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전자기장 엔지니어를 위한 PCB의 Electro-Thermal 연성 해석 방법
- 차혜성 매니저
- 태성에스엔이
- hscha@tsne.co.kr
전자기장 엔지니어를 위한 PCB의 Electro-Thermal 연성 해석 방법
Introduction
이번 호에서는 "전자기장 해석 엔지니어를 위한 PCB의 Electro-Thermal 연성 해석 방법"을 다룬다. PCB 설계의 복잡성이 높아지면서 전력 밀도와 발열 문제가 주요한 설계 과제가 되었다. Ansys HFSS™ 3D Layout과 Ansys Icepak™의 연성 해석을 통해 PCB의 전류 밀도 및 전압 강하 분석에서 시작해, 열 해석까지 이어지는 통합적 접근 방법을 소개하여 전자기장 해석 엔지니어들이 전력과 열 관리를 쉽게 할 수 있도록 예제를 따라하기 형식으로 소개한다.
■ 소개
HFSS 3D Layout은 PCB 및 패키지 설계를 위한 고주파 3D 전자기 Solver로, 자동화된 메쉬 생성 기능을 통해 신호 및 전력 무결성을 신속히 평가하고 최적화할 수 있다. 또한, DCIR Drop (Direct Current IR Drop) 해석을 통해 PCB 내 전력 전달 경로의 효율성을 평가하고, 분석된 전류 밀도와 전압 강하 결과를 Icepak으로 연계하여 열 발생을 예측할 수 있다.
Icepak은 전자 부품의 열 관리와 열 해석을 전문으로 하는 CFD Solver로, 전자기 해석 결과를 활용해 열 손실을 정밀하게 평가하고 최적화할 수 있는 다양한 시뮬레이션 기능을 지원한다. 특히 냉각 장치와 대류 조건을 설정하여 실제 사용 환경에 맞춘 열 관리 시뮬레이션을 가능하게 한다.
HFSS 3D Layout과 Icepak은 모두 Ansys Electronics Desktop (AEDT) 환경 내에서 실행되므로, [그림 1]처럼 유사한 GUI 환경을 제공해 엔지니어들이 쉽게 다룰 수 있다.
[그림 1] (a) HFSS 3D Layout과 (b) Icepak GUI
■ 연성해석 개요
이번 워크샵에서는 AEDT 플랫폼을 활용한 PCB의 전자기(EM) 해석, 열 해석, 구조 해석을 연계하여 통합적으로 수행하는 방법을 다룹다. HFSS 3D Layout의 DCIR Drop해석을 통해 PCB 설계 내 전력 레일의 전류 밀도와 전압 강하를 분석하고, 이 결과를 Icepak으로 연동하여 발열 분석을 수행한다. 이를 통해 PCB의 전기적, 열적 성능을 동시에 평가하고 최적화할 수 있는 실질적인 방법을 제시한다. 이미지 [그림 2]에서 보듯이, DCIR Drop 해석 결과는 열 해석 모델로 전달되어 PCB의 온도 분포를 예측하는 데 사용된다.
[그림 2] AEDT 플랫폼에서의 PCB 열 해석
■ HFSS 3D Layout DCIR Drop 해석
HFSS 3D Layout의 Nets 창에서는 설계에 포함된 Net 목록을 확인할 수 있으며, 필요한 Net을 쉽게 검색하고 관리할 수 있다. 특정 Net만 선택적으로 표시할 수 있어, 복잡한 설계에서도 중요한 Net을 집중적으로 분석할 수 있다.
[그림 3]처럼 Classification에서 를 선택한 후, GND Net을 우 클릭하여 "Show (hide all other)" 옵션을 사용하면, GND Net만 표시된다. 이렇게 하면 다른 Net들은 숨기고, GND Net에만 집중하여 분석할 수 있다. 이후 V3P3_S5 Net을 선택한 후 "Show" 옵션을 사용하면, V3P3_S5 Net 역시 화면에 표시된다. 이렇게 특정 Net을 선택적으로 활성화하여 설계의 가시성을 높이고, 필요한 Net에 집중할 수 있다.
[그림 3] HFSS 3D Layout Net 설정
HFSS 3D Layout에서는 여러 개의 레이어로 구성된 PCB를 쉽게 관리할 수 있다. Layers창을 통해서, 특정 레이어만 선택적으로 표시하거나 숨길 수 있는 기능을 제공하여, 설계의 가시성을 높이는 데 큰 도움이 된다. [그림 4]처럼Top과 Bottom Layer만을 제외하고 나머지 Layer의 체크표시를 해제함으로써 Top과 Bottom Layer만을 표시한다.
[그림 4] Layer 표시 설정
PCB 설계에서는 여러 핀들을 그룹으로 묶어 특정 핀들의 동작을 효율적으로 관리할 수 있다. 이를 통해 필요한 핀들을 한 번에 제어하고, 분석하기가 훨씬 수월 해진다. 파워 핀 그룹을 정의하고 각 핀에 흐르는 전류를 분배하여 전압 강하를 측정한다. 파워와 그라운드 그룹 간의 전류 경로를 확인하여, 불균형한 전류 분포나 높은 저항 경로를 찾는다다. [그림 5]처럼 PCB 설계 화면에서 UA25 부품을 클릭한다. UA25는 우리가 그룹화하고자 하는 핀이 포함된 부품이다. 그 후, 상단 메뉴에서 Tab: Layout으로 이동한 다음, Pin Groups 버튼을 클릭하여 UA25의 핀들을 그룹화 한다.
[그림 5] Pin Group 생성 과정
[그림 6]처럼 Reference Designator에서 UA25를 선택하여 해당 부품의 핀들을 확인한다. UA25는 우리가 그룹화할 핀들이 있는 부품이다. 그 다음, Nets 목록에서 GND와 V3P3_S5 net을 선택한다. 이 두 Net을 선택한 후, Create Pin Groups 버튼을 클릭하여 핀 그룹을 생성한다. 이렇게 생성된 그룹은 화면 왼쪽 Pin Group List에 추가된다. 이제 GND와 V3P3_S5 Net에 해당하는 핀들이 하나의 그룹으로 묶여 관리되며, 특정 동작을 한 번에 설정할 수 있게 된다.
[그림 6] Pin Group 설정 과정
이제는 Current Source 생성을 진행해보겠다. [그림 7]처럼 Components 창에서 생성된 Pin Group 중에서 UA25_V3P3_S5와 UA25_GND_Group을 선택한다. 이 두 그룹은 우리가 전류 소스를 설정할 핀 그룹이다. 그런 다음, Current Source 아이콘을 클릭하여 새로운 Current Source를 생성한다. 생성 순서에 따라 먼저 선택한 Pin Group이 Positive node로 설정되고, 두 번 째로 선택한 Pin Group이 Negative node로 자동 설정된다. 즉, Positive와 Negative의 방향을 설정할 때 선택 순서가 중요하다. 이렇게 Current Source를 설정하면 해당 노드 간의 전류를 정의할 수 있으며, 이를 통해 특정 전류가 흐르는 조건을 시뮬레이션 할 수 있다.
[그림 7] Current Source 생성
그 다음, [그림 8]처럼 Voltage Source를 생성한다.
먼저, Layer 창에서 Bottom Layer를 숨긴다. 이를 통해 회로에서 필요한 레이어만 표시할 수 있다. 그 다음, Voltage Source 아이콘을 클릭하여 Voltage Source를 생성한다. Positive Terminal을 설정하기 위해 TOP Layer에 있는 V3P3_S5 Net을 선택한다. 이 Net이 전압의 양극(Positive Terminal) 역할을 한다. Negative Terminal로는 GND Net을 선택하여 음극 역할을 설정한다.
[그림 8] Voltage Source 생성
Current & Voltage 설정 방법이다. [그림 9]처럼 Project Manager 창에서 Sources 항목을 찾는다. 여기에서 전류와 전압 소스를 설정할 수 있다. 먼저, UA25_GND_Group을 더블클릭 하여 Current Source를 설정한다. Magnitude 항목에 20 Amps를 입력하여 전류 값을 설정한다. 이 값은 회로에서 흐르는 전류의 크기를 나타낸다. 다음으로, V1 소스를 더블 클릭하여 Voltage Source를 설정한다. Magnitude 항목에 3.3 Volts를 입력하여 전압 값을 설정한다. 이 값은 전압 소스의 크기를 지정하여 회로 내에서 3.3V의 전압이 흐르도록 설정한다. 이와 같이 Current와 Voltage 설정을 통해 회로의 전류와 전압 조건을 구체적으로 정의할 수 있다.
[그림 9] Current & Voltage 설정
DCIR Drop 시뮬레이션은 PCB 설계에서 전류가 흐를 때 발생하는 전압 강하를 분석하는 중요한 해석이다. [그림 10]처럼 "Use sources defined in project" 옵션을 선택한다. 이 옵션은 이미 프로젝트 내에 정의된 전류와 전압 소스를 사용하는 설정이다. 이를 통해 추가적인 소스 설정 없이 간단하게 시뮬레이션을 시작할 수 있다. 다음으로, "Export power dissipation for use in Ansys Icepak and Mechanical" 옵션을 선택한다. 이 옵션을 활성화하면 DCIR Drop 해석에서 발생하는 전력 손실 데이터를 Icepak과 Mechanical로 내보낼 수 있다.
[그림 10] DCIR Drop 시뮬레이션 설정
시뮬레이션을 실행하기 전에 [그림 11]처럼 Validate 버튼을 클릭하여 설계와 설정에 대한 유효성 검사를 수행해야 한다. 유효성 검사는 프로젝트에 문제가 없는지, 그리고 모든 필요한 요소들이 제대로 정의되고 연결되었는지를 확인하는 중요한 과정이다. 유효성 검사를 실행하면, 소프트웨어가 프로젝트의 설정과 구성 요소들이 정상적으로 연결되었는지 확인하고, 문제가 없는 경우 "Validation for this design is complete and all checks succeeded"라는 메시지가 나타난다. 이 메시지가 표시되면 설정에 이상이 없다는 뜻이다. 유효성 검사가 완료되면 Analyze를 클릭하여 시뮬레이션을 실행한다.
[그림11] 유효성 검사 & 시뮬레이션 실행
Voltage Plot을 통해 PCB 설계에서 전압 분포를 시각화 하는 방법을 설명 드리겠다. PCB 설계에서 전압 분포를 시각적으로 확인하는 것은 전력 무결성과 신호 무결성을 분석하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 이를 통해 회로 내에서 전압이 어떻게 분포되는지 한눈에 파악할 수 있다. [그림 12]과 같이 Project Manager 창에서 Field Overlays를 우 클릭한다. 그 다음 Plot DC Fields 메뉴로 이동하여 Voltage 옵션을 선택한다. 이를 통해 전압 분포를 시각화 할 수 있는 화면이 나타난다. 전압 분포를 확인하고자 하는 특정 네트워크와 레이어, 예를 들어 V3P3_S5를 선택한다. 이 네트워크를 선택하면 해당 영역의 전압 분포가 화면에 표시된다.
[그림12] Voltage Plot 설정
PCB 상에서 전압이 어떻게 분포되는지를 색상으로 시각화한 모습이다. 색상 변화는 전압 수준을 나타내며, 이를 통해 회로 내 전압 분포를 쉽게 파악할 수 있다. [그림 13]의 파란색 또는 연두색으로 표시된 영역을 보면, 이 부분의 전압이 3.252V에서 3.262V 정도로 다른 부분에 비해 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 발열 가능성이 높은 구역을 쉽게 파악할 수 있다. DCIR Drop에서 전압 강하가 발생하는 곳은 높은 전류 밀도나 전류가 집중된 상태로 인해 전력 손실이 증가하여 열 발생 확률이 높다.
[그림13] Voltage Plot
■ Icepak 열 해석
이어서 Icepak 열 해석 부분이다. 앞서 우리는 PCB 설계에서 전력 밀도와 전압 분포를 분석하여 발열 가능성이 높은 구역을 파악했다. 이제, 이러한 전력 손실이 실제로 해당 구역에서 얼마나 많은 열을 발생시키는지 확인하기 위해 AEDT Icepak을 활용한 열해석을 진행하겠다. Icepak은 3D Layout와 마찬가지로 모두 AEDT 플랫폼 내에서 제공되기 때문에, 사용자는 익숙한 환경에서 열 해석과 전자기 해석 작업을 효율적으로 수행할 수 있다. [그림 1]참고.
PCB Components 생성에 대해 설명 드리겠다. Icepak에서는 3D Components 기능을 통해 PCB 설계에 포함된 주요 부품을 3차원 모델로 가져와 시뮬레이션 한다. 3D Components는 칩, 히트 싱크, PCB 보드 등의 주요 부품을 물리적으로 모델링하여, 각 부품의 열 특성과 발열 분포를 반영한다. PCB에 맞는 부품을 추가하고 시각적으로 배치함으로써, 각 부품이 실제 환경에서 어떤 온도를 경험하게 될지를 예측할 수 있다. [그림 14]처럼 Project Manager 창에서 3D Component를 우 클릭 Create PCB를 눌러 PCB 컴포넌트를 생성한다. 다음으로, Setup Link를 통해 PCB 설계와 Icepak 모델을 연결한다. “Simulate source design as needed” 옵션으로 필요 시 소스 설계를 반영하며, “Preserve source design solution” 옵션으로 설계 솔루션을 저장하고 유지한다.
[그림14] PCB Components 생성 Setup Link
Setup Link는 Icepak에서 HFSS 3D Layout을 열 해석에 활용할 수 있도록 소스 설계와 연결하는 중요한 설정이다. [그림 15]처럼 각 설정 탭에서는 다양한 설정이 가능한다. General Tab에서는 소스로 사용될 HFSS 3D Layout을 설정하거나, Variable Mapping Tab에서는 HFSS 3D Layout 설계의 변수 정보 확인을 확인하고 Mapping이 가능한다. Board Settings Tab에서는 PCB의 형상 및 재질을 정의하여 Part Settings Tab을 통해서 PCB 설계에서 부품 및 패키지 불러오거나 필터링 할 수 있다.
[그림15] Setup Link 상세 옵션
[그림 14]에 이어 [그림 16]과 같이Resolution (PCB의 해상도를 설정하는 옵션)에서 해상도를 Fine으로 설정한다.
[그림 16] PCB Components 생성 해상도 조절
Icepak에서는 단순히 온도분포 뿐만 아니라, 유체 흐름, 복사에 의한 열 전달까지 포함하여 복잡한 열 해석을 수행할 수 있다. 이를 통해 열이 어떻게 발생하고 전달되는지에 대해 분석이 가능해진다. [그림 17]와 같이 이번 워크숍에서는 온도와 유체 흐름을 동시에 분석하며, 난류 상태에서의 중력이 작용하는 조건으로 설정한다.
[그림 17] 열 해석 설정
[그림 18]처럼 Icepak Solver에서는 다양한 해석 조건을 설정할 수가 있다. “Problem Types”는 해석에 포함할 물리 량을 선택하는 옵션으로, 해석에 필요한 물리 량을 설정하는 중요한 부분이다. “Flow Regime”은 유동의 유형을 설정하는 옵션이다. 층류 (Laminar)와 난류 (Turbulent) 중에서 선택할 수 있다. “Radiation Model”은 방사 모델을 설정하는 부분이다. “Include Gravity”은 중력을 포함할지 여부를 설정하는 항목으로, 자연대류 해석과 같은 경우 중력 효과가 유동에 영향을 미칠 수 있기 때문에 필요 시 이 옵션을 활성화해야 한다. “Initial Conditions”는 해석 초기 유동 조건을 설정하는 부분이다. X, Y, Z 방향의 속도나 초기 온도 등을 지정하여 해석을 시작할 수 있다.
[그림 18] 열 해석 설정 상세 옵션
해석공간 설정의 중요성과 설정 방법에 대해 설명 드리겠다. Icepak에서 열 해석을 정확하게 수행하기 위해서는 모델 주위에 충분한 해석 공간을 확보해야 한다. 특히, 대류를 고려한 해석에서는 열과 공기의 흐름이 주로 Z축 방향으로 발생하는 경우가 많기 때문에, [그림 19]처럼 Z축 방향으로 Padding 값을 5000으로 크게 설정해 준다. 이를 통해 상하로 열이 이동할 수 있는 충분한 공간을 확보하여 더욱 정확한 해석 결과를 얻을 수 있다.
[그림 19] 해석공간 설정
해석공간을 만들었다면, “Assign Thermal” 설정을 통해 해석 공간에 열 조건을 부여하는 방법에 대해 설명 드리겠다. 이 기능을 통해 해석 공간의 온도와 외부 복사 온도, 그리고 유동 조건을 설정할 수 있다. 먼저 “Thermal Specification” 항목에서 개구부의 온도를 설정할 수 있다. “Flow Specification”을 통해 개구부를 통한 공기의 유동 조건을 정의할 수 있다. 이번 워크숍에서는 [그림 20]과 같이 설정하여 최 외각 6면 모두에서 열과 유체가 자유롭게 출입함을 가정하여 해석을 진행한다.
[그림 20] 해석공간 설정
열 해석 공간과 설정을 마치면, Mesh 설정을 진행한다. Icepak에서 Mesh 설정은 해석 결과의 정확성과 효율성에 큰 영향을 미치므로 매우 중요한다. 정확한 해석을 요하는 PCB부분은 [그림 21]처럼 Region의 Offset 값을 0으로 설정하여 PCB의 Mesh가 정확히 PCB 영역에 맞게 생성하고, Region의 Offset 설정을 통해 PCB의 주변 영역에 Mesh를 단계적으로 키워 나가며 설정하여 불필요한 계산 비용을 줄이면서도 중요한 영역의 해석 정확도를 유지할 수 있다. Mesh의 크기를 정의하기 위해 Maximum Element와 Minimum Gap을 설정한다. Maximum Element는 PCB 크기의 절반 정도로 설정하는 것이 권장되며, Minimum Gap은 PCB 상의 가장 작은 형상 길이 1/10에 맞춰 설정해 주어 Trace에 최소 1개의 격자가 적용되게 해준다. PCB의 종횡비가 큰 경우에는 2D Multi-Level Mesh를 사용하는 것이 좋다.
[그림 21] PCB Mesh 설정
Region의 Offset 설정을 통해 [그림 22]처럼 PCB의 주변 영역에 Mesh를 단계적으로 키워 나가며 설정한다. 이 설정을 통해 열 발생이 집중된 부분에 보다 정밀한 해석을 적용할 수 있다. Offset 값이 커질수록 주변 영역의 Mesh가 점진적으로 커지게 되며, 해석의 정확도와 효율성이 동시에 높아진다. [그림 22]처럼, 첫 번째 설정에서는 기본적인 Mesh를 적용하고, 이후 두 번째, 세 번째 설정에서 각각 1mm, 3mm, 10mm의 Offset 값을 적용하여 Mesh를 점진적으로 확대해 나간다. 이렇게 Mesh를 점진적으로 확장하면, 중요한 영역에만 고해상도 Mesh를 집중 적용하여 자원의 효율성을 극대화하면서도 정확한 시뮬레이션이 가능하다.
[그림 22] 해석공간 점진적 Mesh 설정
설정된 Mesh가 잘 생성되었는지 확인하는 과정이 필요하다. Generate Mesh를 클릭하여 Mesh의 생성 상태를 확인한다. Mesh를 시각적으로 확인할 때 고려해야 할 사항으로는, Non-Conformal Interface 기준에 따라 설정된 내 외부 Mesh의 비율이다. 최대 1:5 비율 까지만 적용하는 것이 적절하며, 1:2 또는 1:3 비율을 권장한다. 또한, Layer별로 최소 1개 이상의 격자가 생성되어야 한다. Show 버튼을 활성화하여 [그림 23]과 같이 생성된 Mesh가 이러한 기준과 권장 사항을 충족하는지 확인한다.
[그림 23] Mesh 생성 단면도
Mesh Quality 탭을 통해 [그림 24]와 같이 Face Alignment와 Skewness 값을 수치적으로 확인할 수 있다. 권장되는 최소 Mesh Quality 조건으로 Face Alignment Mesh 면이 얼마나 정렬되어 있는지를 나타내는 값으로 0.1 이상이고 Skewness Mesh 요소의 왜곡 정도를 나타내는 값으로 0.01 이상이어야 한다.
이러한 기준을 통해 격자의 형태가 분석에 적합한지 판단할 수 있다. 만약 Mesh가 제대로 형성되지 않으면 시뮬레이션 중 발산 문제가 발생하거나, 분석 결과가 부정확해질 수 있으므로, 품질 기준을 충족했는지 확인하는 것이 중요하다.
[그림 24] Mesh Quality 확인
Validate 버튼을 클릭하면 설계와 설정에 대한 유효성 검사를 실행하여 이상이 없다면 시뮬레이션을 실행한다. 외부로 방사되는 열 분포를 시각적으로 나타내는 방법에 대해 설명 드리겠다. 외부 열 방사를 Plot하기 위해 해석 공간을 선택한 후, 우 클릭 Plot Field 이동하여 Temperature에 Temperature를 선택하면 열 분포를 시각적으로 확인할 수 있다. 외부 방사되는 열의 분포는 대류 효과를 함께 고려하여 해석된다. 결과 [그림 25]를 통해 대류 효과에 의해 열이 공기 중으로 확산되면서 온도가 어떻게 변화하는지를 확인할 수 있다.
[그림 25] 외부로 방사되는 열 분포
다음은 PCB의 열분포를 확인해보겠다. PCB의 열분포를 확인하기 위해 PCB른 선택 후 우 클릭 Plot Field 이동하여 Temperature에 Temperature를 선택하면 열 분포를 시각적으로 확인할 수 있다. [그림 26]를 확인해보면 특정영역에서 최고온도가 51.16도에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 PCB 내에서 발생하는 열의 집중도를 파악할 수 있다.
[그림 26] PCB의 열 분포
Visualization기능을 통해 PCB컴포넌트의 Layer가 어떻게 구성되어 있는지를 쉽게 확인할 수 있다. Properties 창에서 "Visualization" 탭을 선택하면 각 Layer를 표시할 수 있다. 이를 통해 PCB 컴포넌트에 특정 Layer만을 표시 시킬 수 있다. Layer를 시각적으로 표시하여 열이 집중되는 부분을 더욱 명확히 확인할 수 있다. [그림 27]을 보면 특히 DCIR Drop 해석 결과에 따라 [그림 13]에서 전압 강하가 많이 일어난 부분에서 열 발생이 가장 많이 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
[그림 27] PCB의 열 분포
맺음말
이번 호에서는 PCB 설계에 있어서 전자기장 해석과 열 해석의 연성 접근법을 통해, 전력 밀도와 발열 문제를 효율적으로 해결하는 방법을 소개했다. Ansys HFSS 3D Layout과 Icepak을 활용한 예제를 통해 엔지니어들이 전류 밀도, 전압 강하 분석부터 열 관리까지 통합적으로 해석할 수 있는 방법을 배울 수 있었다. 이와 같은 연성 해석을 통해 PCB의 설계 초기 단계에서부터 전력과 열 문제를 사전에 예측하고 최적화할 수 있다. 앞으로도 PCB 설계의 복잡성이 증가하는 만큼, 이러한 연성 해석 방법이 전자기장 엔지니어들에게 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
좋아요이 원고가 마음에 든다면 하트를 꾸욱!
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