전자기기 열해석 입문: 무엇을 어떤 순서로 해석할까
전자기기 열해석을 처음 도입하는 설계팀을 위한 실무 안내입니다. 발열량과 냉각 조건을 정리하고, 열이 빠져나가는 경로를 모델링한 뒤 계산값을 시제품 측정과 비교해 설계안을 판단하는 순서를 설명합니다.
델타이에스수정
전자기기 열해석을 처음 시작할 때 무엇을 어떤 순서로 확인해야 할까요? 먼저 확인할 부품과 온도 기준을 정하고, 열이 빠져나가는 경로와 작동 조건을 모델링한 뒤 계산 결과를 시제품 측정값과 비교합니다.
예를 들어 설계팀이 통풍구 위치를 바꾸려 한다면, 첫 모델의 목표는 변경 전후에 주요 부품 온도가 어떻게 달라지는지 확인하는 것입니다. 비교할 부품과 운전 조건부터 정해 두면, 어떤 형상을 남기고 어떤 데이터를 먼저 확보할지 판단하기 쉽습니다.
그림 1. 전자기기 열해석에서 함께 살펴보는 발열 부품과 냉각 경로 (출처: 개념도)
핵심 요약
설계에서 결정할 항목, 확인할 위치와 온도 기준, 비교할 운전 조건을 먼저 정합니다.
첫 모델에는 주요 발열원과 열이 빠져나가는 경로를 남기고, 발열량·물성·경계조건의 출처를 기록합니다.
같은 조건과 위치의 계산값·측정값을 비교한 뒤, 입력과 측정의 불확실성을 고려해 설계 여유를 판단합니다.
첫 열해석에서 무엇을 볼까
열은 칩에서 패키지와 인쇄회로기판(PCB) 또는 방열판을 거쳐 공기나 함체로 빠져나갑니다. 이 열전달 경로(Heat Path)는 여러 갈래일 수 있습니다. 방열판을 키워도 방열판까지 열을 전달하는 접촉면이 병목이라면 기대한 만큼 부품 온도가 내려가지 않을 수 있습니다.
질문에 따라 해석 범위를 정합니다. 반도체 내부의 접합온도(Tj)가 기준이면 칩과 패키지의 열경로를 표현할 수 있는 부품 모델이 필요합니다. 팬이나 통풍구를 바꿀 때는 부품 주변의 공기 흐름을 결정하는 PCB 배치와 함체까지 포함합니다. PCB가 가로막는 공기 통로를 생략하면 통풍구 위치의 영향을 비교하기 어렵습니다.
그림 2. 발열 부품에서 방열판과 PCB로 갈라지는 열전달 경로 (출처: 개념도)
Simcenter Flotherm의 전자기기 열·유동 모델링은 패키지와 PCB, 함체를 함께 다룰 때 활용할 수 있습니다. 설계 형상을 바꾸며 비교하는 팀은 Simcenter FLOEFD의 CAD 내 유동·열해석을 검토할 수 있습니다. 전자냉각 전용 도구와 범용 전산유체역학(CFD) 도구를 비교할 때는 자주 쓰는 PCB·부품 모델, 설계 데이터 연계, 필요한 물리 모델을 기준으로 봅니다.
열해석 모델을 만드는 순서
1. 확인할 온도와 운전 조건을 정합니다
팬·방열판 선정이나 함체 밀폐 여부처럼 먼저 결정해야 할 설계 항목을 정합니다. 다음으로 부품 데이터시트와 제품 요구사항을 보고 접합온도, 케이스 표면 온도, PCB 온도 중 어느 값을 어디에서 확인할지 기록합니다. 온도 기준과 함께 주변 온도, 설치 방향, 운전 모드도 정해 두어야 설계안을 같은 조건에서 비교할 수 있습니다.
2. 발열량과 재료 물성을 모읍니다
부품마다 해당 운전 모드에서 열로 바뀌는 전력(W)을 정리하며, 전원 변환 부품은 같은 운전점의 입력 전력과 출력 전력의 차이를 손실 추정에 씁니다. 프로세서의 열설계전력(TDP)은 제조사가 정한 설계 기준이므로 실제 부하의 발열량을 추정할 때는 공급 전력과 부하 조건을 함께 확인합니다.
기판을 따라가는 방향과 두께 방향의 열전도율, 방열판 재료, 열전달 재료(TIM)의 두께와 접촉 조건 등 주요 열경로에 영향을 주는 항목을 정리합니다. 값의 출처와 가정 범위를 적어 두면 결과에 민감한 입력부터 추가로 확인할 수 있습니다.
3. 주요 열경로와 냉각 조건을 모델에 반영합니다
주요 열원과 PCB, 방열판, 함체를 넣고, 방열판 접촉면과 좁은 공기 통로처럼 결과에 영향을 줄 수 있는 형상은 유지하거나 그 효과를 모델에 반영합니다. 주변 공기 온도와 개구부 상태처럼 모델 경계에서 온도와 유동을 정하는 경계조건을 입력하고, 팬이 있다면 성능 곡선도 반영합니다.
팬 없이 부력으로 공기가 움직이는 자연대류에서는 설치 방향과 공기 통로를, 팬을 쓰는 강제대류에서는 통풍구·필터의 저항에 따른 유량 변화를 확인합니다. 밀폐형 함체는 외벽을 통한 방열을 검토하고, 실외 장비는 설치 조건에 따라 햇빛에서 흡수하는 복사열도 고려합니다.
그림 3. LED 조명 방열판의 해석 형상과 온도 측정 위치
출처 Adhikari 외(2020), 원문 그림 10 · CC BY 4.0
해석 결과로 설계안을 판단하는 법
4. 온도 분포에서 원인 후보를 좁힙니다
온도가 가장 높은 지점과 설계 기준을 적용할 위치를 각각 확인합니다. 온도 단면과 공기 흐름을 함께 보면 차가운 공기가 발열 부품까지 닿는지, 따뜻해진 공기가 다시 유입되는지 살펴볼 수 있습니다. 설계안끼리 비교할 때는 온도 표시 범위를 맞추고 관심 지점의 온도를 같은 조건에서 비교합니다.
반복 계산에서 관심 지점의 온도가 안정되고 에너지 수지가 맞는지 확인한 뒤, 주요 열경로의 격자를 더 촘촘하게 했을 때 판단에 쓰는 온도가 달라지는지도 점검합니다.
그림 4. LED 조명 방열판 주변의 종방향·횡방향 온도 분포
출처 Adhikari 외(2020), 원문 그림 13 · CC BY 4.0
5. 시제품 측정과 비교해 설계 여유를 확인합니다
시제품과 모델의 운전 모드, 주변 온도, 설치 방향을 맞추고, 열전대로 부품 표면을 측정했다면 해석에서도 같은 표면 위치의 온도를 비교합니다. 차이가 크면 발열량, 팬 유량, 접촉 조건, 센서 위치를 하나씩 확인하고, 모델을 보정했다면 가능한 경우 다른 운전 조건에서 다시 비교합니다.
그림 5. 열화상 카메라로 방열판 표면 온도를 측정한 LED 조명 시제품의 자연대류 시험 구성
출처 Adhikari 외(2020), 원문 그림 11 · CC BY 4.0
열설계 여유(마진)는 같은 온도 지표에서 허용 기준과 예측값의 차이입니다. 필요한 여유는 제품 요구사항에 따라 정하고, 발열량의 변동과 측정 불확실성이 설계 판단을 바꿀 수 있는지도 살핍니다.
그림 6. 방열판 바닥면의 위치별 실측 온도(빨강)와 CFD 예측값. 녹색은 시험 발열량(240 W), 파란색은 설계 발열량(282 W)을 적용한 결과입니다.
출처 Adhikari 외(2020), 원문 그림 12 · CC BY 4.0
설계 검토 체크리스트
확인 항목 | 검토를 마칠 기준 |
|---|---|
온도 기준과 위치 | 부품별 허용 기준과 접합·표면 등 비교할 온도의 종류가 정해져 있습니다. |
발열량과 냉각 조건 | 값의 출처와 가정이 기록되어 있고, 변경 시 온도에 민감한 입력을 확인했습니다. |
설계안 비교 | 운전 조건을 맞춰 온도를 비교했고, 차이의 원인 후보를 열경로와 공기 흐름에서 찾았습니다. |
시제품 측정과 마진 | 같은 위치와 조건에서 해석과 실측을 비교했고, 편차와 필요한 설계 여유를 검토했습니다. |
그림 7. 전자기기 열해석의 진행 순서와 실측 비교 후 다시 확인할 항목 (출처: 개념도)
자주 묻는 질문
발열량을 모르면 열해석을 시작할 수 있나요?
데이터시트와 유사 운전 조건의 소비전력으로 근거 있는 가정 범위를 만들 수 있습니다. 범위의 양끝에서 설계 판단이 달라지는 부품부터 실측해 입력을 좁힙니다. 가정에 따라 결론이 바뀐다면 해당 결과는 설계안을 좁히는 데 쓰고, 채택 여부는 추가 확인 뒤 판단합니다.
케이스 표면 온도로 접합온도를 알 수 있나요?
표면 온도에서 접합온도를 추정하려면 부품에 맞는 열저항 네트워크나 제조사가 제공하는 열 특성 지표와 적용 조건을 확인해야 합니다. 데이터시트의 접합부-주변 열저항(RθJA)은 시험 PCB와 공기 조건의 영향을 받으므로 실제 함체에 그대로 대입하면 오차가 커질 수 있습니다.
정상 상태 해석부터 시작해도 되나요?
부하와 냉각 조건을 일정하게 유지했을 때 안정된 온도를 비교하려면 정상 상태 해석부터 시작할 수 있습니다. 짧은 고부하 구간이나 팬 속도가 변하는 동안의 최고 온도가 중요하다면, 시간에 따른 발열과 냉각 조건을 넣는 과도 해석을 검토합니다.
참고 자료
Siemens Digital Industries Software, Using Simcenter to test the thermal performance of electronics. 열 시뮬레이션과 측정 데이터를 연계하는 방법을 설명합니다.
Texas Instruments, Semiconductor and IC Package Thermal Metrics, SPRA953D. 접합온도 추정에 쓰는 열 특성 지표와 적용 조건을 설명합니다.
Intel, Thermal Design Power (TDP) in Intel Processors, 문서 000055611. 프로세서 열설계전력의 의미를 설명합니다.
NASA Glenn Research Center, Tutorial on CFD Verification and Validation. 격자에 따른 계산 결과의 변화와 실험 데이터 비교를 구분해 설명합니다.
Adhikari, R., Beyragh, D., Pahlevani, M., Wood, D. (2020). A Numerical and Experimental Study of a Novel Heat Sink Design for Natural Convection Cooling of LED Grow Lights. Energies, 13(16), 4046. 그림 03~06에 사용한 LED 조명 시제품 열해석·실측 연구.
글쓴이 · 델타이에스 엔지니어 작성
델타이에스는 Siemens Simcenter 파트너로, 본문에 언급된 제품의 공급과 기술 지원을 하고 있습니다.
