전자 기기의 열 관리를 최적화하는 방법

소개:

모든 장치는 부산물로 열을 발생시켜 작동합니다. 이러한 장치가 과열되지 않도록 하려면 열 관리가 필요합니다. 장치의 효율은 온도에 반비례합니다. 결과적으로 고성능 구성 요소는 장치의 수명을 단축하고 효율성을 감소시킬 수 있는 열을 생성합니다. 따라서 이러한 장치에서 발생하는 열을 제거하여 온도를 유지해야 합니다.

시간이 지남에 따라 기기는 작아졌지만 기능은 향상되었습니다. 이로 인해 처리 속도가 빨라지고 결과적으로 전력 소비가 증가하면서 더 많은 열이 발생했습니다. 마찬가지로 기구도 열을 분산시키기 위해 소형화되어 엔지니어에게 문제가 될 수 있습니다. 일반적으로 열 손실은 전력 방정식에 따라 전력 손실에 비례해야 합니다. 엔지니어가 전력 손실을 관리할 때 직면하는 세 가지 주요 문제는 고밀도 PCB, IC 칩의 밀도 증가, 장치의 크기 및 이동성입니다.

일부 구성 요소는 적은 양의 열을 생성하는 반면 다른 장치는 상대적으로 많은 양의 열을 생성합니다. 따라서 수명과 신뢰성을 연장하기 위한 조치를 취해야 합니다. 일반적으로 열을 생성하는 절연된 전기 부품은 장치 내에서 생성된 열이 주변으로 손실되는 열과 같아지고 장치가 평형에 도달할 때까지 그렇게 합니다. 일반적으로 재료의 전자 흐름에 대한 저항으로 인해 열이 발생합니다. 저항이 낮을수록 전도도가 높아져 발열량이 줄어듭니다. 이것은 줄의 법칙 H=I2Rt에 의해 증명됩니다.

기기의 열 관리:

열 관리는 전자 설계의 주요 부분입니다. 구성 요소 및 시스템 핫스팟의 효율성과 정확성을 보장하려면 과도한 열을 해당 구성 요소에서 멀리 전달해야 합니다. 엔지니어는 지능형 열 설계를 사용하여 열 관련 오류를 줄일 수 있습니다. 열 관리를 위한 재료를 요구하는 세 가지 엄격한 원동력이 있습니다.

첫째, 속도를 향상시키기 위해 설계자는 코어 마이크로프로세서를 더 작은 크기로 압축했습니다. 이것은 우리에게 단위 면적당 더 높은 열 발생을 제공합니다. 결과적으로 마이크로프로세서 및 방열판 내부의 전도로 인한 온도 강하는 최대 허용 온도 하락과 비슷합니다. 둘째, 트랜지스터 사이의 인터커넥트에서 온도 상승이 증가합니다. 이것은 금속층의 증가와 인터커넥트 간의 전류 밀도 증가 때문입니다. 셋째, 현대 및 계획된 트랜지스터 기술 내에서 온도 상승의 증가가 있습니다. 채널 치수의 감소는 장치 내에서 전력 밀도 및 전자-포논 비평형을 증가시킵니다. 이는 재료 및 고체 물리학 연구에 도전 과제를 제기합니다.

전자제품 냉각:

뉴턴의 냉각법칙에 따르면 열손실률은 몸과 주위의 온도차에 비례한다. 몸의 온도가 올라감에 따라 열 손실도 증가합니다. 열 손실 속도가 생성된 열 속도와 평형을 이룰 때 장치는 평형 온도에 도달합니다. 이 온도는 구성 요소의 수명을 단축시킬 수 있으며 열 관리를 위해 특정 조치를 취해야 합니다.

회로나 장치의 온도를 제어하는 ​​한 가지 방법은 환기를 통해 기류를 높이는 것입니다. 그러면 작동 온도가 낮아집니다. 또한 더 높은 고도에서 감소된 대기 밀도는 주변 환경으로의 효과적인 열 전달과 더 높은 작동 온도를 초래한다는 점을 명심하십시오. 방열판, 열전 냉각기, 공기 시스템 및 팬 등과 같은 냉각 장치에는 여러 가지 방법이 있습니다.  

1:방열판

열 손실은 부품의 표면에서 발생하며 표면적이 증가함에 따라 증가합니다. 작동 온도를 낮추는 한 가지 방법은 표면적을 늘리는 것입니다. 이것은 장치에 금속 방열판을 부착하여 수행됩니다. 방열판은 일반적으로 구리, 알루미늄 등과 같은 우수한 열 전도체입니다. 방열판은 전체 장치가 잘 환기될 때 더 효과적입니다. 일반적으로 방열판과 구성 요소가 접촉하면 표면 위에 둘 사이에 작은 공극이 있습니다. 공기는 열전도율이 낮기 때문에 장치의 열 손실이 제한됩니다. 이러한 효과를 극복하기 위해 열전달 화합물이 사용됩니다.

2:히트 스프레더

열 확산기는 냉각 장치로도 사용됩니다. 더 넓은 영역에 열을 분산시키는 데 사용되는 열전도성 금속판 또는 호일입니다. 열원과 2차 열교환기(방열판 등) 사이의 중간 열 인터페이스로 사용됩니다. 방열판은 발열 부품이 있는 PCB의 백킹 플레이트로 적용할 수 있습니다. 열 비아는 열 흐름을 개선하기 위해 열 확산기와 구성 요소 패키지 사이의 열 채널로 사용됩니다.

3:히트 파이프

히트 파이프는 액체 또는 냉각수가 들어 있는 밀봉된 중공 튜브입니다. 한쪽 끝은 열원에 연결되고 다른 쪽 끝은 2차 열 교환기(예:방열판)에 연결됩니다. 생성된 열은 한 쪽 끝에서 액체를 끓이고 증기가 응축되고 가열된 끝으로 되돌아가는 더 차가운 쪽 끝으로 이동합니다. 일반적으로 전도성 금속으로 만들어지며 공간이 제한된 보드 디자인에 적합합니다.

4:열 인터페이스 재료

이것은 열전도성이며 다양한 형태(패드, 접착제, 젤 등)로 제공되는 사전 제조된 재료입니다. 접촉면 사이의 공극을 채우도록 설계되었습니다. 결과적으로 최대 표면적이 열 전달에 사용되고 작동 온도가 낮아집니다. 열전달 화합물은 여러 유형이 될 수 있습니다. Electrolubes는 캐리어 유체(비실리콘 또는 실리콘 기반일 수 있음)의 미네랄 충전제로 구성된 열 전도성 페이스트를 생성합니다. 실리콘 기반 페이스트는 비실리콘 페이스트보다 작동 온도가 더 높습니다. 열전도성 재료를 사용하는 동안 장치와 방열판 사이의 인터페이스가 완전히 채워지는 것이 중요합니다.

5:강제 공기

강제 공기는 냉각에 사용되는 또 다른 일반적인 방법입니다. 이것은 팬이나 송풍기를 사용하여 열 발생 구성 요소 위의 공기 흐름을 증가시켜 수행할 수 있습니다. 이렇게 하면 히트싱크에서 멀어지는 가열된 공기의 흐름이 증가하고 열 발산이 향상될 수 있습니다. 다양한 크기의 팬을 사용할 수 있으며 배치를 최적화하여 흐름 경로를 개선할 수 있습니다.

6:고체 열 펌프

TEC(열전 냉각기)라고도 하는 이들은 열 방출을 개선하기 위해 열원과 방열판 사이에 배치되는 얇고 ​​컴팩트한 반도체 장치입니다. TEC에 전압이 가해지면 장치의 양면 사이에 온도 차이가 발생하고 전도를 통한 열 전달이 가능합니다. 효율이 좋지는 않지만 많은 양의 열을 이동시키고 수명이 더 깁니다. 또한 전류가 역전되면 열 전달 흐름이 역전되어 장치가 히터로 바뀌고 온도 제어 애플리케이션에 이상적임이 증명될 수 있습니다.