[논문]적합한 Epoxy 선정을 위한 EMC 모듈의 유한요소해석

이준성; 홍희록; 조계현; 박동근

doi:10.5762/kais.2014.15.11.6419

적합한 Epoxy 선정을 위한 EMC 모듈의 유한요소해석
Finite Element Analysis of an EMC Module for Selecting Epoxy 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.11, 2014년, pp.6419 - 6424

이준성 (경기대학교 기계시스템공학과) , 홍희록 (경기대학교 대학원 기계공학과) , 조계현 (경기대학교 대학원 기계공학과) , 박동근 (경기대학교 기계시스템공학과)

초록
AI-Helper

스마트폰 배터리 사용시간이 짧아지는 문제의 해결방안으로 PMP(Protection Module Package)를 제안한다. PMP란 보호회로가 하나의 반도체로 구성하는 것을 의미한다. 이번 연구에서는 유한요소 해석을 통하여 EMC 모듈의 적합한 Epoxy 재질을 선정하기 위한 기반연구를 수행하였다. 먼저 굽힘강도 해석을 통하여 외부 힘에 대한 응력을 비교하였다. 다음 열해석에서, 계산한 발열량을 사용하여 EMC 모듈의 내부 부품의 온도 변화를 비교한다. 마지막으로, 충전률은 EMC 모듈 내의 용융된 에폭시를 주입하여 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of the PMP (Protection Module Package) was proposed as a solution for the shorter battery lifetime. The PMP means that a protection circuit consists of a semiconductor single. In this study, basic research was carried out to select a suitable epoxy material of the EMC module through finite element analysis. First, the stress on the external force was compared by the flexural strength analysis. In the following thermal analysis, the temperature change of the EMC module and the internal part was compared using the calculated heating value. Finally, the filling ratio was compared with the injection of the melting epoxy in the EMC module.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

Mold flow의 성형성을 보기 위하여 용융된 Epoxy가 금형내로 유입될 때 일정 시간 뒤의 EMC 모듈의 충진율을 해석하고자 하였다. Fig.
그래서 배터리 사용시간이 짧아지는 문제가 계속 발생하고 있다[1]. 그에 따라 내부저항을 증가시키는 요인인 반도체와 PCB 기판 사이의 납땜 저항, 인쇄회로기판 패턴을 통해 발생되는 패턴 저항 등을 최소화하려고 한다. 그 방법으로 보호회로 전체를 하나의 반도체 형태로 구성하는 PMP(Protection Module Package)를 제안한다[2].
특히 PMP는 PCM 대비하여 IR을 대폭 감소할 수 있으며 PCB에서 발생하는 패턴에 의한 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 PMP를 만들기 앞서 EMC 모듈의 Epoxy 재질을 선정하는 기반연구를 수행하고, 지속적으로 중량절감[3] 및 수명예측[4]관련 연구를 수행하고자 한다.
본 연구에서는 반도체 외부 영향을 최소로 하기 우한 보호회로 전체를 하나의 반도체 형태로 구성하는 PMP 를 개발하기에 앞서 EMC 모듈의 적합한 에폭시 재료를 선정하기 위한 해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서 제안한 PMP(Protection Module Package) 부분은 FET + P-IC + Component 부분을 한 덩이로 만들었다. 이렇게 함으로써 보호회로의 내부임피던스를 저감하고, 체적을 줄여 용량을 극대화하고, 반도체 형태의 외관을 가져 외부 영향에 강인하게 만들고자 한다.

가설 설정

지지대의 재질은 steel로 가정을 하였다. 또한 지지대의 바닥부분을 고정을 시키고 하중은 EMC 모듈의 가운데 부분으로 가하였다.
3으로 주었다. 지지대의 재질은 steel로 가정을 하였다. 또한 지지대의 바닥부분을 고정을 시키고 하중은 EMC 모듈의 가운데 부분으로 가하였다.

제안 방법

마지막으로 mold flow의 유동해석을 통하여 충진율을 비교한다. 3가지 해석의 결과를 비교하여 적합한 재질을 선정하고자 한다.
전류가 들어가는 lead frame에 전류 3A, 4A, 5A, 6A에 해당하는 발열량을 계산하여 직접 열로 가하였다. Convection을 자연대류 조건으로 5 W/m²을 EMC 모듈 외부 면에 주고, EMC 모듈과 내부 부품의 온도변화를 관찰한다. 이때의 주변온도를 -40℃, -20℃, 0℃, 25℃, 40℃, 60℃로 온도를 변경하였다.
굽힘강도 해석은 각 Epoxy 재질이 굽힘강도를 넘지않는 범위에서 최대허용하중을 비교했다.
2는 EMC 모듈을 모델링한 것으로 해석 시, 모듈의 구조를 단순화시켜 구리선과 은선을 제외하고 해석을 진행하였다. 굽힘강도를 평가할 때 EMC모듈에 가해지는 응력을 잘 보기 위해서 지지대 부분을 만들어 EMC 모듈에 결합하였다.
그에 따라 내부저항을 증가시키는 요인인 반도체와 PCB 기판 사이의 납땜 저항, 인쇄회로기판 패턴을 통해 발생되는 패턴 저항 등을 최소화하려고 한다. 그 방법으로 보호회로 전체를 하나의 반도체 형태로 구성하는 PMP(Protection Module Package)를 제안한다[2]. 기존 패키지에서는 구리 재질의 리드프레임을 사용하였지만 구리의 경우 배터리 팩 제조 공정에서 PTC와 연결이 불가하다는 단점이 있어 새로운 재질을 사용하게 되었다.
먼저 굽힘강도 해석을 통하여 외부에서 가해지는 힘에 대하여 허용하중을 비교한다. 두 번째는 열해석을 통하여 전류 인가시 발열량을 계산하여 외부온도 변화에 EMC 모듈의 변화를 관찰하여 비교한다. 마지막으로 mold flow의 유동해석을 통하여 충진율을 비교한다.
두 번째는 열해석을 통하여 전류 인가시 발열량을 계산하여 외부온도 변화에 EMC 모듈의 변화를 관찰하여 비교한다. 마지막으로 mold flow의 유동해석을 통하여 충진율을 비교한다. 3가지 해석의 결과를 비교하여 적합한 재질을 선정하고자 한다.
먼저 굽힘강도 해석을 통하여 외부에서 가해지는 힘에 대하여 허용하중을 비교한다. 두 번째는 열해석을 통하여 전류 인가시 발열량을 계산하여 외부온도 변화에 EMC 모듈의 변화를 관찰하여 비교한다.
이 보호회로를 기존의 PCM(Protection Circuit Module)에서 부품들을 따로 결합시켰던 것과는 다르다. 본 연구에서 제안한 PMP(Protection Module Package) 부분은 FET + P-IC + Component 부분을 한 덩이로 만들었다. 이렇게 함으로써 보호회로의 내부임피던스를 저감하고, 체적을 줄여 용량을 극대화하고, 반도체 형태의 외관을 가져 외부 영향에 강인하게 만들고자 한다.
생산업체에서 선정한 Epoxy A, B, C 재질들에 대해 3가지 해석을 통해 비교하여 평가하고자 한다.
용융된 Epoxy를 주입하였을 때 충진율을 분석하기 위해서 Epoxy 모델링 부분만 떼어서 해석하였다. Fig.
전류 인가시 발열량을 직접 계산하여 리드 프레임에 열을 가했다. 해석 방식은 Steady-state thermal로 진행하였으며 해석할 모델을 단순화 시켜 EMC 모듈과 리드프레임만 가지고 해석을 수행하였다.
전류가 들어가는 lead frame에 전류 3A, 4A, 5A, 6A에 해당하는 발열량을 계산하여 직접 열로 가하였다. Convection을 자연대류 조건으로 5 W/m²을 EMC 모듈 외부 면에 주고, EMC 모듈과 내부 부품의 온도변화를 관찰한다.
3과 같이 육면체 요소를 사용하였으며. 지지대 부분은 해석에 영향을 미치지 않으므로 사이즈를 크게 하여 시간을 단축하였다. 요소의 절점(nodes)과 요소(elements)의 수는 각각 286,509개와 83,010개로 구성되어 있다.
전류 인가시 발열량을 직접 계산하여 리드 프레임에 열을 가했다. 해석 방식은 Steady-state thermal로 진행하였으며 해석할 모델을 단순화 시켜 EMC 모듈과 리드프레임만 가지고 해석을 수행하였다. 해석과정에서 전류가 흐르면 리드 프레임의 저항에 의해 전압강하가 일어나고 전기에너지의 손실이 발생되는데 손실된 전기에너지는 열로 변환되며 이것을 Joule 발열량 또는 I²R발열량이라고 부르며 다음 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

대상 데이터

용융된 Epoxy를 주입하였을 때 충진율을 분석하기 위해서 Epoxy 모델링 부분만 떼어서 해석하였다. Fig. 12는 충진율 해석을 위한 유한요소모델로서 모델링의 절점과 요소 수는 각각 326,214개와 329,849개로 구성하였다.
또한, EMC 모듈의 치수는 가로, 세로, 높이 각각 12mm, 3mm, 1mm로 구성되어 있다. 이차전지를 사용하는 이동기기 제품에 안전성을 높이기 위해서 보호회로를 사용하고 있다.
해석을 위한 요소구성은 Fig. 3과 같이 육면체 요소를 사용하였으며. 지지대 부분은 해석에 영향을 미치지 않으므로 사이즈를 크게 하여 시간을 단축하였다.

성능/효과

1) 굽힘강도 해석에서는 Epoxy의 허용응력의 크기는 A > B > C 순이었다.
2) 열해석에서는 Epoxy 재질 별 온도차이가 거의 없었다. EMC 모듈과 내부 부품의 온도 변화도 거의 없었고, 주변 온도의 영향을 많이 받았다.
3) 유동해석에서는 충진율이 높은 Epoxy는 A > C > B 순이었다.
해석 결과 그림에서와 같이 0에서 1까지의 범위 사이에 1에 가까울수록 꽉 차있는 상태를 보여준다. Volume Fraction 즉, 충진율을 확인해본 결과 Epoxy A가 제일 높았고, 그 다음 C재료, B재료 순이었다.
이상과 같은 기반연구를 통해 3종류의 해석 결과 Epoxy A, B, C 중에서 A가 가장 적합한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PMP란 무엇인가?	그에 따라 내부저항을 증가시키는 요인인 반도체와 PCB 기판 사이의 납땜 저항, 인쇄회로기판 패턴을 통해 발생되는 패턴 저항 등을 최소화하려고 한다. 그 방법으로 보호회로 전체를 하나의 반도체 형태로 구성하는 PMP(Protection Module Package)를 제안한다[2]. 기존 패키지에서는 구리 재질의 리드프레임을 사용하였지만 구리의 경우 배터리 팩 제조 공정에서 PTC와 연결이 불가하다는 단점이 있어 새로운 재질을 사용하게 되었다.
	PMP는 일반 PCB 대비 어떤 장점이 있는가?	기존 패키지에서는 구리 재질의 리드프레임을 사용하였지만 구리의 경우 배터리 팩 제조 공정에서 PTC와 연결이 불가하다는 단점이 있어 새로운 재질을 사용하게 되었다. 또한, 일반 PCB의 경우 니켈도금 후 금도금을 진행하게 되는데, PMP의 경우엔 기본이 되는 리드프레임이 니켈의 재질로 되어 있어 니켈 도금을 생략할 수 있다는 장점이 있다. 특히 PMP는 PCM 대비하여 IR을 대폭 감소할 수 있으며 PCB에서 발생하는 패턴에 의한 저항을 감소시킬 수 있다.
	스마트폰 기기가 사람들의 편의성을 위해 소형화 되는 반면 기능은 증가하는 추세에 있어 용량 및 출력 밀도 또한 증가되고 있는 추세임에 따라 어떤 문제가 발생하는가?	스마트폰 기기는 사람들의 편의성을 위해 소형화 되는 반면 기능은 증가하는 추세에 있어 용량 및 출력 밀도 또한 증가되고 있는 추세이다. 그래서 배터리 사용시간이 짧아지는 문제가 계속 발생하고 있다[1]. 그에 따라 내부저항을 증가시키는 요인인 반도체와 PCB 기판 사이의 납땜 저항, 인쇄회로기판 패턴을 통해 발생되는 패턴 저항 등을 최소화하려고 한다.

참고문헌 (4)

G. H. Jo, J. S. Lee, H. R. Hong, D. K. Park, "Strength Evaluation According to The Type of Material EMC Modules Through a Finite Element Analysis", Proceedings of KSPE 2014 Spring Conference, KSPE, pp. 721-722, 2014.
H. R. Hong, J. S. Lee, G. H. Jo, D. K. Park, "Analysis on Temperature Change according to Current Injection of EMC Module", Proceedings of KSPE 2014 Spring Conference, KSPE, pp. 161-162, 2014
Kim, J. S., "Study on Preform Design for Reducing Weight of PET Packaging Bottle", J. of the KAIS, Vol. 11, No. 1, pp. 1-6, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.1.001
J. B. Park, B. G. Kim, S. H. Song and D. S. Rho, "Development of State of Charge and Life Cycle Evaluation Algorithm for Secondary Battery", J. of the KAIS, Vol. 14, No. 1, pp. 369-377, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.1.369

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증