3DEXPERIENCE & SOLIDWORKS 기술매거진 - 2025년 2월

"전자장치 내부 전자-칩 패키지 재질 적용이 가능한 '2-저항 모델' 열/유동해석 적용방법"

안녕하세요, 웹스시스템코리아 기술지원부입니다.

오늘 이 시간에는 SOLIDWORKS Flow Simulation에서 반도체 소형 전자 칩 패키지(2-저항 컴포넌트)를 정의하고 일반적으로 해석에서 결과를 확인하는 방법을 알아보도록 하겠습니다.

제한사항: '2-저항 모델' 유동해석 피처 는 SOLIDWORKS Flow Simulation - Electronic Cooling 모듈 사용자만 이용할 수 있습니다.

• 일반적으로 우리는 소형 전자 패키지(칩)은 3개의 노드로 구성된다고 간주합니다.
  1) “Junction(접합점)”은 열을 차단하는 측면 벽을 포함하는 높은 전도율의 고체판으로 간주되므로, 주변 환경과 열을 교환할 수 있는 곡면은 맨 위와 맨 아래 곡면뿐입니다.
  2) “Board(보드)”는 패키지 풋-프린트 바로 아래 로컬 환경과 직접적으로 열 접촉된 부분으로, 일반적으로 인쇄 회로 기판(PCB)입니다.
  3) “Case(케이스)”는 패키지 맨 위 바로 위 로컬 환경과 직접적으로 열 접촉된 부분으로 일반적으로 히트싱크와 함께 사용되는 대기 또는 열 인터페이스 재질입니다.
  
  
• 모든 노드는 Junction(접합점)에서 Board(보드)로, θJB (Junction에서 장착된 보드까지) 및 접합점에서 케이스로, θJC (접합점에서 패키지 맨 위 곡면까지)
  열-저항(SI에서 K/W 단위)의 사용자 지정 값에 해당하는 두 개의 열 저항으로 함께 연결되어 있습니다. 지정된 열 저항은 칩을 통한 열 전도를 계산하는 데 사용됩니다.
  
  
• ‘2-저항 컴포넌트’의 라이브러리는 아래 이미지를 참고하시면 됩니다. 일반적으로 전자 칩의 데이터 시트에서 값을 확인하고 작성하여 재질을 작성하면 하면 됩니다.
  SOLIDWORKS Flow Simulation 에서는 Junction – Case, Junction – Board 값을 지정하시면 됩니다.
  
  
  
  그림 1. 2-저항 모델 (샘플) 정보
  
  
• 먼저, 상단 ‘그림 1’과 같이 열 저항을 사용하여 ‘2-저항 모델’ 을 지정합니다. ChipArray_tst (2저항 컴포넌트 재질 정보) 를 작성하거나 기존 2-저항 모델 재질을 지정합니다.

  - Junction-Case 열 저항, Jc=1.00 K/W , Junction-Board 열 저항, Jb=0.33 K/W
  
  
• 아래 ‘그림 2’ 와 같이, 체적 열원이 아닌 ‘2-저항 모델’을 선택하여 열원을 3W 로 지정합니다. ‘윗면’ 은 칩의 상단면, 2-저항을 적용할 부품은 칩 파트를 그대로 선택하면 됩니다.
  
  

  
  그림 2. 2-저항 모델 부품 선택 및 열원 정보 기입
  
  
• 추가적으로 결과가 정상적으로 적용되었는지 확인하기 위하여 골(Goal)을 설정합니다.

  첫 번째, ‘2-저항 모델’의 상단면 케이스와 기판과 연결되는 하단면을 선택하고 평균 온도 곡면 골(Goal)을 정의합니다.
  두 번째, ‘2-저항 모델’ 로 설정한 파트에 평균 체적 온도 체적 골(Goal)을 정의합니다.
  
  
• 요소, 케이스, 교차점 및 기판 사이의 온도 차이를 확인하려면 교차점-케이스 또는 교차점-기판 간 곡면을 통과하는 전력(W)도 곡면 골(Goal)과 열-저항 값이
  정상적으로 적용되었는지 역산하기 위해 수식 골(Goal)을 아래 그림 3과 같이 설정하고 마무리합니다. 설정이 어려운 경우, 값을 확인하여 엑셀에서 확인하셔도 됩니다.
  
  
• 3W 케이스 예제 해석 결과
  해석이 완료되면 곡면 플롯을 통해 전자-칩(2-저항 모델)과 PCB 의 해석 결과를 확인해볼 수 있습니다. 
  정의된 열 저항 목표 식 SOLIDWORKS Flow Simulation Equation Goal 또는 Excel 등으로 확인해보면 설정된 열 저항 값 조건으로 적용된 결과를 확인해볼 수 있습니다.
   

Junction Case 열-저항(K/W) = {(2-저항 모델 평균 온도(℃) – 2-저항 케이스 곡면 온도(℃)} / 케이스 곡면 측정 전력 [W]

Junction Board 열-저항(K/W) = {(2-저항 모델 평균 온도(℃) – 2-저항 보드 곡면 온도(℃)} / 보드 곡면 측정 전력 [W]

• 전자-칩 패키지의 데이터 시트가 있다면 체적 열원으로 적용하는 것이 아닌 2-저항 모델을 활용하여 실제 현상과 더 비슷한 경향을 확인해볼 수 있습니다. 
  상세 내용은 하단 첨부된 ZIP 파일에 이 시나리오에 대한 예제 파일이 포함되어 있습니다.
  
  첨부 1. 기술문서 원본
  첨부 2. 해석 샘플 모델 ZIP 파일 (SOLIDWORKS 2024 버전)