열 확산기와 갭 필러로 열 관리를 최적화하는 방법

전자 장치의 성능과 신뢰성을 보장하기 위해서는 우수한 열 관리가 중요합니다. 개념은 단순합니다. 원하지 않는 열을 열원로부터 멀리 이동시키는 것을 시작으로 효과적인 방열과 냉각을 위해 더 넓은 영역으로 확산시킵니다. 그러나 대부분의 경우 구현이 어려울 수 있습니다.

일반적으로 열 발생 장치의 표면은 양호한 열전달을 보장하는 데 필요한 낮은 열 임피던스를 가질 만큼 충분히 매끄럽지 않습니다. 일부 장치의 경우 표면이 평평하지 않아 열 관리 문제가 더 어려워집니다. 또한 냉각해야 하는 부품이 시스템 내부 깊숙한 곳에 있을 수 있으므로 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 열을 추출하는 것이 더욱 복잡해질 수 있습니다.

열전도율을 높이기 위해 써멀 페이스트와 써멀 그리스를 사용할 수 있지만 우수한 열전달을 보장하는 데 필요한 적용 범위와 회로 기판 트레이스의 오염과 단락을 유발할 수 있는 과다 도포를 방지하기 위해 필요한 적용 범위를 확보하는 것이 까다로울 수 있습니다. 게다가 써멀 페이스트와 써멀 그리스는 열원의 측면으로 열을 확산시킬 수는 없습니다.

대신 설계자는 오염 우려를 없애면서 효과적인 열전달에 필요한 열 임피던스를 일관되게 낮추기 위해 갭 필러와 열 확산기를 포함한 다양한 열전 재료(TIM)를 활용할 수 있습니다. 특정 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 TIM은 열을 수직으로 전달하거나 측면으로 열을 확산하도록 구성할 수 있습니다. TIM은 특정 응용 분야의 요구 사항에 맞게 다양한 두께로 제공되며 높은 작동 온도에서 기계적으로 안정적이므로 신뢰성이 우수하고, 높은 전기적 절연을 제공할 수 있으며 적용하기도 쉽습니다.

이 기사에서는 열 관리를 검토하고 일반적인 TIM 선택 지침을 제공합니다. 그런 다음 Würth Elektronik의 몇 가지 TIM 선택 사항을 제시하고 각각에 대한 응용 분야와 설계 고려 사항을 검토합니다.

TIM이란?

TIM은 열원과 냉각 조립품 사이에 위치하여 열 커플링과 열 흐름을 개선합니다. 열 커플링의 효율성을 높이는 요인은 두 가지입니다. 첫째, TIM은 미세하게 불규칙한 표면에 밀착하여 인터페이스의 열전도율을 감소시키는 모든 단열 공기 주머니를 제거할 수 있습니다(그림 1). 둘째, TIM은 열원에서 냉각 조립품으로 열을 효과적으로 전달하는 데 필요한 열전도율을 가지고 있습니다. 열전도율(K)은 미터와 켈빈 온도의 곱에 대한 와트(W/mK)로 수치화합니다. 이는 ASTM D5470 '열전도성 전기 절연재의 열전달 특성 표준 시험 방법'을 사용하여 측정합니다.

그림 1: 열 커플링을 개선하기 위해 부품과 냉각 조립품의 표면에 존재하는 미세하게 불규칙한 면을 채우기 위해 TIM(파란색)을 사용합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

열전도율 외에도 TIM을 선택할 때 몇 가지 고려해야 할 사항이 있습니다.

• 온도 범위에 따라 다양한 TIM이 지정되기 때문에 작동 온도 범위가 중요합니다.
• 접하는 표면 사이의 거리와 최적의 열전달을 위해 TIM을 압축해야 하는지 여부입니다.
• TIM의 압축 압력 내성 능력입니다.
• 일부 TIM은 표면에 접착제를 도포하여 기계적 고정을 가능하게 하는 경우도 있습니다.
• TIM의 전기적 절연 특성을 전기 절연재로 사용할 수 있습니다.
• 일부 TIM은 최소 주문 수량이 없고 툴링 비용이 없는 표준 부품으로 제공되며, 또 다른 TIM은 특정 응용 분야 요구 사항에 최적화할 수 있는 맞춤 형태로 제공됩니다.

갭 필러 선택

WE-TGF 실리콘 갭 필러는 전기 절연의 이점이 있으며 TIM 두께의 10% ~ 30%로 압축되는 저압 응용 분야에 사용하도록 설계된 범용 재료입니다. 권장 압축 수준을 초과하면 실리콘 오일이 배어 나와 재료의 예상 수명이 단축되고 인쇄 회로 기판(PC 기판)이 오염될 수 있습니다. 이러한 TIM은 본래의 끈적임 외에 추가적인 접착제가 없기 때문에 기계적으로 고정된 두 표면 사이에서 사용하도록 설계되었습니다. 두께는 0.5mm ~ 18mm이며 열전도율은 1W/mK ~ 3W/mK입니다. 0.5mm ~ 3mm의 두께는 더 높은 수준의 열전도율을 지원합니다(그림 2).

그림 2: Würth의 열 갭 필러는 다양한 응용 분야의 요구를 충족시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

예를 들어 부품 번호 40001020은 두께 2mm에 400mm x 200mm 패드입니다. K가 1W/mK이고 유전체 강도 또는 전기적 파괴 등급(E_BR)이 8kV/mm입니다. WE-TGF 갭 필러의 전기적 절연 특성과 부드러운 특성은 하나 이상의 전자 부품과 냉각 조립품 사이에서 사용하기에 적합합니다(그림 3).

그림 3: 실리콘 탄성 중합체 갭 필러 패드는 하나 이상의 전자 부품과 냉각 조립품(예: 방열판, 냉각판, 금속 하우징) 사이의 갭을 메우도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

전기적 절연과 더 얇은 프로파일이 필요한 열 관리 응용 분야의 설계자는 K가 1.6W/mK ~ 3.5W/mK이고 두께가 0.23 mm인 WE-TINS 열전도성 실리콘 절연체 패드를 사용할 수 있습니다. 부품 번호는 404035025, K는 3.5W/mK이고 E_BR은 6kV/mm입니다. WE-TINS 계열의 모든 부품과 마찬가지로 404035025는 열전도성 실리콘 고무와 유리 섬유 메시를 결합합니다. 메시는 기계적 강도를 더하고 펑크와 전단을 방지합니다. 구조의 기계적 특성으로 인해 이러한 TIM은 원하는 대로 압축될 수 있으며 인장 강도가 높습니다.

열 상변화 물질과 열 전도 테이프는 프로파일이 0.02mm에 불과할 정도로 훨씬 더 얇습니다. 예를 들어, WE-PCM 계열의 상변화 TIM은 특정 온도에서 고체에서 액체로 상태 변화하여 유출이나 넘침 없이 인터페이스를 완전히 젖게 합니다. 고성능 집적 회로 또는 전력 부품 및 냉각 조립품과 함께 사용하도록 설계되었습니다. 예를 들어 부품 번호 402150101020은 양면에 접착제를 도포한 한 변이 100mm인 정사각형이고, K는 5W/mK, E_BR은 3 kV/mm, 상변화 온도는 55°C입니다.

WE-TTT 열 전도 테이프는 양쪽 접촉면을 기계적으로 고정할 수 있는 양면테이프입니다. K는 1W/mK이고 E_BR은 4kV/mm이며 저압 응용 분야용으로 설계되었습니다. 8mm(부품 번호 403012008)와 50mm( 부품 번호 403012050) 너비가 있고 25m 롤로 제공합니다.

흑연 열 확산 솔루션

합성 흑연 기반 TIM은 열전도율이 가장 높습니다(그림 4). WE-TGS 제품군의 부품 번호 4051210297017은 297mm x 210mm 크기의 합성 흑연 열 확산기로, K는 1800W/mK이며 전기 절연성은 없습니다. 높은 열전도성, 가벼운 무게와 두께(0.03mm)를 고루 갖춘 이 흑연 시트는 고전력 반도체 모듈에서 핸드헬드 장치에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 유용합니다.

그림 4: 흑연 열 확산기는 여러 가지 크기와 높은 열전도성을 제공하며 두께는 0.03mm에 불과합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

WE-TGFG 계열은 흑연 시트와 폼 패드를 결합하여 K가 400 W/mK이고 E_BR이 1kV/mm인 독특한 열 관리 솔루션을 생성합니다. 긴 개스킷은 열 확산기 역할을 하도록 제작되어 열원에서 시스템의 다른 부분에 위치한 냉각 조립품까지 측면으로 열을 전달할 수 있습니다(그림 5). 예를 들어, 부품 407150045015는 길이 45mm, 너비 15mm, 두께 1.5mm이며 갭 메우기와 측면 열전달의 이점을 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

그림 5: 열 발생 부품 위에 배치된 TIM은 부품에서 측면으로 열을 전달하는 열 확산기 역할을 할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

WE-TGF 갭 필러와 같은 실리콘 패드로 더 높은 열전도율을 달성하려면 패드를 더 얇게 만들어야 합니다. 설계자는 WE-TGFG TIM을 사용하여 실리콘 패드로 가능한 것보다 훨씬 더 높은 열전도율로 최대 25mm의 갭을 메울 수 있으며, WE-TGFG 부품을 평평하지 않은 공간에 맞게 맞춤식 형상으로 제작할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 흑연 폼 개스킷(중앙)은 다양한 형상으로 제작될 수 있으며 열원(하단)과 평평하지 않은 방열 소자(상단) 간의 인터페이스로 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

성능 향상을 위한 TIM 조합

TIM을 조합하여 성능을 더 높일 수 있습니다. 예를 들어 WE-TGS 흑연 열 확산기와 WE-TGF 실리콘 갭 필러를 조합하면 열원보다 실장 면적이 큰 방열판을 사용할 수 있어서 전체 조립품의 냉각 능력을 높일 수 있습니다(그림 7).

그림 7: WE-TGS 흑연 열 확산기와 WE-TGF 실리콘 갭 필러를 조합하면 열 발생 부품의 실장 면적보다 더 큰 방열판을 사용할 수 있어서 냉각 성능을 향상시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

일반적인 활용 지침

사용 중인 TIM에 관계없이 설계자가 고려해야 하는 몇 가지 일반적인 활용 지침이 있습니다.

• 부품과 냉각 조립품의 표면이 깨끗하고 건조해야 합니다. 보풀이 없는 면봉 또는 와이프에 이소프로필 알코올을 묻혀 표면 오염을 제거해야 합니다.
• 압축이 필요한 TIM을 사용할 때는 재료의 전체 표면에 걸쳐 균일한 압력으로 압축해야 합니다. 가해진 압력이 지정된 정격을 초과할 경우 재료가 손상될 수 있습니다.
• 최고의 열전도성을 구현하려면 모든 표면 기포 및 틈새를 제거해야 합니다.
• TIM의 작동 온도는 주위 온도와 냉각되는 부품의 온도 상승의 조합을 수용할 수 있어야 합니다.

결론

열 관리는 광범위한 전자 시스템 설계 전반에 걸친 문제입니다. 위에서 살펴본 것처럼 설계자는 실리콘, 상변화 물질, 흑연, 폼 패드 등 다양한 재료로 만들어진 다양한 TIM을 활용할 수 있습니다. TIM을 사용하면 써멀 페이스트나 써멀 그리스를 사용할 때 발생할 수 있는 오염에 대한 우려를 제거하면서 효과적인 열전달에 필요한 열 임피던스를 일관되게 낮출 수 있습니다.

페이스트와 그리스는 열을 수직으로만 전달하지만, 설계자는 열을 수직으로 전도하는 갭 필러 TIM이나 열을 측면으로 전도할 수 있는 열 확산기 중에서 선택할 수 있습니다. 마지막으로, 많은 TIM을 최소 주문 수량이나 툴링 비용 없이 사용할 수 있으므로 열 관리 설계에 경제적인 선택이 될 수 있습니다.

추천 자료

1. 열 관리에 대한 소개
2. 온도를 낮게 유지하는 방법: 방열판 선택 및 응용 기본 사항