써멀 패드 설계 가이드: 열 저항 계산·압축률·절연 내력·조립 공차 기준

써멀 패드는 열전도 자체보다 발열 부품과 방열판 사이의 공기층을 대체하는 역할을 합니다. 일반 패드의 열전도율은 약 1~5 W/m·K로 공기(약 0.026)보다 높지만 구리(약 400), 알루미늄(200 이상)보다 낮습니다. 즉, 공기층보다는 낫지만 추가 열저항이 생깁니다.

열저항은 표기된 W/m·K만으로 결정되지 않습니다. 접촉 면적이 같다면 압축 후 두께(BLT)에 비례하고 열전도율에 반비례합니다. 0.5 mm·1 W/m·K 패드는 2.0 mm·3 W/m·K 패드보다 열저항이 낮을 수도 있습니다. 절연 두께, 압축률, PCB 휨과 솔더볼 응력도 함께 고려해야 합니다.이 글은 열 경로, 절연 요구와 조립 공차를 따라 써멀 패드의 적용 여부, 두께와 압축량을 정하는 방법을 설명합니다.

써멀 패드의 역할과 열저항 기본식

써멀 패드는 공기층을 대체합니다. 공기 약 0.026, 패드 1~5, 알루미늄 200 이상, 구리 약 400 W/m·K가 참고값입니다. PCB 방열 설계와 함께 확인하세요.

열저항 계산과 압축 후 두께(BLT)

열저항은 Rθ≈BLT/(k·A)로 비교합니다. BLT는 압축 후 두께, k는 열전도율, A는 접촉 면적입니다. 면적이 같다면 얇고 열전도율이 높은 재료가 유리합니다.

예를 들어 0.5 mm·1 W/m·K의 BLT/k는 0.5, 2.0 mm·3 W/m·K는 약 0.67입니다. 얇은 저전도 패드가 더 낮은 열저항을 가질 수 있으며, 실제 성능은 접촉면·압력·데이터시트로 확인합니다.

자유 두께는 조립 간격과 압축률로 정합니다. 20~30%는 초기 검토 범위일 뿐이며, 허용치는 재료 데이터시트를 따릅니다. 40% 초과를 기본값으로 적용하지 마세요.

방열판·PCB·부품 높이의 공차를 합산해 최소·최대 간격을 계산하세요. 간격만큼의 두께를 그대로 선택하면 압축이 부족해 공기 틈과 국부 핫스팟이 남을 수 있습니다.

전기 절연 내력과 재료 선택

전력 소자 탭이나 금속 방열면이 전위에 놓이고 방열판과 분리돼야 한다면 절연형 써멀 패드를 검토합니다. 요구 내전압은 패드 두께만으로 정하지 말고 재료의 절연 파괴 강도, 시험 조건, 사용 전압과 안전 규격을 확인합니다.

절연 두께를 키우면 열저항이 증가할 수 있으므로, 요구 내전압을 만족하는 최소 두께와 열 성능을 함께 검토합니다. 흑연 시트 등 전기 전도성 재료는 절연재가 아니므로 고전압 절연층으로 사용하지 않습니다.

조립 압력·공차와 접촉면 설계

나사·스프링 나사·클립은 압력이 다릅니다. 패드 압축력 곡선과 부품 허용 하중에 맞추고, 스프링 체결로 편차를 흡수할 수 있습니다.

과압은 PCB 휨과 BGA 응력, 부품 손상을, 저압은 접촉 불량과 열저항 상승을 부릅니다. 패드는 부품·위치결정 기둥을 피하고 압착 시 밀려날 공간을 둡니다.

양면 테이프는 고정용입니다. 접착층은 추가 열저항이 될 수 있으며, 압착력을 대신하지 않습니다. 접촉면 평탄도와 PCB 휨도 함께 점검하세요.

노출 동박은 열 전달에 도움이 될 수 있지만 솔더마스크는 계면 열저항을 더할 수 있습니다. 절연·부식·제조 조건을 함께 검토하세요.

얇은 패드 적용이 어려우면 그리스나 갭 필러도 검토합니다. 펌프아웃, 도포량, 재작업성과 절연 요건을 시제품으로 확인하세요.

선정·투입 전 체크리스트

자주 묻는 질문

열전도율이 높으면 항상 더 잘 식나요?

아닙니다. BLT, 면적과 압력도 열저항에 영향을 줍니다.

압축률이 30%를 넘으면 위험한가요?

허용치를 넘으면 PCB 휨과 솔더볼 응력이 커질 수 있습니다.

고전압 절연에 흑연 패드를 써도 되나요?

안 됩니다. 흑연은 전도성이므로 절연형 재료를 선택하세요.

접착층은 열성능에 영향을 주나요?

계면 열저항을 더할 수 있습니다. 접착층은 고정용이며 압착을 대신하지 않습니다.

간격 공차가 크면 어떻게 선정하나요?

공차 누적으로 최소·최대 간격을 계산하고, 양쪽에서 허용 압축률인지 확인합니다.

실무 정리

써멀 패드는 BLT, 절연 내력, 공차별 압축률과 체결 압력을 확인하고 시제품 시험으로 검증하세요.