는, 부착면(84)(94)에 서로 다른 사이즈(π)를 갖는 바이어홀이 형성된 설계 패턴이 도시되어 있다. 제 8부착부(80)의 부착면(84)에 형성된 바이어홀 (86)의 사이즈(π)는 0.4mm, 제 9부착부(90)의 부착면(94)에 형성된 바이어홀(96)의 사이즈(π)는 0.8mm이다.

상기와 같이 서로 다른 비교조건에 따라 총 9종의 부착부(10 내지 90)가 인쇄회로기판에 형성된 내용을 다음 [표 1]로 정리하였다.

[표 1]

비교조건		기준
바이어홀의 유/무	제 2부착부(20): 바이어홀 무(無):	제 1부착부(10) -바이어홀이 부착면에만 형성 -25개 _양면 모두 마스크처리 -0.6mm	제 3부착부(30): 패드에 형성
바이어홀의 갯수	제 4부착부(40) :9개		제 5부착부(50) : 41개
바이어홀의 랜드마스크 처리여부	제 6부착부(60) : 마스크처리 안됨		제 7부착부(70) : 일면에만 마스크처리
바이어홀의 사이즈(π)	제 8부착부(80) : 0.4mm		제 9부착부(90):0.8mm

상기 [표 1]과 같이 인쇄회로기판에 제 1(10) 내지 제 9 부착부(90)가 각각 상이한 조건에 의해 설계된 상태에서 각각의 방열효과의 차이를 확인하도록 한다.

이를 위해, 상기 설계된 부착부에 IPS 소자를 동일한 납량을 사용하여 납 땜(Soldering)한다. 상기 납땜은 인쇄회로기판 위에 부품을 올려놓은 표면실장장치(surface mount device : SMD)를 이용할 수 있으나, 본 고안에서는 납분말을 용제나 플럭스(Flux)에 섞어서 사용하는 납땜용 크림(solder cream)를 인쇄회로기판에 인쇄한 다음 오븐에 넣어 납땜하는 방식을 적용한다.

그리고, 상기 IPS 소자의 소정 개소에 온도를 측정할 수 있는 열전대(Thermocouple)를 부착한다. 상기 열전대 부착위치로는, IPS소자의 출력핀(pin no.5), IPS의 전원단자(TAB단자), 인쇄회로기판 외곽의 일정한 지점에 부착한다. 상기 부착위치는 상기 9종의 설계에 모두 동일하게 적용된다.

이와 같이 열전대가 부착되고 IPS 소자가 납땜된 인쇄회로기판을 바람직하게는 대략 25℃의 내부온도가 유지되는 항온항습기에 설치한다. 그리고 소정 시간동안 온/오프시키며, 상기 온 동작시에 전류(5A)를 공급하여 방열효과의 차이를 확인하도록 한다. 이때 인가되는 전류는 IPS 소자의 최대 용량과 대비하여 1/2 정도의 전류를 인가하도록 함으로써 과열 등으로 인하여 시스템 구동이 중지되는 현상을 방지하여야 한다.

상기 조건에 따라 열전대로부터 온도정보를 받은 시험결과는 다음 [표 2]와 같다.

[표 2]

바이어홀 위치	제 2부착부(20) : 99℃	제 1부착부(10): 79℃	제 3부착부(30): 86℃
바이어홀 갯수	제 4부착부(40) : 103℃		제 5부착부(50) : 81℃
마스크 처리여부	제 6부착부(60) : 84℃		제 7부착부(70) : 84℃
바이어홀 사이즈	제 8부착부(80) : 83℃		제 9부착부(90) : 76℃

상기 [표 2]를 참조하면 다음과 같이 시험결과를 정리할 수 있다. 상기 시험 결과는 바이어홀 위치/바이어홀 갯수/바이어홀에 대한 마스크 처리여부/바이어홀 사이즈에 따라 상기 제 1부착부(10)를 기준으로 설명한다.

상기 제 2부착부(20)에 바이어홀이 형성되지 않는 경우는 온도가 99℃이고, 바이어홀이 형성된 제 1(10) 및 제 3부착부(30)의 온도는 더 낮게 나타나고 있어 바이어홀이 형성된 경우가 더 방열 특성이 좋음을 알 수 있다.

또한 제 1부착부(10)와 같이 바이어홀(16)의 위치가 IPS 소자의 부착면(14)에 직접 형성된 경우는 79℃로서, 부착면(34) 주위의 패드(32)에 바이어홀(36)이 형성되는 제 3부착부(30)에서 나타난 온도인 86℃보다 더 낮게 나타나고 있어 바이어홀의 위치에 따라서도 방열 특성이 상이하게 제공됨을 알 수 있다.

또한, 바이어홀 개수에 따른 방열 특성을 비교하게 되면, 제 4부착부(40)(9개 형성)의 온도(103℃)보다 제 5부착부(50)(41개)의 온도(81℃)가 훨씬 더 낮게 나타나고 있다. 그러나, 이 경우 상기 바이어홀(46)이 9개 형성된 제 4부착부(40)의 온도와 바이어홀이 형성되지 않는 제 2부착부(20)의 온도는 거의 유사하게 나타나고 있어 바이어홀이 적게 형성되는 경우 방열효과에 큰 영향을 미치지 못한다. 마찬가지로, 바이어홀(16)이 25개 형성된 제 1부착부(10)의 온도(79℃)와 41개 형성된 제 5부착부(50)의 온도(81℃)도 큰 차이가 발생되지 않아, 상기 바이어홀이 적정 개수 이상 형성되면 방열효과에 미치는 영향이 감소됨을 알 수 있다.

그리고, 상기 제 6부착부(60)와 제 7부착부(70)를 비교하게 되면 동일한 온도가 나타난다. 이는 마스크 처리여부에 상관없이 온도차이가 크게 발생되지 않음을 알 수 있다.

또한, 제 8부착부(80)와 제 9부착부(90) 및 제 1부착부(10)의 바이어홀 사이즈(π)에 따른 온도 차이를 비교하면, 조금이나마 바이어홀 사이즈(π)가 큰 제 9부착부(90)의 온도가 상대적으로 낮게 나타났음은 알 수 있다. 즉 제 8부착부(80)(0.4π)은 온도가 83℃이고, 제 1부착부(10)(0.6π)의 온도가 79℃이고, 제 9부착부(90)(0.8π)의 온도가 76℃로 나타나고 있다.

이와 같은 실험 결과에 따르면, 인쇄회로기판상의 IPS장착 부분에 대하여 단위 면적당 바이어홀의 개수가 많고 바이어홀 사이즈가 클수록 방열 특성이 더 좋게 나왔음을 알 수 있다. 그리고 바이어홀의 위치에 따라서도 방열 특성에 차이가 있다.

이와 같이, 인쇄회로기판 설계시에 바이어홀의 위치, 개수, 사이즈 등을 적절하게 적용하여 방열효과가 조금이라도 우수한 인쇄회로기판을 설계할 수 있다.

이상과 같이, 본 고안의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 고안이 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 고안의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 고안의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

예컨대, 상기 실시 예에서는 IPS 소자가 장착된 상태에서의 열방열 효과를 설명하고 있지만, 상기 IPS 소자가 장착되지 않는 다층인쇄회로기판에서도 갯수/위치/사이즈/마스크 처리 등이 선택적으로 구비된 바이어홀이 형성되어 그 다층인쇄 회로기판의 내층에서 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안의 인쇄회로기판 구조에 따르면, 소정 부하를 구동시키기 위한 인쇄회로기판상에 바이어홀의 개수, 위치, 사이즈, 마스킹 처리 등을 종합적으로 계산하여 설계함으로써, 방열 효과가 향상된 인쇄회로기판을 설계할 수 있어 그 인쇄회로기판에 실장된 각종 부품소자의 동작이 안정적으로 이루어지도록 하는 효과가 있다.

또한, IPS가 실장되는 인쇄회로기판의 설계기준을 제공할 수 있어 최적의 열 방열효과에 대한 설계 패턴을 손쉽게 작업할 수 있는 효과도 있다.

Claims (5)

1. 인쇄회로기판의 소정 개소에 구비된 패드,

   상기 패드상부면에 스위칭 소자가 실장되는 부착면,

   상기 패드 또는 부착면에 선택적으로 형성되는 바이어 홀,

   상기 바이어 홀의 랜드(Land)부분에 선택적으로 형성되는 마스크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 바이어 홀은, 갯수와 사이즈(π)가 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 구조.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 스위칭소자는 지능형 파워 스위치(IPS:Intelligent power switch)인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 구조.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 바이어 홀은 상기 스위칭 소자로부터 발생되는 열을 방출하는 열 방출홀인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 구조.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 바이오 홀은 상기 인쇄회로기판의 내층에 존재하는 열을 방출하는 열 방출홀인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판 구조.

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