고성능 열 계면 소재(TIM) 선택을 위한 핵심 기준

가전제품부터 항공우주까지 모든 전자 장치는 부품에서 열을 효과적으로 방출하기 위해 능동적 열 관리가 필요합니다. 열 관리의 병목 현상은 흔히 발열 부품과 냉각 부품 사이의 열전도입니다. 불행히도 많은 전자 장치는 공간 제약으로 히트싱크나 팬으로 충분한 냉각을 못 합니다. 이런 응용에서 열 계면 소재(TIM)의 성능은 더욱 중요해집니다.

고전력 CPU나 SoC에서 열을 빼내는 가장 흔한 방법은 열전도 페이스트나 그리스입니다. 이 솔루션들은 고성능을 제공하지만 단점도 있습니다. 지저분하고 시간이 많이 걸리며, 장기 신뢰성이 나쁠 수 있습니다. 또한 기존 고전도율(>20 W/mK) TIM은 비싸고 제조 난제와 어려움이 따릅니다.

TIM의 주요 기능은 무엇인가?

히트싱크를 발열 부품 위에 올리면 자연스럽게 공기 틈새가 생깁니다. 이 공기 틈새는 높은 열저항을 만들어 과열을 유발합니다. TIM은 공기 틈새를 열전도성 소재로 채워 이 문제를 해결합니다. 이로써 시스템 전체 열저항을 낮춰 더 효율적인 열 경로를 만듭니다. 필요 시 TIM은 전기 절연이나 접착 부착 기능을 추가 기계적 체결 없이 제공하기도 합니다.

TIM은 표면 불규칙성에 적응해야 합니다. 그렇지 않으면 접촉층에서 열저항이 늘어납니다. 약간의 접촉 저항은 불가피하지만, 어떤 열전도성 소재든 공기보다는 낫습니다.

설계 엔지니어는 열 경로 길이를 줄이려 가장 얇은 틈새를 원하지만, 때로는 불규칙한 기판에서 더 나은 웨팅이나 접촉을 위해 일정 두께를 유지해야 합니다. 폴리머 수지 종류, 필러 종류, 필러 로딩 레벨에 따라 웨팅 능력이 다릅니다. 또한 TIM 성능은 열역학적 특성, 적용 압력, 기판 표면 마감, 환경에 따라 달라질 수 있습니다.

TIM 선택 시 고려 요소

형태(Form Factor)

그리스, 젤, 패드, 페이스트, 테이프, 상변화 소재(PCM), 금속 등 다양한 TIM이 있습니다. TIM 선택 시 제품과 성능을 잘 아는 게 중요합니다. 얇은 틈새 채움에는 그리스나 PCM을 흔히 쓰고, 두꺼운 틈새에는 패드, 젤, 퍼티 페이스트를 찾습니다.

TIM은 TIM 1, TIM 2, TIM 1.5 응용으로도 분류됩니다. 이는 장치의 다이 칩과 열 확산판 또는 뚜껑 기준 어디에 쓰이는지로 나뉩니다. 예컨대 TIM 1 응용은 다이 칩과 열 확산판 또는 뚜껑 사이에 TIM을 쓰며, 주 목적은 접촉 저항을 줄이고 프로세서에서 극한 열을 직접 방출하는 것입니다. 전통적으로 이 응용에 금속 솔더를 쓰지만, 오늘날 그리스, 젤, PCM도 쓸 수 있습니다.

반면 TIM 2 응용은 히트싱크와 열 확산판 또는 패키지 레벨 SoC 사이에 적용합니다. 이 응용은 패키지 레벨 열 관리가 칩 레벨만큼 극심하지 않아 패드 같은 두꺼운 TIM을 주로 씁니다. TIM 2 응용은 부착된 히트싱크 필요로 인해 재작업성과 압축성이 요구될 수 있습니다.

TIM 1.5 응용에서는 칩 다이가 열 확산판 없이 냉각 부품과 직접 접촉합니다. 이 범주 TIM은 모바일 기기에 흔히 쓰입니다.

젤과 페이스트는 패드보다 얇은 본드라인으로 압축성과 열성능이 더 나을 수 있어 선호되기도 합니다. Thermexit™ 패드는 뛰어난 순응성과 열성능으로 두 문제를 모두 해결합니다.

 

 

열전도율

열성능도 중요한 고려 요소입니다. 전자 장치에는 열을 내는 부품과 냉각 부품이 있어 얼마나 많은 열을 방출할지 결정합니다. 이는 환경 온도와 능동 냉각 부품 유무가 열 예산을 결정함을 뜻합니다. 열 예산을 알면 어떤 TIM이 필요한지 정할 수 있는데, TIM은 열 설계를 쉽게 맞춤화할 수 있습니다.

물리적·기계적 특성

경도, 변위, 압축 영구 변형 같은 TIM의 기계적 특성도 고려해야 합니다. 일부 사용자는 민감한 부품 보호를 위해 컴파운드나 젤을 선호하지만, 이 디스펜서블 제품들은 나중에 논의할 단점이 있을 수 있습니다. 응용 압력과 틈새 두께 설계에 맞는 올바른 TIM을 찾는 게 중요합니다.

전기 절연

TIM이 전기적으로 절연되는지도 중요합니다. 일부 응용은 전기 연속성 면에서 매우 민감합니다. 대부분의 열 갭 패드는 비교적 두꺼운 적용 덕분에 훌륭한 전기 절연을 제공하지만, 그리스, 젤, PCM 제품은 그렇지 않습니다.

응용

TIM 선택 시 장기 신뢰성을 고려해야 합니다. 오늘날 많은 전자 장치가 극한 환경에서 쓰이며 높은 전력 사이클을 요구합니다. 또한 자동차 산업의 TIM은 기계적 진동 하에서 시험돼야 합니다.

응용 요소

각 형태는 적용 압력, 부착 방식, 본드라인 두께, 형상, 환경 같은 응용 요소와 연관됩니다. 취급 용이성이나 환경 같은 단순 요소를 간과하기 쉽지만 무시할 수 없습니다.

데이터시트 너머 생각하기

TIM 데이터시트는 유용한 정보를 주지만, TIM 선택의 유일한 근거가 돼선 안 됩니다. TIM 공급업체 데이터 대부분은 업계 표준이나 자체 시험법에서 나와 제품 성능을 최적화합니다. 하지만 같은 TIM 제품도 조건에 따라 다르게 수행됩니다. 일반적으로 열전도율이 높으면 성능이 더 좋으리라 기대하지만, 항상 그런가? 또한 낮은 열전도율 TIM으로도 응용에 충분한 성능이 나오는데 굳이 높은 열전도율 TIM이 필요한가? 때로 높은 열전도율 TIM을 불필요한 응용에 쓰면 같은 이점을 못 줍니다.

갭 패드 종류

마지막으로 갭 패드를 쓰기로 했다고 합시다. 열전도율이나 압축성을 보기 전에 기본 특성과 요건을 봐야 합니다. 예컨대 장치의 응용 온도가 필요한 수지 화학을 결정합니다. 고온 실리콘 TIM이 필요한지, 대체 수지 시스템을 써도 되는지도 중요합니다. 일부 갭 패드는 패브릭 유리 캐리어가 있어 특정 응용에 안 좋을 수 있습니다. 올바른 두께만으로도 많은 엄격한 열 문제를 풀 수 있습니다.

Thermexit™ 솔루션

Thermexit™는 두꺼운 본드라인을 극복하고 얇은 본드 열 계면 소재보다 뛰어난 고열전도율 갭 패드를 개발합니다. 독자적인 비실리콘 고온 수지가 실리콘 수지 화학을 대체해 오일 오염을 최소화합니다. 이 수지 시스템은 비경화 시스템으로 훌륭한 장기 성능을 제공합니다.

 

Thermexit™ 패드는 높은 압축성으로 큰 힘과 부품 응력 없이 접촉 저항을 최소화합니다. 잔여물이나 지저분함 없이 자연스럽게 달라붙어 픽앤플레이스 적용이 쉽습니다. Thermexit은 두 제품군을 제공합니다: Thermexit EI(전기 절연)와 Thermexit HP(고성능). 두 패드 모두 각각 >15 W/mK와 40 W/mK의 고열전도율을 제공합니다.

 

자세한 정보는 thermexit.com을 방문하거나 support@thermexit.com으로 문의하세요.