고성능 전자기기 열 관리 마스터하기

소개:

모든 디바이스는 부산물로 열을 발생시키며 작동합니다. 이러한 디바이스가 과열되지 않게 하려면 열 관리가 필요합니다. 디바이스의 효율성은 온도에 반비례합니다. 이후 고성능 구성 요소는 디바이스 수명을 단축하고 효율을 떨어뜨리는 열을 생성합니다. 따라서 생성된 열을 이러한 디바이스에서 제거하여 온도를 억제해야 합니다.

시간이 지남에 따라 우리 디바이스는 더 작아졌지만 기능은 증가했습니다. 이는 더 빠른 처리로 이어졌고, 결과적으로 전력 소비 증가와 더 많은 열 발생을 초래했습니다. 마찬가지로 열을 분산시키는 구현체도 소형화되어 엔지니어에게 도전이 되고 있습니다. 일반적으로 열 방출은 전력 방출에 비례해야 하며, 전력 방정식에 따릅니다. 엔지니어가 전력 방출 관리에서 직면하는 세 가지 주요 문제는 밀집된 PCB, IC 칩의 밀도 증가, 디바이스의 크기와 이동성입니다.

일부 구성 요소는 적은 양의 열을 생성하는 반면 다른 디바이스는 상대적으로 더 많은 열을 생성합니다. 따라서 수명과 신뢰성을 연장하기 위한 조치를 취해야 합니다. 보통 열을 생성하는 고립된 전기 구성 요소는 디바이스 내 생성된 열이 주변으로 손실되는 열과 같아지고 디바이스가 평형에 도달할 때까지 열을 생성합니다. 열은 보통 물질 내 전자 흐름에 대한 저항으로 인해 생성됩니다. 저항이 낮을수록 전도성이 높고 더 적은 열이 생성됩니다. 이는 줄의 법칙 H=I²Rt로 입증됩니다.

디바이스 내 열 관리:

열 관리는 전자 설계의 주요 부분입니다. 구성 요소와 시스템 핫스팟의 효율성과 정확성을 보장하기 위해 과도한 열은 이들로부터 운반되어야 합니다. 엔지니어는 지능적인 열 설계를 사용하여 열 관련 오류를 줄일 수 있습니다. 열 관리에 대한 소재 요구를 만드는 세 가지 엄격한 동력이 있습니다.

첫째, 속도를 개선하기 위해 설계자들은 마이크로프로세서의 코어를 더 작은 크기로 압축했습니다. 이는 단위 면적당 더 높은 열 생성을 초래합니다. 결과적으로 마이크로프로세서 내 전도와 열 확산기에 의한 온도 강하가 허용 가능한 최대 온도 강하와 비슷해집니다. 둘째, 트랜지스터 간 상호연결에서의 온도 상승이 증가합니다. 이는 금속 레이어 증가와 상호연결 간 전류 밀도 증가 때문입니다. 셋째, 현대 및 계획된 트랜지스터 기술 내 온도 상승이 증가합니다. 채널 치수 감소는 전력 밀도 증가와 디바이스 내 전자-포논 비평형으로 이어집니다. 이는 소재 및 고체물리학 연구에 도전을 제기합니다.

전자기기 냉각:

뉴턴의 냉각 법칙에 따르면 열 손실률은 물체와 주변의 온도 차이에 비례합니다. 물체 온도가 상승하면 열 손실도 증가합니다. 열 손실률이 열 생성률과 평형에 도달하면 디바이스는 평형 온도에 도달합니다. 이 온도는 구성 요소 수명을 단축할 수 있으며 열 관리를 위한 특정 조치를 취해야 합니다.

회로나 디바이스의 온도를 제어하는 한 가지 방법은 환기를 통해 공기 흐름을 증가시키는 것입니다. 이는 더 낮은 작동 온도를 초래합니다. 또한 고도에서 대기 밀도 감소는 주변으로의 열 전달을 덜 효과적으로 만들어 더 높은 작동 온도를 초래한다는 점을 명심하세요. 디바이스 냉각에는 히트싱크, 열전 냉각기, 공기 시스템, 팬 등 여러 방법이 있습니다.

1: 히트싱크(Heat-sinks)

열 손실은 구성 요소 표면에서 발생하며 표면적 증가에 따라 증가합니다. 작동 온도를 낮추는 한 가지 방법은 표면적을 늘리는 것입니다. 이는 디바이스에 금속 히트싱크를 부착하여 달성됩니다. 히트싱크는 보통 구리, 알루미늄 등 열의 좋은 전도체입니다. 전체 장치가 잘 환기되면 히트싱크가 더 효과적입니다. 보통 히트싱크와 구성 요소가 접촉하면 표면에 작은 공기 간극이 생깁니다. 공기는 열의 나쁜 전도체이므로 이는 디바이스의 열 손실을 제한합니다. 이 효과를 극복하기 위해 열전달 화합물이 사용됩니다.

2: 열 확산기(Heat spreaders)

열 확산기도 냉각 디바이스로 사용됩니다. 열을 더 넓은 영역에 분산시키기 위해 열전도성 금속판이나 호일로 사용됩니다. 열원과 2차 열교환기(히트싱크 등) 사이의 중간 열 인터페이스로 사용됩니다. 열 확산기는 열 생성 구성 요소가 있는 PCB에 백킹 플레이트로 적용될 수 있습니다. 열 비아(thermal vias)는 열 확산기와 구성 요소 패키지 사이의 열 채널로 사용되어 열 흐름을 개선합니다.

3: 히트 파이프(Heat pipes)

히트 파이프는 액체나 냉각수를 담은 밀봉된 중공 튜브입니다. 한 끝은 열원에 연결되고 다른 끝은 2차 열교환기(히트싱크 등)에 연결됩니다. 생성된 열이 한 끝에서 액체를 끓게 하여 증기가 더 차가운 끝으로 이동하고 거기서 응축되어 다시 가열된 끝으로 돌아옵니다. 보통 전도성 금속으로 만들어지며 공간 제약이 있는 보드 설계에 적합합니다.

4: 열 인터페이스 소재(Thermal interface materials)

이것들은 열전도성이 있는 사전 제조 소재로 다양한 형태(패드, 접착제, 젤 등)로 제공됩니다. 접촉 표면 사이의 공기 간극을 채우도록 설계되었습니다. 결과적으로 최대 표면적이 열 전달에 사용되고 작동 온도가 감소합니다. 열전달 화합물은 여러 유형이 있을 수 있습니다. Electrolubes는 캐리어 유체(비실리콘 또는 실리콘 기반)에 미네랄 필러로 구성된 열전도성 페이스트를 생산합니다. 실리콘 기반 페이스트는 비실리콘 페이스트보다 더 높은 작동 온도를 가집니다. 열전도성 소재를 사용하면서 디바이스와 히트싱크 사이의 인터페이스가 완전히 채워지는 것이 중요합니다.

5: 강제 공기(Forced air)

강제 공기는 냉각에 사용되는 또 다른 일반적인 방법입니다. 팬이나 블로어를 사용하여 열 생성 구성 요소 위로 공기 흐름을 증가시킴으로써 수행할 수 있습니다. 이는 히트싱크에서 가열된 공기를 멀리 이동시키고 열 방출을 개선할 수 있습니다. 다양한 크기의 팬을 사용할 수 있으며 배치를 최적화하여 흐름 경로를 개선할 수 있습니다.

6: 고체 열 펌프(Solid-state heat pumps)

TEC(열전 냉각기)라고도 하며, 열원과 히트싱크 사이에 배치되어 열 방출을 개선하는 얇고 컴팩트한 반도체 디바이스입니다. 전압이 TEC에 적용되어 디바이스의 양면 간 온도 차이를 생성하고 전도를 통한 열 전달을 가능하게 합니다. 이들은 그다지 효율적이지는 않지만 많은 양의 열을 이동시키고 수명이 더 깁니다. 또한 전류가 역방향이면 열 전달 흐름이 역전되어 히터가 되며 온도 제어 애플리케이션에 이상적일 수 있습니다.