임베디드 기판의 열 관리 솔루션

증가하는 에지 처리, 성능 개선, 임베디드 플랫폼의 소형화로 인해 전력 소비 및 열 발생이 증가하여 열 핫스팟이 생겨나고 있습니다. 열 응력은 임베디드 시스템의 성능을 크게 저하시키고 전체 시스템 고장을 일으킬 수도 있습니다. 또한 과도한 열에 오래 노출될 경우 전자 부품의 수명이 감소합니다.

열 관리 기술을 이해하는 것은 최적의 작동 조건에서 장치를 유지하는 데 매우 중요합니다. 전자 산업의 향상으로 시스템 신뢰성 및 성능 개선을 위한 혁신적인 열 관리 기술이 필요해졌습니다. Market Research Future에 따르면 전 세계 열 관리 시장은 2022년부터 2030년까지 연평균 8%의 비율로 성장하여 2030년에는 203억 달러(USD)에 이를 것으로 예상됩니다.

열 부속품은 작동 중 발생하는 열로 인해 단순히 FPGA뿐만 아니라 다양한 전자 제품에 서 매우 중요합니다. 적절한 열 관리는 이러한 장치의 성능, 신뢰성, 수명을 유지하는 데 있어 필수적입니다. 열 부속품이 다음과 같은 다양한 제품에 중요한 이유를 알아보겠습니다.

1. 마이크로 프로세스 및 CPU:

• 열 발생: 특히 고성능 컴퓨터 및 서버에서의 CPU는 많은 계산 작업으로 인해 엄청난 열을 발생시킵니다.
• 열 부속품: 방열판, 열 페이스트, 냉각 팬은 열을 소산시키고 열 스로틀링을 방지하며 안정적인 성능을 보장하는 데 중요합니다.

2. GPU(그래픽 처리 장치):

• 고 전력 소비: 특히 게임, AI, 데이터 처리에서 GPU는 많은 전력을 소비하고 상당한 열을 생성합니다.
• 열 관리: 최적의 온도를 유지하고 과열을 방지하며 고성능을 유지하려면 대형 방열판, 팬, 경우에 따라 수냉식 냉각과 같은 냉각 솔루션이 필요합니다.

3. PSU(전원 공급 장치):

• 열 소산: 전원 공급 장치는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하며 이 과정에서 상당한 에너지가 열로 손실됩니다.
• 냉각 솔루션: 팬을 이용한 능동 냉각과 방열판을 이용한 수동 냉각은 전원 공급 장치의 효율성과 수명을 유지하는 데 필수적입니다.

4. 메모리 모듈(RAM, DRAM):

• 작동 안전성: 고속 메모리 모듈은 열을 생성하므로 점검하지 않을 경우 데이터 손상 또는 시스템 불안정으로 이어질 수 있습니다.
• 열 부속품: 열을 소산시키고 데이터 무결성 및 속도를 유지하기 위해 열 분산기 및 냉각 팬이 사용됩니다.

5. 네트워킹 장비(라우터, 스위치):

• 연속 작동: 네트워킹 장비는 24시간 연중무휴로 작동하는 경우가 많아 계속적으로 열을 발생시킵니다.
• 냉각 요구 사항: 일관된 성능을 보장하고 장애를 방지하기 위해 방열판, 팬, 경우에 따라 환경 냉각(예: 서버실의 에어컨)이 필요합니다.

6. 임베디드 시스템:

• 콤팩트 설계 과제: 임베디드 시스템은 열을 소산시키기 어려운 제약된 환경에서 작동하는 경우가 많습니다.
• 열 솔루션: 맞춤형 방열판, 열 패드, 냉각 기능이 있는 특수 인클로저 사용을 통해 이러한 콤팩트한 시스템에서 열을 관리하여 산업 및 자동차 응용 분야의 신뢰성을 보장할 수 있습니다.

7. 모바일 장치(스마트폰, 태블릿):

• 열 제약 조건: 모바일 장치는 냉각을 위한 공간이 제한적인 콤팩트 장치이지만 고성능 프로세서와 배터리를 구동하므로 열을 발생시킵니다.
• 혁신적인 냉각: 열 스로틀링, 흑연 열 분산기, 첨단 재료 등의 기술을 사용하여 장치 크기를 늘리지 않고도 열을 관리할 수 있습니다.

8. 배터리 및 전력 스토리지:

• 안전 및 긴 수명: 특히 전기 차량 및 대용량 저장 시스템의 배터리는 충전 및 방전 중에 열을 발생시킵니다
• 열 관리: 액체 냉각, 열 관리 시스템, 내열 재료를 포함한 냉각 시스템은 배터리 수명을 단축시키거나 위험한 상황으로 이어질 수 있는 과열을 방지하는 데 필수적입니다.

9. 전기 통신 장비:

• 연속 열 부하: 기지국, 안테나 및 기타 전기 통신 장비는 작동 중 연속적인 열을 발생시킵니다.
• 냉각 필요성: 방열판, 팬, 온도 조절 인클로저는 장비의 안정성과 서비스 가용성을 유지하는 데 필수적입니다.

10. 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템:

• 극열 출력: 과학 연구, AI, 빅 데이터 분석에 사용되는 HPC 시스템에는 상당한 열을 발생시키는 밀집 컴퓨팅 클러스터가 필요합니다.
• 고급 냉각: 액체 냉각, 침수 냉각, 정교한 공기 냉각 시스템은 열을 관리하고 중단 없는 고속 작동을 보장하는 데 매우 중요합니다.

FPGA뿐만 아니라 광범위한 전자 제품에 걸쳐 열 부속품이 필수적입니다. 열 부속품은 열을 소산시키는 데 중요한 역할을 수행하며, 과열을 방지하고 장치가 신뢰할 수 있고 효율적인 성능을 수행하도록 합니다. 적절한 열 관리를 수행하지 않을 경우 전자 제품은 성능이 저하되고 불안전하며 돌발적인 고장이 발생할 수 있습니다. 열 솔루션은 전력 소비, 크기, 작동 환경을 포함하여 제품의 특정 요구 사항에 따라 결정됩니다.

임베디드 솔루션의 일반적인 열 소산 기술

시스템이 점점 더 작아지고 강력해짐에 따라 열 소산 기술은 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다. 설계자는 다음을 비롯한 일반적인 메커니즘을 통해 여러 방법을 사용하여 부품 및 PCB에서 열을 제거할 수 있습니다.

방열판 및 냉각 팬 - 방열판은 표면이 넓고 열 전도성이 있는 금속 부품으로, 전도를 통해 주변 공기로 열을 소산시키는 수동 열 교환기로서의 역할을 합니다. 냉각 팬을 방열판에 추가하면 열을 보다 빠르고 효과적으로 제거하는 데 도움이 됩니다. 이러한 조합은 임베디드 시스템을 냉각하는 가장 일반적이고 효과적인 방법 중 하나이며, 공기 흐름이 제한적인 환경에서는 특히 더 그렇습니다.

그림 1: 냉각 팬이 장착된 이 방열판은 실장된 부품에서 열을 소산시키는 데 도움을 줍니다. (이미지 출처: iWave)

열 파이프 통합 - 열 파이프는 고온 응용 제품에서 사용되는 냉각 장치입니다. 일반적인 열 파이프는 열을 흡수하고 기화하여 파이프를 따라 이동하는 유체로 구성됩니다. 콘덴서 끝에서 증기는 다시 액체로 바뀌며 이 주기가 반복됩니다. 열 파이프는 효율성이 높으며 장거리에 걸쳐 열을 전달할 수 있어 콤팩트한 고밀도 전자 장치에 이상적입니다.

열 분산기 - 열 분산기의 크고 평탄한 표면은 일반적으로 다른 크고 평탄한 표면에 직접 밀착됩니다. 열 분산기를 사용하면 더 작은 부품에서 더 큰 금속 표면으로 열을 전달할 수 있습니다. 열 분산기는 심한 충격 및 진동을 견뎌야 하고 밀폐형 컨테이너에 하우징된 장치에 이상적입니다. 또한 견고한 밀폐형 임베디드 시스템에서 열을 관리할 수 있는 강력한 솔루션을 제공합니다.

열전 냉각기(TEC) - 열전 냉각기는 부품 온도를 일정하게 유지해야 하는 시스템에 이상적입니다. 고전력 소산 프로세서는 기존의 공기 냉각 한계를 뛰어넘기 위해 TEC, 공기 냉각, 액체 냉각을 조합하여 사용하는 경우가 많습니다. TEC는 부품을 주변 온도보다 낮은 온도로 냉각하여 정밀한 온도 제어를 제공합니다.

열 비아 - 열 비아 어레이는 구리 필링 영역 위에 통합되어 전원 가까이에 배치됩니다. 이 방법에서는 열이 부품에서 구리 영역으로 흐르며 비아에서 공기를 통해 소산됩니다. 열 비아는 전력 관리 모듈과 열 패드가 있는 부품에 자주 사용되어 PCB의 열 전도성을 향상시킵니다.

액체 냉각 시스템 - 액체는 공기보다 4배 더 빠르게 열을 전달할 수 있어 더 작은 솔루션에서 더 높은 열 성능을 구현할 수 있습니다. 액체 냉각 시스템에는 열원과 연결되는 냉각판 또는 냉각 인클로저, 액체를 순환시키는 펌프 또는 압축기, 열을 안전하게 흡수하고 방출하는 열 교환기가 포함됩니다. 액체 냉각은 고전력 응용 제품 및 밀집된 전자 조립품에 특히 효과적입니다.

iWave의 열 솔루션

iWave의 전문 기계 엔지니어 팀은 제품의 특정 열 특성에 맞는 방열판, 팬 싱크 및 인클로저를 설계합니다. 또한 열 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 엔지니어가 가장 적합한 냉각 방법을 결정하고 관련 열 파라미터를 이해하여 궁극적으로 전반적인 제품 신뢰성을 개선할 수 있도록 지원합니다.

열 흐름 패턴 분석

Ansys Icepak과 같은 도구를 사용하여 iWave 엔지니어는 장치 내의 열 흐름 패턴을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 분석은 열 핫스폿을 식별하고 냉각 부품의 배치를 최적화하는 데 도움을 줍니다. 열이 시스템을 통해 이동하는 방식을 이해함으로써 엔지니어는 보다 효과적인 열 관리 솔루션을 설계할 수 있습니다.

맞춤형 방열판 설계

iWave는 각 프로젝트의 고유한 요구 사항에 맞게 맞춤형 방열판을 설계합니다. 설계 프로세스에는 표면적과 재료 특성을 기반으로 이론적인 열 소산 값을 계산하는 과정이 포함됩니다. 그런 다음 엔지니어는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이러한 설계를 테스트하여 다양한 작동 조건에서 적절한 냉각을 제공하는지 확인합니다.

능동 장치의 냉각 방법

설계 단계 중 TEC와 냉각 팬의 통합과 같은 능동 냉각 방법도 고려됩니다. iWave는 각 방법의 장점과 한계를 평가하여 각 응용 제품에 가장 효율적이고 비용 효율적인 솔루션을 선택합니다.

모든 폼 팩터에 적합한 열 솔루션

iWave는 OSM, SMARC, Qseven 및 SODIMM을 포함한 모든 폼 팩터를 위한 열 솔루션을 제공합니다. 이러한 솔루션은 우수한 재료 특성으로 인해 알루미늄 합금 AL6063을 사용합니다. 알루미늄은 뛰어난 전도성, 무독성, 재활용 가능성을 제공하고 내구성이 뛰어나 부품의 열을 전달하는 데 이상적입니다.

제품 설계자는 사내 열 솔루션을 통해 엔지니어링 지연, 현장 장애 및 제품 반복을 제거하여 구현 비용을 절감할 수 있습니다. 장치에서 발산되는 열의 양을 줄이면 효율성과 신뢰성이 향상되어 제품의 수명이 길어집니다.

결론

임베디드 시스템의 복잡성과 전력 밀도가 증가함에 따라 고급 열 관리 기술이 필요해졌습니다. 설계자는 방열판 및 냉각 팬부터 액체 냉각 시스템 및 열 비아에 이르는 다양한 열 소산 방법을 사용하여 장치의 성능과 안정성을 최적으로 유지할 수 있습니다. iWave와 같은 회사는 고급 시뮬레이션 도구와 맞춤형 설계를 활용하여 제품의 특정 요구 사항에 맞는 특수 열 솔루션을 제공함으로써 최신 전자 제품의 과제를 해결합니다.

iWave의 열 솔루션 전문 지식에 대해 자세히 알아보려면 iWave에 문의하세요.