목차
히트 스프레더의 소개 및 기본 사항
히트 스프레더의 분류 및 적용
열 스프레더는 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
- 금속 열 스프레더
- 위상 변화 장치
- 열전사 컴파운드
- 히트 파이프
- 팬
- 인클로저
컴퓨터 프로세서, 모바일 기기, 자동차 전자기기 등 다양한 애플리케이션에서 활용되고 있습니다.
그림 1과 같이 높은 열 전도성, 낮은 열 저항, 넓은 표면적, 방열판 설계 및 열 인터페이스 재료(TIM)는 히트 스프레더의 특성 중 일부입니다.
히트 스프레더는 부품 손상을 방지하고 성능을 개선하며 전자 부품에서 발생하는 열을 방출하는 기능을 합니다. 다양한 애플리케이션의 전자 기기는 열 문제를 관리하고 성능과 수명을 향상시키기 위해 히트 스프레더를 사용하면 이점을 얻을 수 있습니다.
히트 스프레더는 일반적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다:
- 마이크로프로세서와 같은 부품이 통합된 공랭식 회로.
- 집광형 태양광 발전 시스템에서 태양광 전지 냉각하기
- 고전력 집적 회로 및 레이저 다이오드용 서브마운트
- 고출력 무선 주파수 장치와 같은 항공우주 및 위성 장비
- LED 조명 시스템
- 컴퓨터와 서버의 고성능 CPU 및 GPU
- 고출력 레이저 다이오드 및 레이저 옵틱
- 전력 전자 부품
- 전기 자동차는 배터리 시스템 온도를 관리해야 합니다.
이러한 애플리케이션은 최적의 디바이스 성능과 안정성을 위해 효과적인 열 방출이 필수적인 다양한 산업에서 히트 스프레더의 다양성과 중요성을 보여줍니다.
열 스프레더의 측정 방법 및 장비
TIM의 열 측정 방법은 일반적으로 정상 상태와 비정상 상태(과도 상태)로 나눌 수 있습니다.
열전도도 측정은 레이저 플래시 방식과 핫와이어 방식은 비정상 상태 측정인 시간 도메인 열반사율 방법(TDTR)을 사용하여 수행할 수 있으며, 고급 TIM은 정상 상태 측정입니다.
세라믹의 열 확산기를 포함하여 재료의 열 전도도를 측정하는 데 사용되는 고급 기술인 정상 상태 및 과도 상태 방법 또는 펄스 레이저 히터입니다.
이러한 방법의 기능에 대한 자세한 설명이 있습니다.
LFA(라이트/레이저 플래시 분석기), TFA(박막 분석기), TF-LFA(박막 레이저 플래시 분석기), 주기적 레이저 가열및 TIM-Tester 는 모두 열 확산기를 포함한 재료의 열 특성을 특성화하는 데 사용되는 측정 도구입니다.
이 계측기는 전자 장치 및 기타 응용 분야에서 열 전달 및 열 관리를 이해하는 데 중요한 다양한 재료의 열 확산률과 전도도를 측정하도록 설계되었습니다.
1. LFA(라이트/레이저 플래시 분석기):
LFA(교차 평면) 방법은 그림 2와 같이 짧은 에너지 펄스(레이저 또는 빛)로 평면 평행 시료의 한쪽을 가열하고 적외선 감지기를 사용하여 반대쪽의 온도 상승을 측정하는 원리를 기반으로 합니다.
열확산도는 시간에 따른 온도 상승으로부터 계산되며, 열전도도는 열확산도, 비열용량, 질량 밀도를 포함하는 공식을 사용하여 결정됩니다. 시료의 열전도도를 계산하기 위해 열확산도, 비열용량(Cp), 질량 밀도(ρ)가 사용됩니다.
열전도율의 공식은 다음과 같습니다:
여기서 λ는 열전도율, α는 열확산도, ρ는 질량 밀도, Cp는 비열용량입니다.
LFA는 다양한 재료에 사용할 수 있으며 ASTM E1461, DIN EN 821, DIN 30905, ISO 8301, BS EN 1159-2, ASTM C714, ASTM C518 등과 같은 국내 및 국제 표준을 기반으로 합니다.
2. TFA(박막 분석기):
이 장치는 박막의 열적 및 전기적 특성을 측정하기 위해 설계되었습니다. 박막의 열 전도도와 평면 내 전기 전도도, 박막 시료의 시벡 계수 및 홀 상수를 동시에 측정할 수 있습니다.
3. TF-LFA(박막 레이저 플래시 분석기):
이는 표준 LaserFlash의 고급 버전으로, 펌프 프로브 설정(TDTR – 시간 영역 열반사율)을 사용하여 nm~µm 박막 및 코팅을 특성화하는 데 사용됩니다. TF-LFA를 사용하면 전도성이 높은 벌크 재료의 특성도 분석할 수 있습니다.
PLH(주기적 레이저 가열):
주기적 레이저 가열은 고에너지, 단시간 레이저 펄스를 사용하여 재료를 빠르게(평면 내) 선택적으로 가열합니다.
이 과정은 레이저 펄스를 시료 표면으로 향하게 하고 충격 지점에서 높은 에너지 밀도를 생성하는 과정을 포함합니다.
이 에너지는 재료에 흡수되어 냉각되기 전 특정 시간 동안 재결정화 온도 이상으로 표면층을 빠르게 가열합니다.
펄스 레이저로 인한 빠르고 강렬한 가열로 인해 재료의 물리적, 화학적 특성이 변경됩니다. 이 과정에서 결정 격자에서 원자 이동이 발생하여 전위 수가 감소하고 재료의 경도와 연성에 영향을 미칩니다.
재료는 빠른 물 담금질 또는 느린 공기 냉각을 통해 재결정화되며, 가열 및 냉각 속도는 결정상 구성과 입자 크기에 영향을 미쳐 궁극적으로 재료의 특성을 결정합니다.
PLH는 열 스프레더 애플리케이션을 비롯한 다양한 애플리케이션에 활용됩니다. 이러한 시스템에는 특정 재료 변형 및 표면 처리를 달성하기 위해 펄스 레이저 가열이 포함됩니다.
펄스 레이저를 사용하면 가열 공정을 정밀하게 제어할 수 있어 반도체의 선택적 재결정화, 금속 용접, 공구강의 케이스 경화, 광학 데이터 저장 매체의 상 변화와 같은 응용 분야가 가능해집니다.
따라서 PLH는 열 확산기 응용 분야를 포함한 다양한 응용 분야에서 정밀하고 제어된 가열을 제공함으로써 다양한 산업 및 연구에서 중요한 역할을 합니다. 또한 시간 분해능 연구를 수행하고 다양한 분광 기술과 결합할 수 있어 고온 조건에서 재료의 거동을 더 잘 이해할 수 있어 다양한 응용 분야에서 열 확산기의 성능을 최적화하는 데 유용할 수 있습니다.
이러한 기술을 종합하면 열 확산기 응용 분야에서 펄스 레이저 가열 중 온도 분포를 정밀하게 제어할 수 있어 처리 중인 재료의 무결성을 유지하면서 효율적이고 제어된 가열 공정을 보장합니다.
필러 재료가 히트 스프레더의 열 전도성에 미치는 영향
히트 스프레더의 열 저항은 사용된 충전재에 따라 크게 영향을 받을 수 있습니다.
히트 스프레더의 열 전도성은 기본 소재에 충전재를 추가하여 개선할 수 있으며, 이는 열 발산 효과를 결정하는 데 매우 중요합니다.
히트 스프레더의 열 전도성, 열 안정성 및 기계적 특성은 필러 재료 선택에 영향을 받습니다.
- 다이아몬드는 열전도율을 높이는 데 가장 효과적인 필러 중 하나로, 열전도율이 2000W/m-K에 달합니다. 열 전도성이 높은 특성을 통해 열 스프레더의 열 전도성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
- 질화붕소(BN)의 판과 같은 형태는 입자 간 상호작용을 용이하게 하고 열전도율을 높입니다. 질화 붕소를 사용한 복합재는 15%의 부피 퍼센트로 로딩할 때 다이아몬드로 채워진 복합재에 비해 열전도율을 거의 5배까지 높일 수 있습니다,
- 알루미나는 열전도율을 약간 증가시켜 30W/m-K까지 높일 수 있습니다. 다이아몬드나 질화붕소보다 효율은 떨어지지만 히트 스프레더의 열 전도성을 개선할 수 있습니다.
- 실리카는 열전도율을 높이는 데 효과가 좋지 않아 열전도율을 높이기보다는 열팽창 계수를 낮추기 위해 일반적으로 사용됩니다.
- 실리콘 필러는 열 인터페이스 재료(TIM)에서 열 확산 및 전달을 향상시키기 위해 자주 사용됩니다.
열 인터페이스 재료(TIM): 유형 및 응용 분야
열 인터페이스 재료 테스터(TIM-Tester)는 샘플 재료의 열 임피던스를 측정하고 겉보기 열 전도성(평면 내 및 교차 평면)을 결정하는 장치입니다.
열 전도율이 0.0263W/MK에 불과한 열 인터페이스 재료인 공기는 최악의 열 전도체입니다. 따라서 열 축적을 방지하기 위해 구성 요소 사이에 공기가 들어가지 않도록 해야 합니다.
여기서 TIM은 불균일성, 공차 또는 거칠기로 인한 틈을 메우고 공극이 발생하지 않도록 도와줍니다. 열 중간재는 다음과 같은 다양한 디자인으로 제공됩니다:
- 열 전도성 페이스트,
- 열 전도성 접착제,
- 흑연 및 알루미늄 호일,
- 폼 및 젤 필름,
- 단면 및 양면 접착식 열 전도성 포일,
- 상변화 물질(PCM),
- 실리콘 함유 및 무실리콘 엘라스토머,
- 카프톤 및 운모 디스크,
- 알루미늄 산화물 소재
많은 경우 적합한 중간재를 찾기가 쉽지 않습니다. 그러나 전자 부품의 최적의 기능과 긴 서비스 수명을 위해서는 충분히 잘 설계된 열 관리 시스템이 필수적입니다.
갭 필러
붙여넣기
패드
스택으로서의 패드
TIM-Tester는 고체, 페이스트, 패드 등 다양한 시료 크기와 모양을 처리할 수 있습니다. 열 전도성 물질의 열 저항과 전도도를 측정하는 표준인 ASTM D5470에 따라 작동합니다.
어떤 TIM이 어떤 애플리케이션에 가장 적합할까요?
모든 소재가 전자제품의 모든 애플리케이션에 범용 소재로 적합한 것은 아닙니다. 완벽한 TIM을 찾기 위해 재료 연구 분야의 개발자는 열 저항, 열 전도성, 열 임피던스, 접점 페어링의 기계적 허용 오차, 온도 범위, 환경 호환성 등 다양한 재료 특성을 고려해야 합니다.
어떤 재료가 가장 적합한지는 용도에 따라 다릅니다. 열 전도성 필름, 열 전도성 페이스트, 열 전도성 접착제의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 이들은 무엇보다도 용도, 층 두께, 전기 절연성 및 열 전도성에서 차이가 있습니다.
열 전도성 단계
열 전도성 페이스트는 방열판과 전자 부품 사이에 열 전달 층을 생성하는 데 자주 사용됩니다. 일반적으로 최대 약 50µm의 매우 얇은 층 두께로 적용됩니다. 50 µm. 따라서 더 큰 부품 거리는 연결할 수 없습니다. 실제로는 과도한 양의 페이스트를 사용하는 경우가 많습니다. 그러나 너무 적게 도포하면 모든 공기 포함물을 보정하지 못할 수 있으므로 더 중요한 경우가 많습니다.
상 변화 재료
상 변화 재료는 기존 열 페이스트에서 한 단계 더 발전한 것입니다. 플레이트 소재인 이 TIM은 층 두께가 연속적이어서 방열판에 깔끔하게 직접 장착할 수 있습니다. 또한 PCM은 상 변화 온도가 특징입니다.
45~55°C의 온도에서 이러한 재료의 농도는 고체에서 연질로 바뀝니다. 결과적으로 이러한 물질은 적용되는 구성 요소 사이의 모든 공간으로 흘러 들어갑니다. 온도가 다시 상 변화 온도 이하로 떨어지면 각 매체는 접점과의 연결이 끊어지지 않고 초기 상태로 돌아갑니다.
표면 마감 및 TIM 선택
열 페이스트나 접착제를 사용하려면 표면의 허용 오차 범위가 거의 이상적이어야 합니다. 이것이 보장되지 않거나 이러한 재료의 취급이 너무 복잡할 경우 일반적으로 필름을 사용합니다.
이를 통해 최대 5mm의 에어 갭을 보정할 수 있습니다. 그러나 이러한 TIM의 열 저항은 강도가 더 높기 때문에 더 높습니다.
열 인터페이스 재료의 적용 분야
다양한 공정에서 생산되는 수많은 열 인터페이스 재료는 모범 설계 사례의 변화를 보여줍니다. 이러한 변화는 흔히 원하는 부품의 소형화에도 도움이 됩니다.
부품 밀도가 높을수록 냉각에 사용할 수 있는 공기량이 줄어들고 동시에 남은 공기가 순환하는 것을 방지합니다. 따라서 원래 강제 공기 냉각을 위해 냉각 환풍기를 사용하던 시스템에서는 일반적으로 팬이 없는 설계가 선호됩니다.
일상 속 TIM
TIM은 현재 자동차 전장, 컴퓨터, 메모리 및 게임 분야, 광전자 및 항공우주 산업 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 또한 전자제품 패키징, 가전제품, 조명 기술, 의료 기술 및 산업 자동화 분야에서 탁월한 열 관리를 가능하게 합니다.
히트 스프레더의 최적화 및 산업 응용 분야
표면 전체에 열을 고르게 분산시키는 재료인 열 스프레더는 TIM 테스터로 측정할 수 있습니다. TIM 테스터는 뜨거운 미터 막대와 차가운 미터 막대 사이에 놓인 시료에 압력을 가하는 방식으로 작동합니다.
온도 센서는 시료를 통과하는 열유속을 측정하는 데 사용되며, 열 임피던스는 시료의 형상을 기반으로 시료 재료에 의한 온도 강하를 계산하여 결정할 수 있습니다. 시료의 두께는 수동으로 입력하거나 통합 LVDT를 사용하여 측정할 수 있습니다.
고정밀 측정은 최적화된 열 관리를 위한 기반입니다.
열 인터페이스 재료는 적용 가능한 분야가 무수히 많고 재료의 종류가 매우 다양하기 때문에 재료 연구에 있어 큰 도전 과제입니다. 전자 분야의 열 관리는 매우 복잡하며 적용되는 TIM의 재료 특성에 대한 정확한 지식이 필요합니다.
TIM 테스터는 열 스프레더 측정 외에도 열 유체, 열 페이스트(그리스), 상 변화 재료(PCM), 솔더 또는 견고한 열 전도체와 같은 기타 열 인터페이스 재료를 테스트하는 데에도 사용할 수 있습니다. 요약하면, TIM 테스터는 열 확산/차폐가 필요한 전자 장치에 사용되는 히트 스프레더 및 기타 열 인터페이스 재료의 열 특성을 측정하기 위한 다용도 필수 도구입니다.
효율적인 열 관리가 필수적인 전자, 항공우주 및 기타 산업에서 열 확산기 설계의 최적화는 이러한 연구 및 개발 방법을 통해 가능합니다. 제조업체는 열 전도도를 정확하게 측정하여 방열 기능을 향상시키고 제품 성능을 개선하며 다양한 애플리케이션에서 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
이러한 지식을 통해 부품과 인터페이스 재료의 완벽한 협력을 도모하고 복잡한 전자 애플리케이션을 위한 최적의 열 관리를 개발할 수 있습니다.
