최신 기술을 위한 방열판의 크기를 조정하는 숨겨진 비결

엔지니어는 자신의 전자 설계가 시즌 최다 인기를 기록하기를 바라지만 글자 그대로는 아닙니다. 장치의 모든 전자 부품은 열을 생성하며 이러한 열은 누적됩니다. 온도가 너무 높아지면 회로에 영구적 손상을 입힐 수 있으며 유용했던 장치가 문진이 되버릴 수 있습니다.

무용지물 같은 브리킹 설계를 회피하기 위해 엔지니어는 모든 부품이 안전한 온도에서 작동하는지 확인해야 합니다. 전통적으로 적절한 방열판 크기를 지정하는 데에는 단순한 계산이 사용됩니다. 그러나 이러한 개략적 계산이 이상적일까요?

전통적인 방열판 크기 조정 방법

몇 번의 가정과 간소화를 거친 후 전자 부품과 대기 간의 열 전달은 다음과 같은 계산을 통해 모델링할 수 있습니다.

여기서 Q는 시스템에서 소실되는 총 전력입니다. T_A는 주변 영역의 온도이고, T_J는 접합부에서의 부품 온도이며 R_ϑ,T는 시스템의 총 열 저항입니다. 방열판이 사용되지 않을 경우 유일한 접점면은 부품과 주변 환경 사이입니다. 따라서 R_ϑ,T는 접합부와 공기 사이의 열 저항인 R_ϑ,JA와 같습니다.

TO-220FP 패키지로 제공되는 IGBT 정격(600V, 15A, 25W 기준) 장치인 STGF7NB60SL(이미지: STMicroelectronics)

STMicroelectronics에서 제공하는 TO-220FP 패키지의 IGBT 정격(600V, 15A, 25W 기준) 장치인 STGF7NB60SL을 고려해 보겠습니다. 해당 규격서를 통해 R_ϑ,JA가 62.5°C/W이고 최대 작동 온도 T_J,max가 150°C임을 알 수 있습니다. 주변 열원으로 인해 2W가 소실되고 기온이 50°C로 따뜻하다고 가정할 때 T_J는 175°C입니다. 이는 부품의 안전 마진보다 훨씬 높기 때문에 방열판이 필요합니다.

방열판 이외에도 시스템에는 TIM(열 전도 재료)이 필요합니다. 장치와 방열판의 표면은 고르지 않아 미시적인 틈이 생성됩니다. 이 틈이 공기로 채워지면 절연체 역할을 수행할 수 있습니다. TIM은 이 틈을 대신 메워주는 열 전도성 페이스트입니다.

아래 다이어그램에서 추가된 방열판 및 TIM을 확인할 수 있습니다.

반도체 케이스에 실장된 방열판. 다이어그램의 열 유동, 온도, 열 저항은(왼쪽) 직렬로 연결된 저항기 망처럼 모델링할 수 있습니다(왼쪽)(이미지 출처: Aavid Thermalloy(기사 작성 시), 현재 Boyd).

R_ϑ,T를 계산하려면 케이스, 접합부, TIM 및 방열판 사이의 모든 개별 열 저항을 직렬로 연결된 저항기로 취급해야 합니다. 다시 말해서 총 저항을 구하려면 R_ϑ,JC, R_ϑ,CS, R_ϑ,SA를 합산해야 합니다. 따라서 계산은 다음과 같습니다.

R_ϑ,JC는 R_ϑ,JA와 동일한 규격서에 있으므로 쉽게 찾을 수 있습니다. 해당 규격서에 따르면 R_ϑ,JC는 5°C/W입니다.

시스템에 대해, Boyd의 TO-220 장치 2.5W @ 60°C를 냉각하도록 설계된 507302B00000G 방열판이 선택되었다고 가정해 보겠습니다. 규격서에 따르면 자연 대류를 통해 2W가 소실될 경우 온도가 50°C가 증가합니다. 따라서 R_ϑ,SA = 50°C/2W = 25°C/W입니다.

507302B00000G는 TO-220 장치 2.5W @ 60°C를 냉각하도록 설계된 알루미늄 방열판입니다(이미지 출처: Boyd).

TIM의 경우 Boyd의 열 실리콘 화합물인 Thermalcote를 고려해 보세요. 이 화합물의 열 전도율(k)은 0.765W/(m°C)입니다. 두께(L)가 1mm라고 가정할 때 방열판의 표면적(A = 19.05mm x 19.05mm)을 사용하여 R_ϑ,CS를 계산할 수 있습니다.

열 실리콘 화홥물 Thermalcote(이미지 출처: Boyd)

따라서 모든 것을 수식으로 연결하면 다음과 같습니다.

T_J는 이제 117.2°C로, 장치의 최대 정격 온도보다 훨씬 낮습니다. 따라서 이 방열판은 부품이 계속적인 작동을 보장하는 데 사용할 수 있는 좋은 옵션입니다. 하지만 이것이 가장 좋은 선택일까요?

시뮬레이션 사용

위의 계산은 여전히 여러 엔지니어링 시나리오에 적합한 옵션입니다. 그러나 전자 부품은 점점 더 작고 가벼워지고, 점점 더 복잡하고, 강력하며 경쟁이 치열해지고 있습니다. 따라서 엔지니어들은 비용을 줄이고 신뢰성을 향상시키기 위해 상업용 장치와 이러한 장치를 냉각하는 방법을 최적화해야 합니다. 이 경우 개략적인 계산은 통하지 않을 것입니다.

또한 이러한 계산은 전자 부품이 축소됨에 따라 현재 상황에 맞지 않을 수 있는 가정을 사용합니다. 그 예로, 대기 온도가 50°C이고 방열판을 통해 열이 균일하게 소실되는 경우를 들 수 있습니다.

마지막으로, 강제 기류가 추가된다면 어떻게 될까요? 이 모델은 한정된 공간 내에서 공기가 어떻게 흐르는지 또는 이러한 사항이 성능에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 고려하지 않습니다.

최신 가전 내에서의 열 전달을 완전하게 이해하고 방열판과 팬의 크기를 최적으로 조정하는 가장 좋은 방법은 시뮬레이션을 사용하는 것입니다. 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 더 이상 각각의 부품을 개별적으로 확인할 필요가 없습니다. 대신 전체 장치를 통해 열 흐름을 모델링할 수 있습니다. 이 방식을 사용하면 설계, 방열판, 팬을 더 효율적으로 최적화할 수 있습니다. 이러한 작업에 많이 사용되는 시뮬레이션 소프트웨어에는 Simcenter Flotherm, Ansys Icepak, Celsius Studio, Altair SimLab, SimScale, SOLIDWORKS Flow Simulation이 포함됩니다. 이러한 시뮬레이션에 추가할 수 있는 방열판에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하세요.