온도를 낮게 유지하는 방법: 방열판 선택 및 응용 기본 사항

대부분의 전자 부품, 특히 마이크로 프로세서 및 마이크로 컨트롤러의 크기가 계속적으로 작아짐에 따라 열 밀도가 증가되고 있습니다. 이러한 진화로 인해 열 설계와 관리가 주요 설계 고려 사항이 되었습니다. 기대 수명, 신뢰성, 성능은 장치의 작동 온도와 반비례 관계에 있기 때문입니다. 따라서 설계자들은 장치의 작동 온도가 제조업체에 의해 설정된 제한 내에 유지되도록 하기 위해 효과적인 열 관리와 사용 가능한 방열판 솔루션을 명확하게 이해해야 합니다.

방열판은 냉각수(공기)에 노출된 장치의 표면적을 증가시켜 작동합니다. 적절하게 실장된 경우, 방열판은 고체-공기 경계에서 냉각기 주변 공기로의 열 전달을 향상시켜 장치의 온도를 낮춥니다.

이 기사에서는 방열판 선택에 대한 개요를 제공하고 뛰어난 냉각 성능을 달성할 수 있는 적절한 설계, 부품 선택, 모범 사례에 대한 안내를 제공합니다. Ohmite의 방열판 솔루션은 실용적 예제로 사용될 수 있습니다.

열 회로

전력은 집적 회로(IC) 내의 능동 트랜지스터 접합에서 열 형태로 손실되며, 접합부의 온도는 손실되는 전력에 비례합니다. 제조업체는 최대 접합 온도를 지정하지만 일반적으로 약 150°C입니다. 접합 온도를 초과하면 대개 장치에 손상이 발생하므로, 설계자는 IC에서 최대한 많은 열을 떨어뜨려야 합니다. 이를 위해, θ로 표시되는 열 저항 개념을 기반으로 하여, 전자 계산을 위한 옴의 법칙과 유사하게 열의 흐름을 측정하는 다소 간단한 모델을 사용할 수 있습니다.

그림 1: θ로 표시되는 열 저항의 개념을 기반으로 하는, 방열판을 갖춘 IC를 위한 열 회로 모델 구성도. (이미지 출처: DigiKey)

열 저항은 매체 간에 열이 흐를 때 만나는 저항입니다. 열 저항은 와트당 섭씨 온도(°C/W) 단위로 측정되며 다음과 같이 정의됩니다.

방정식 1

여기서,

θ는 열 장벽에서의 열 저항입니다(°C/W 단위).

∆T는 열 장벽에서의 온도 차입니다(°C 단위).

P는 접합에서의 전력 손실입니다(W 단위).

IC 및 방열판의 물리적 배열을 보면 여러 개의 열 계면이 있습니다. 첫 번째는 접합부와 IC 케이스 사이이며, 열 저항 θ_jc로 모형화됩니다.

이 두 장치 간의 열 전도성을 향상시키기 위해 방열판은 열 계면 재료(TIM)인 열 페이스트 또는 열 테이프를 사용하여 IC에 연결됩니다. 일반적으로 저저항인 이 레이어는 케이스-방열판 열 저항 θ_cs의 일부로 모형화됩니다. 마지막 단계는 주변 환경에 대한 방열판의 인터페이스 θ_sa입니다.

열 저항은 전자 회로의 저항기처럼 직렬로 추가됩니다. 모든 열 저항의 합계는 접합에서 주변 공기까지의 총 열 저항을 제공합니다.

접합-케이스 열 저항은 대개 IC 제조업체에 의해 암시적으로 또는 명시적으로 지정되어 있습니다. 이 사양은 최대 케이스 온도 형식일 수 있으며 열 저항 소자 중 하나를 제거합니다. IC를 응용하는 설계자는 접합-케이스 열 저항 특성을 제어할 수 없습니다. 그러나 설계자는 접합 온도를 지정된 최대 온도 밑으로 유지할 수 있도록 IC를 충분히 냉각시키는 데 필요한 TIM 및 방열판 특성을 선택해야 합니다. 일반적으로, TIM 및 방열판의 열 저항이 낮을수록 냉각되는 IC의 케이스 온도도 낮아집니다.

방열판 선택 예제

Ohmite는 볼 그리드 어레이(BGA) 또는 플라스틱 볼 그리드 어레이(PGBA) 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU) 또는 정사각 패키지 풋프린트를 갖춘 유사한 프로세서에서 작동하도록 설계된 BG 계열의 방열판을 제공합니다(그림 2).

그림 2: BG 계열 방열판은 CPU, GPU 및 유사한 정사각형 풋프린트를 갖춘 기타 프로세서를 비롯한 BGA 패키지 IC에 적합합니다. (이미지 출처: Ohmite)

라인에는 15mm x 15mm ~ 45mm x 45mm의 풋프린트 정합 공통 IC 구성 및 2060mm2 ~ 10893mm2의 핀(fin) 면적을 갖춘 10개의 방열판이 있습니다(표 1). 이러한 RoHS 준수 방열판은 검은색 양극 산화 처리 6063-T5 알루미늄 합금으로 만들어집니다.

표 1: 2060mm2 ~ 20893mm2의 핀 면적을 제공하는 Ohmite BG 계열 범위 표. (표 출처: DigiKey)

이 표에서는 자연 대류 냉각의 경우에 해당하는 열 저항 값을 나타냅니다. 팬을 사용하는 강제 대류의 경우 냉각 공기의 속도에 비례하여 열 저항이 낮아집니다. 강제 공기 냉각은 2 또는 3 대 1의 비율로 열 저항을 줄일 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 강제 공기 냉각의 경우 Ohmite BG 계열 방열판의 열 성능. (이미지 출처: Ohmite)

열 계면 재료

Ohmite BG 계열의 경우 IC 케이스와 방열판 사이에 사용되는 열 계면 재료는 방열판과 함께 제공되는 양면 열 테이프입니다. 양면 테이프를 사용하면 설치가 간소화됩니다. 테이프에 기계적 설계 또는 제작이 필요하지 않기 때문입니다.

TIM은 일반적으로 미터 섭씨 온도당 와트(W/(m°C)) 또는 미터 켈빈 온도당 와트(W/(m°K)) 단위의 열 전도성으로 지정됩니다. TIM 레이어의 열 저항은 테이프의 두께 및 사용되는 면적에 따라 달라집니다. 열 저항은 다음 방정식으로 계산될 수 있습니다.

방정식 2

여기서,

두께는 미터(m) 단위로 표시됩니다.

면적은 평방미터 단위(m²)로 표시됩니다.

열 전도성은 W(m°C) 또는 W/(m°K) 단위로 표시됩니다.

섭씨와 켈빈은 모두 온도 측정값에 대해 동일한 단위 증분을 사용하므로 바꿀 수 있습니다. 즉, 계산되는 온도의 차이가 동일합니다(예: 10°C의 온도 차이는 10°K의 온도 차이와 같음).

Ohmite BGAH150-075E 15mm x 15mm x 7.5mm 방열판(15mm x 15mm 장치에 연결됨)을 보면 TIM의 면적은 225mm²(225 E^-6 m²)입니다. 공급되는 열 테이프의 두께는 0.009인치 또는 0.23mm(0.00023m)입니다. 지정된 열 전도성은 1.4W/(m°K)입니다. 방정식 2에 이러한 값을 대입하면 다음과 같은 결과가 산출됩니다.

 방정식 3

TIM의 열 저항은 일반적으로 방열판의 열 저항보다 훨씬 작으며 실장 면적이 더 큰 방열판의 경우에는 열 저항이 더 낮을 수 있습니다.

온도 제한 내에서 IC를 유지하기 위해 방열판에서 필요한 최소한의 열 저항을 결정하는 예제는 IC에서 시작됩니다. 최대 85°C로 지정된 케이스 온도를 가진 15mm x 15mm IC를 고려해 보겠습니다. 이 IC는 공칭 2W의 작동 손실을 제공하며 45°C의 주변 온도에서 인클로저 내에서 작동합니다.

다양한 작동 모드가 있기 때문에 프로세서의 전력 손실을 결정하는 것은 어려울 수 있습니다. 일부 제조업체들은 열 설계 전력(TDP)을 지정하여 이 과정을 간소화하려고 시도합니다. TDP는 "실제 응용 제품"을 실행할 때 손실되는 전력입니다. 이러한 정격은 응용 제품에 따라 다르기 때문에 그 적합성과 관련하여 일부 논의가 있습니다. CPU의 공급 전압 각각에 대해 전원 공급 장치 전류 요구 사항을 참조하여 최대 전력 손실을 결정할 수도 있습니다. 이 값은 TDP로 설명되는 손실보다 높을 수 있습니다. 설계자는 제조업체의 기술 데이터를 확인하여 IC에 대해 가장 적합한 공칭 전력 손실 예측값을 결정해야 합니다.

예제로 돌아가서, 필요한 방열판 및 TIM에 대한 최소한의 열 저항(θ)은 방정식 4를 사용하여 결정할 수 있습니다.

방정식 4

Ohmite BGAH150-075E는 18°C/W의 열 저항을 갖습니다. TIM의 추가 저항은 0.73°C/W이고 총 저항은 18.73°C/W입니다. 이는 계산된 최소한의 열 저항보다 낮으며 계속 유효합니다. 방열판이 선택된 경우, 주변 온도가 일정하게 유지된 상태에서 방정식 1을 사용하는 역 계산을 기반으로 할 때, 예측되는 최대 케이스 온도는 82.5°C입니다.

대체 방열판으로서, 핀 높이가 더 높아 표면적이 더 큰 15mm x 15mm x 12.5mm Ohmite BGAH150-125E를 선택하면 방열판 및 TIM의 총 열 저항이 11°C/W로 낮아집니다. 그러면 거의 동일한 비용에서 케이스 온도를 약 67°C로 낮출 수 있으며 온도 마진이 더 커집니다.

다른 고려 사항은 방열판의 사용 가능한 공간 또는 냉각 팬에 대한 필요성일 수 있습니다.

결론

열 관점에서, 방열판을 선택하는 것은 비교적 간단합니다. 위에서 설명한 바와 같이 Ohmite BG 계열 방열판은 BGA 패키지 IC의 냉각 문제에 대한 실현 가능한 솔루션을 제공합니다.