히트 싱크

히트싱크(일반적으로^[1] 히트싱크라고도 함)는 전자 또는 기계 장치에 의해 발생한 열을 유체 매체(종종 공기 또는 액체 냉각수)로 전달하는 수동형 열교환기입니다. 여기서 이 열은 장치로부터 분산되어 장치의 온도를 조절할 수 있습니다.컴퓨터에서는 히트 싱크를 사용하여 CPU, GPU 및 일부 칩셋과 RAM 모듈을 냉각합니다.히트 싱크는 파워 트랜지스터나 레이저나 발광 다이오드(LED) 등의 광전자 등 고출력 반도체 소자에 사용되며 부품 자체의 방열 능력이 온도를 낮추기에 불충분합니다.

히트 싱크는 공기와 같은 주변 냉각 매체와 접촉하여 표면적을 최대화하도록 설계되어 있습니다.공기 속도, 재료 선택, 돌출 설계 및 표면 처리는 히트 싱크의 성능에 영향을 미치는 요인입니다.히트 싱크 설치 방법 및 서멀 인터페이스 재료도 집적회로의 다이 온도에 영향을 미칩니다.서멀 접착제 또는 서멀 페이스트는 히트 싱크와 디바이스의 히트 분쇄기 사이의 에어 갭을 메워 히트 싱크의 성능을 향상시킵니다.히트 싱크는 보통 알루미늄 또는 구리로 만들어집니다.

열전달 원리

히트 싱크는 고온 디바이스에서 저온 유체 매체로 열에너지를 전달한다.유체 매체는 자주 공기이지만 물, 냉매 또는 오일일 수도 있습니다.유체 매체가 물인 경우, 히트 싱크는 종종 콜드 플레이트라고 불립니다.열역학에서 히트 싱크는 온도를 크게 바꾸지 않고 임의의 양의 열을 흡수할 수 있는 열 저장소입니다.전자기기용 실용적인 히트 싱크는 대류, 복사 및 전도에 의해 열을 전달하기 위해 주위보다 높은 온도를 가져야 합니다.전자제품의 전원 공급은 절대적으로 효율적이지 않기 때문에 여분의 열이 발생하므로 장치의 기능을 해칠 수 있습니다.따라서 히트 싱크가 설계에 포함되어 열을 분산합니다.

푸리에의 열전도 법칙은 물체에 온도 구배가 있을 때 열이 고온 영역에서 저온 영역으로 전달된다는 것을 보여줍니다.전도에 의해 열이 전달되는 $속도{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle q_{}}$ k$(\$는 온도 구배와 열이 전달되는 단면적의 곱에 비례합니다.x 방향으로 1차원 형태로 단순화하면 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

${\displaystyle q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.}$

공기가 덕트를 통과하는 덕트의 히트 싱크의 경우 히트 싱크 베이스는 일반적으로 덕트를 통과하는 공기보다 더 뜨겁습니다.정상 상태 조건의 에너지 보존 및 뉴턴의 냉각 법칙을 다이어그램에 표시된 온도 노드에 적용하면 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있습니다.

$({displaystyle {dot {Q}}={m}}c_{p,{\text{air,out}})-T_{\text{air,in}})$

$({displaystyle {Q}}=black {T_{\text{hs}}-T_{\text{air,av}}}{R_{\text{hs}}})$

어디에

$({displaystyle T_{\text{air,av}}}=flac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}).}$

${\displaystyle \stackrel{}{m}}$ { $displaystyle { m }$은(는) kg/s 단위의 기단 유량입니다.

${\displaystyle {\text{c}}_{}}$p ({$displaystyle c_{p,{\text{in}}}})$는 유입공기의 열용량(J/(kg °C))입니다.

$({$는 히트 싱크의 열저항입니다.

평균 공기 온도를 사용하는 것은 비교적 짧은 히트 싱크에 유효한 가정입니다.콤팩트 열교환기를 계산할 때 로그 평균 공기 온도가 사용됩니다.

위의 방정식은 다음을 나타냅니다.

• 히트 싱크를 통과하는 공기 흐름이 감소하면 평균 공기 온도가 증가합니다.그 결과 히트 싱크 베이스 온도가 높아집니다.또한 히트 싱크의 열 저항도 증가합니다.결과적으로 히트 싱크 베이스 온도가 높아집니다.
  • 유량 저하에 따른 히트 싱크 열저항의 증가에 대해서는 이 문서의 후반부에서 설명합니다.
• 흡기 온도는 히트 싱크 기준 온도와 강하게 관련되어 있습니다.예를 들어 제품에 공기 재순환이 있는 경우 흡기 온도는 외기 온도가 아닙니다.따라서 히트 싱크의 흡기 온도가 높아지기 때문에 히트 싱크의 베이스 온도도 높아집니다.
• 히트 싱크 주위에 공기가 흐르지 않으면 에너지가 전달되지 않습니다.
• 히트 싱크는 "스펀지처럼 열을 흡수하여 평행한 ^[2]우주로 보내는 마법의 능력"을 가진 장치가 아닙니다.

자연 대류를 위해서는 히트 싱크를 통해 공기가 자유롭게 흐를 필요가 있습니다.핀이 수직으로 정렬되어 있지 않거나 핀이 너무 가까이 있어 핀 사이에 충분한 공기가 흐를 수 없는 경우에는 히트 싱크의 효율이 저하됩니다.

설계 요인

열저항

다양한 소비자 및 산업용 전자제품에서 사용되는 반도체 장치의 경우 열 저항이라는 개념은 히트 싱크의 선택을 단순화합니다.반도체 다이와 외기 사이의 열 흐름은 열 흐름에 대한 일련의 저항으로 모델링됩니다. 다이스에서 디바이스 케이스, 케이스에서 히트 싱크로, 히트 싱크와 외기로의 저항이 있습니다.이러한 저항의 합계는 다이에서 외부 공기로의 총 열 저항입니다.열저항은 전기저항과 유사한 전력단위당 온도상승으로 정의되며 와트당 섭씨(°C/W) 단위로 표시됩니다.디바이스의 소산(와트 단위)을 알고, 총 열저항을 계산하면, 외기에 걸친 다이의 온도 상승을 계산할 수 있습니다.

반도체 히트 싱크의 열 저항 개념은 근사치입니다.장치 또는 히트 싱크를 통한 열의 불균일한 분포는 고려하지 않습니다.열평형 상태에서 시스템을 모델링할 뿐 시간에 따른 온도 변화는 고려하지 않습니다.또한 온도 상승에 대한 방사선과 대류의 비선형성도 반영하지 않습니다.그러나 제조업체는 히트싱크 및 반도체 디바이스의 일반적인 열저항 값을 표로 작성하여 상업적으로 제조된 히트싱크를 ^[3]쉽게 선택할 수 있도록 합니다.

상업용 압출 알루미늄 히트 싱크는 TO-3 장치용 대형 싱크의 경우 0.4°C/W, TO-92 소형 플라스틱 ^[3]케이스의 클립식 히트 싱크의 경우 최대 85°C/W의 열 저항성을 가집니다.TO-3 케이스에서 널리 사용되는 2N3055 파워 트랜지스터는 접합부에서 케이스까지의 내부 열 저항이 1.52°C/^[4]W입니다.케이스 크기와 그리스 또는 절연 운모 ^[3]와셔의 사용에 따라 장치 케이스와 히트 싱크 사이의 접촉부의 열 저항은 0.5~1.7°C/W 사이일 수 있습니다.

재료.

히트싱크 어플리케이션용 재료는 매우 높은 온도로 이행하지 않고 더 많은 열에너지를 흡수하여 효율적인 냉각을 위해 ^[5]환경에 전달하기 위해 높은 열용량과 열전도성을 가져야 합니다.가장 일반적인 히트 싱크 재료는 알루미늄 ^[6]합금입니다.알루미늄 합금 1050은 229W/(m·K)로 높은 열 전도율 값 중 하나이며 열 용량은 922J/(kg·K)^[7]이지만 기계적으로 부드럽습니다.알루미늄 합금 6060(저응력), 6061, 6063이 일반적으로 사용되며 열전도율 값은 각각 166 및 201W/(m·K)입니다.값은 합금의 성질에 따라 달라집니다.일체형 알루미늄 히트 싱크는 압출, 주조, 스키빙 또는 밀링 방식으로 만들 수 있습니다.

구리는 열전도성, 내식성, 내식성 및 항균성 측면에서 우수한 히트싱크 특성을 가지고 있습니다(열교환기의 구리 참조).구리 열전도율은 알루미늄의 약 2배이며, 순수 구리 열전도율은 약 400W/(m·K)입니다.주요 응용 분야는 산업 시설, 발전소, 태양열 온수 시스템, HVAC 시스템, 가스 온수기, 강제 냉난방 시스템, 지열 냉난방 시스템, 전자 시스템입니다.

구리는 알루미늄보다 밀도가^[6] 3배 높고 가격이 비싸며 구리는 ^[6]알루미늄보다 연성이 낮습니다.원피스 구리 히트 싱크는 스키빙 또는 밀링으로 만들 수 있습니다.판금핀은 직사각형 ^[8][9]동체에 납땜할 수 있다.

핀 효율

핀 효율은 고열 전도성 재료를 중요하게 만드는 매개 변수 중 하나입니다.히트 싱크의 핀은 한쪽 끝에 열이 흐르고 다른 ^[10]쪽 끝에 이동할 때 주변 유체로 방산되는 평판으로 간주할 수 있다.열이 핀을 통과하면 히트 싱크의 열저항이 흐름을 방해하고 대류에 의해 손실되는 열, 핀의 온도, 따라서 유체의 열전달이 핀의 베이스에서 핀의 끝까지 감소합니다.핀 효율은 핀으로 전달되는 실제 열을 열 전달로 나눈 값으로 정의됩니다. 열 전달은 핀이 등온인 경우(가상적으로는 무한 열 전도성을 갖는 핀).다음 방정식은 직선 ^[11]핀에 적용할 수 있습니다.

$\displaystyle \eta _{\text{f}}=\frac {tanh(mL_{c}) {m}L_{c}}},}$

${displaystyle mL_{c}=sqrt {frac {2h_{\text{f}}} {kt_{\text{f}}} L_{\text{f}}}$

어디에

h는_f 핀의 대류 계수입니다.

10 ~ 100 W/(m²·K),

물속에서 500~10,000 W²/(m·K)

k는 핀 소재의 열전도율이다.

알루미늄의 경우 120 ~ 240 W/(m·K),

L은_f 지느러미 높이(m),

t는_f 핀 두께(m)입니다.

핀 애스펙트 비를 줄이거나(두꺼워지거나 짧아짐), 전도성이 높은 재료(예: 알루미늄 대신 구리)를 사용하여 핀 효율성을 높입니다.

확산 저항

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히트 싱크 재료의 열전도율과 관련된 또 다른 매개변수는 확산 저항입니다.확산저항은 열전도율이 유한한 물질에서 열에너지가 작은 영역에서 넓은 영역으로 전달될 때 발생한다.히트 싱크에서는 열이 히트 싱크 베이스에 균일하게 분산되지 않습니다.확산 저항 현상은 열이 열원 위치에서 어떻게 전달되고 열원과 열 싱크 가장자리 사이에 큰 온도 구배를 발생시키는지에 의해 나타납니다.즉, 일부 핀은 열원이 히트 싱크 베이스 전체에 균일할 때보다 온도가 낮습니다.이 불균일성은 히트 싱크의 유효 열저항을 증가시킵니다.

히트 싱크 베이스의 확산 저항을 줄이려면:

• 베이스 두께를 늘린다.
• 열전도율이 높은 다른 재료를 선택한다.
• 히트 싱크 베이스에 증기 챔버 또는 히트 파이프를 사용한다.

핀 배치

핀핀 히트 싱크는 핀이 베이스에서 뻗어 있는 히트 싱크입니다.핀은 원통형, 타원형 또는 정사각형일 수 있습니다.핀은 ^{[citation needed]}시중에서 구할 수 있는 가장 일반적인 히트 싱크 유형 중 하나입니다.히트 싱크 핀 배열의 두 번째 유형은 직선 핀입니다.히트 싱크 전체 길이에서 작동합니다.직선 핀 히트 싱크의 변형은 크로스 컷 히트 싱크입니다.스트레이트핀 히트 싱크는 일정 간격으로 절단됩니다.

일반적으로 히트 싱크의 표면적이 많을수록 더 ^[2]잘 작동합니다.그러나 이것이 항상 맞는 것은 아니다.핀핀 히트 싱크의 개념은 가능한 ^[2]한 많은 표면적을 주어진 부피에 채워 넣는 것입니다.또한 어떤 방향으로도 잘 작동합니다.Kordyban은^[2] 유사한 치수의 핀핀과 스트레이트핀 히트싱크의 성능을 비교했습니다.핀핀의 표면적은 194cm이고² 스트레이트핀의 표면적은² 58cm이지만 히트싱크 베이스와 핀핀의 외기의 온도차는 50°C이지만 스트레이트핀의 경우 44°C로 핀핀보다 6°C가 더 좋았다.핀 핀 히트 싱크의 성능은 유체가 핀을 따라 축방향으로 흐를 뿐 아니라 핀을 따라 흐를 때 사용하는 스트레이트 핀보다 훨씬 우수합니다.

유사한^[2] 치수의 핀핀 및 스트레이트핀 히트싱크 비교

히트 싱크 핀 타입	폭 [cm]	길이 [cm]	높이 [cm]	표면적 [cm2]	볼륨 [cm3]	온도차, Tcase - Tair [°C]
똑바로	2.5	2.5	3.2	58	20	44
핀	3.8	3.8	1.7	194	24	51

또 다른 구성은 플레어핀 히트싱크로 그림^[clarify] 5와 같이 핀이 서로 평행하지 않습니다.핀을 플레어링하면 흐름 저항이 감소하고 히트 싱크 핀 채널을 통과하는 공기가 많아집니다.그렇지 않으면 핀을 우회하는 공기가 많아집니다.비스듬히 하면 전체적인 치수는 동일하게 유지되지만 지느러미가 길어집니다.포르간 ^[12]등핀핀, 스트레이트핀 및 플레어핀 히트싱크에 대해 수행된 테스트에 대한 데이터를 공개하였다.그들은 일반적으로 약 1m/s의 낮은 공기 접근 속도의 경우 열 성능이 직핀 열제거원보다 최소 20% 더 좋다는 것을 발견했다.또한 Lasance와 Egink는^[13] 테스트한 바이패스 구성의 경우 플레어 히트 싱크가 테스트한 다른 히트 싱크보다 성능이 우수하다는 것을 발견했습니다.

충치(반전 핀)

열원에 내장된 공동(반전 핀)은 핵 비등 또는 응축의 필수적인 촉진제를 나타내는 인접 핀 사이에 형성된 영역이다.이러한 공동은 보통 다양한 발열체에서 ^[14][15]열 제거원으로 열을 추출하는 데 사용됩니다.

열원과 히트 싱크 사이의 전도성 두꺼운 플레이트

열원과 냉유체(또는 다른 모든 히트 싱크) 사이의 열전달 인터페이스로 전도성 두꺼운 판을 배치하면 냉각 성능이 향상될 수 있습니다.이와 같이 열원은 냉각유체에 직접 접촉하지 않고 두꺼운 판 아래에서 냉각된다.열전류를 최적으로 통전시킴으로써 두꺼운 판이 열원과 냉각유체 간의 열전달을 크게 향상시킬 수 있음을^{[citation needed]} 알 수 있다.이 방법의 가장 매력적인 두 가지 장점은 추가 펌핑 파워가 없고 추가 열 전달 표면적이 없다는 것입니다. 이는 핀(확장 표면)과는 상당히 다릅니다.

표면색

히트 싱크로부터의 열 전달은 주변 공기의 대류, 공기 중의 전도 및 방사선에 의해 발생합니다.

방사선에 의한 열전달은 히트싱크 온도와 히트싱크가 광학적으로 결합되는 주변 온도의 함수입니다.이 두 온도가 모두 0°C에서 100°C 사이일 경우 대류에 비해 방사선의 기여도는 일반적으로 작으며 이 인자는 무시되는 경우가 많다.이 경우 자연 융해 또는 강제 흐름에서 작동하는 핀형 열제거원은 표면 방사율의 영향을 크게 받지 않는다.

기류가 적은 평평한 비핀 패널 등 대류가 적은 상황에서는 복사 냉각이 중요한 요인이 될 수 있습니다.여기서 표면 특성은 중요한 설계 요소가 될 수 있습니다.매트 블랙 표면은 빛나는 베어 ^[16][17]메탈보다 훨씬 효율적으로 방사됩니다.빛나는 금속 표면은 방사율이 낮다.물질의 방사율은 주파수에 크게 의존하며 흡수율과 관련이 있습니다(반짝거리는 금속 표면은 매우 적음).대부분의 물질에서 가시 스펙트럼의 방사율은 적외선^{[citation needed]} 스펙트럼의 방사율과 유사하지만 예외, 특히 "선택적 표면"으로 사용되는 특정 금속 산화물도 있다.

진공 또는 외부 공간에서는 대류 열 전달이 없기 때문에 이러한 환경에서는 방사가 열제거원과 환경 사이의 열 흐름을 제어하는 유일한 요인이다.우주에 있는 위성의 경우, 태양의 표면 온도가 거의 6000 K이기 때문에 100 °C(373 K) 표면은 많은 복사열을 흡수할 것입니다. 반면 깊은 공간에 면한 같은 표면은 몇 켈빈의 유효 온도만을 가지고 있기 때문에 많은 열을 방출할 것입니다.

엔지니어링 어플리케이션

마이크로프로세서 냉각

열방산은 전자기기와 ^[10]회로의 불가피한 부산물이다.일반적으로 디바이스 또는 컴포넌트의 온도는 컴포넌트에서 환경으로의 열저항과 컴포넌트에 의해 방산되는 열에 따라 달라집니다.컴포넌트가 과열되지 않도록 열 엔지니어는 디바이스에서 환경으로의 효율적인 열전달 경로를 찾으려고 합니다.열전달 경로는 컴포넌트에서 프린트 회로 기판(PCB), 히트 싱크, 팬에 의해 제공되는 공기 흐름, 그러나 모든 경우 최종적으로는 환경에 도달합니다.

또한 두 가지 설계 요소가 열 설계의 열/기계 성능에 영향을 미칩니다.

1. 컴포넌트 또는 프로세서에 히트 싱크를 설치하는 방법.이에 대해서는 섹션 첨부 방법으로 설명합니다.
2. 서로 접촉하고 있는2개의 오브젝트간의 인터페이스 마다, 인터페이스간에 온도 강하가 발생합니다.이러한 복합 시스템에서는 인터페이스 전체의 온도 저하가 ^[11]현저할 수 있습니다.이 온도 변화는 열 접점 ^[11]저항이라고 알려진 것에 기인할 수 있습니다.서멀 인터페이스 머티리얼(TIM)은 열접촉 저항을 낮춥니다.

설치 방법

컴포넌트의 소비전력이 증가하고 컴포넌트 패키지 사이즈가 작아짐에 따라 서멀 엔지니어는 컴포넌트가 과열되지 않도록 혁신해야 합니다.냉각 장치가 더 오래 지속됩니다.히트 싱크 설계는 열과 기계적 요건을 모두 충족해야 합니다.후자의 경우 부품은 히트 싱크와 적당한 충격 및 진동을 가하여 열 접촉 상태를 유지해야 한다.히트 싱크는 회로 기판의 동박 또는 컴포넌트 또는 회로 기판에 장착된 개별 히트 싱크가 될 수 있습니다.설치 방법에는 열전도성 테이프 또는 에폭시, 와이어 형태의 z 클립, 플랫 스프링 클립, 스탠드오프 스페이서, 설치 후 확장되는 끝이 있는 푸시 핀 등이 있습니다.

열전도성 테이프

열전도성 테이프는 가장 비용 효율이 높은 히트 싱크 부착 ^[18]재료 중 하나입니다.저질량 히트 싱크와 전력 소모가 적은 컴포넌트에 적합합니다.열전도성 캐리어 소재로 구성되며, 각 면에 감압 접착제가 있습니다.

이 테이프는 히트 싱크의 베이스에 부착되어 컴포넌트에 부착됩니다.서멀 ^[18]테이프의 퍼포먼스에 영향을 주는 요인은 다음과 같습니다.

1. 구성 요소와 히트 싱크의 표면은 실리콘 그리스 막과 같은 잔여물이 없어야 합니다.
2. 접촉이 잘 되도록 프리로드 압력을 가해야 합니다.압력이 부족하면 갇힌 공기와 접촉하지 않는 영역이 생겨 인터페이스의 열저항이 예상보다 높아집니다.
3. 두꺼운 테이프는 컴포넌트 표면이 울퉁불퉁한 '습도'를 실현하는 경향이 있습니다."습도"는 컴포넌트 상의 테이프 접촉률입니다.그러나 두꺼운 테이프는 얇은 테이프보다 내열성이 높습니다.설계의 관점에서 보면, 열저항을 최소한으로 억제하면서 최대의 「습도」를 실현하는 테이프 두께를 선택하는 것으로 밸런스를 잡는 것이 가장 좋습니다.

에폭시

에폭시는 테이프보다 가격이 비싸지만 히트 싱크와 컴포넌트 간의 기계적 결합이 뛰어나고 열전도성도 ^[18]향상됩니다.이 목적을 위해 선택된 에폭시를 조제해야 합니다.대부분의 에폭시는 히트 싱크에 적용하기 전 및 히트 싱크를 구성 요소에 배치하기 전에 완전히 혼합해야 하는 2부 액체 제제이다.그런 다음 에폭시는 지정된 시간 동안 경화되며, 2시간에서 48시간까지 달라질 수 있습니다.높은 온도에서 더 빠른 경화 시간을 달성할 수 있습니다.에폭시가 도포된 표면은 깨끗하고 잔여물이 없어야 합니다.

히트 싱크와 컴포넌트 사이의 에폭시 결합은 반영구/^[18]영구적입니다.이로 인해 재작업이 매우 어려워지고 경우에 따라서는 불가능할 수도 있습니다.재작업으로 인한 가장 일반적인 손상은 부품 다이 히트 스프레더가 패키지에서 분리되는 것입니다.

와이어 폼 Z 클립

테이프나 에폭시보다 비싼 와이어 폼 Z 클립은 히트 싱크를 기계적으로 부착합니다.z 클립을 사용하려면 인쇄 회로 기판에 앵커가 있어야 합니다.앵커는 보드에 납땜하거나 밀어 넣을 수 있습니다.어느 타입이든 보드에 구멍을 뚫어야 합니다.RoHS 땜납은 기존 Pb/Sn 땜납보다 기계적으로 약하기 때문에 사용을 허용해야 합니다.

z-clip으로 조립하려면 한쪽을 앵커에 부착합니다.클립의 다른 쪽을 다른 앵커에 배치할 수 있을 때까지 스프링을 꺾습니다.이 처짐으로 인해 구성 요소에 스프링 하중이 가해져 접촉이 매우 양호해집니다.z-clip이 제공하는 기계적 부착 기능 외에도 상변화 ^[18]유형과 같은 고성능 열 인터페이스 재료를 사용할 수 있습니다.

클립

프로세서 및 BGA(볼 그리드 어레이) 컴포넌트에 사용할 수 있는 클립을 사용하면 BGA 히트 싱크를 컴포넌트에 직접 장착할 수 있습니다.클립은 구성 요소 하부와 PCB 상단 표면 사이에 볼 그리드 어레이(BGA)에 의해 생성된 틈을 활용합니다.따라서 클립은 PCB에 구멍을 낼 필요가 없습니다.또한 컴포넌트를 쉽게 재작업할 수 있습니다.

압축 스프링이 있는 푸시 핀

대형 히트 싱크 및 높은 프리로드의 경우 압축 스프링이 있는 푸시 핀이 매우 ^[18]효과적입니다.일반적으로 황동 또는 플라스틱으로 만들어진 푸시 핀의 끝에는 PCB의 구멍과 맞물리는 유연한 바브가 있습니다. 설치 후에는 바브가 핀을 고정합니다.압축 스프링은 어셈블리를 함께 고정하고 히트 싱크와 구성 요소 사이의 접촉을 유지합니다.푸시 핀 크기를 선택할 때는 주의가 필요합니다.삽입력이 너무 크면 다이 균열이 발생하여 구성 요소가 고장날 수 있습니다.

압축 스프링이 있는 나사형 스탠드오프

매우 큰 히트 싱크의 경우 나사산 스탠드오프 및 압축 스프링 장착 ^[18]방법을 대체할 수 없습니다.나사산 스탠드오프는 본질적으로 내부 나사산이 있는 중공 금속 튜브입니다.한쪽 끝은 PCB 구멍을 통해 나사로 고정됩니다.다른 쪽 끝에는 스프링을 압착하는 나사를 장착하여 어셈블리를 완성합니다.일반적인 히트싱크 어셈블리는 2~4개의 스탠드오프를 사용합니다.이 때문에 가장 비용이 많이 드는 히트싱크 설치 설계가 됩니다.또 다른 단점은 PCB에 구멍이 있어야 한다는 것입니다.

히트 싱크 설치^[18] 방법 요약

방법	장점	단점	비용.
서멀 테이프	장착이 간단.저렴한 가격.	더 무거운 히트 싱크나 고진동 환경에서는 기계적 부착 장치를 제공할 수 없습니다.최적의 접착을 위해 표면을 청소해야 합니다.중간에서 낮은 열전도율.	매우 낮다
에폭시	강한 기계적 접착력비교적 저렴합니다.	컴포넌트를 손상시킬 수 있기 때문에 보드 재작업이 어렵습니다.최적의 접착을 위해 표면을 청소해야 합니다.	매우 낮다
와이어 폼 Z 클립	강한 기계적 부착.분리/재작업이 용이함.서멀 인터페이스 머티리얼에 프리로드 적용으로 서멀 퍼포먼스가 향상됩니다.	보드 또는 솔더 앵커에 구멍이 필요합니다.테이프나 에폭시보다 비싸다.커스텀 디자인	낮다
클립온	서멀 인터페이스 머티리얼에 프리로드 적용으로 서멀 퍼포먼스가 향상됩니다.구멍이나 고정 장치가 필요 없습니다.분리/재작업이 용이함.	클립에는 BGA 주위에 "금지" 영역이 있어야 합니다.추가 조립 절차	낮다
압축 스프링이 있는 푸시 핀	강한 기계적 부착.최고의 서멀 인터페이스 머티리얼 프리로드분리 및 설치가 용이합니다.	PCB 트레이스의 복잡성을 증가시키기 위해 보드에 구멍이 필요합니다.	적당한.
압축 스프링이 있는 스탠드오프	가장 강력한 기계 부착물입니다.서멀 인터페이스 머티리얼의 최고 프리로드.대형 히트 싱크에 최적.	보드에 구멍이 있어야 트레이스 레이아웃이 복잡해집니다.복잡한 조립.	높은

서멀 인터페이스 머티리얼

열접촉 저항은 표면 거칠기의 영향, 결함 및 인터페이스의 정렬 불량으로 인해 생기는 공극으로 인해 발생합니다.인터페이스에 존재하는 빈 공간은 공기로 채워집니다.따라서 열 전달은 실제 접촉 영역 전반의 전도 및 ^[11]간극 전반의 전도(또는 자연 대류) 및 방사선에 기인한다.접촉면적이 작을 경우 거친 표면과 마찬가지로 ^[11]간극에 의해 내성에 크게 기여한다.열접촉 저항을 줄이기 위해 표면 거칠기를 줄이고 인터페이스 압력을 높일 수 있습니다.그러나 이러한 개선 방법이 전자 기기에 항상 실용적이거나 가능한 것은 아닙니다.서멀 인터페이스 머티리얼(TIM)은 이러한 제한을 극복하는 일반적인 방법입니다.

서멀 인터페이스 머티리얼이 적절히 적용되면 두 물체 사이의 틈새에 존재하는 공기가 열전도율이 훨씬 높은 머티리얼로 대체됩니다.공기의 열전도율은 0.022W/(m·K)^[19]이며 TIM의 전도율은 0.3W/(m·K)^[20] 이상입니다.

TIM을 선택할 때는 제조업체에서 제공한 값에 주의해야 합니다.대부분의 제조업체는 재료의 열 전도율을 평가합니다.단, 열전도율에서는 인터페이스 저항은 고려되지 않습니다.따라서 TIM의 열전도율이 높다고 해서 반드시 인터페이스 저항이 낮은 것은 아닙니다.

TIM의 선택은 TIM이 메워야 하는 인터페이스 간격, 접촉 압력 및 TIM의 전기 저항률의 3가지 파라미터를 기반으로 합니다.접촉 압력은 두 재료 사이의 계면에 가해지는 압력입니다.선택 항목에는 재료의 비용은 포함되지 않습니다.전기적 저항률은 전기적 설계 세부 사항에 따라 중요할 수 있습니다.

인터페이스^[20] 갭에 따른 선택

인터페이스 간격 값		사용 가능한 제품 유형
0.05 mm 미만	200만 미만	서멀 그리스, 에폭시, 상변화 재료
0.05~0.1mm	200 ~ 500만	상변화 재료, 폴리이미드, 흑연 또는 알루미늄 테이프
0.1~0.5mm	500~1800만	실리콘 코팅 직물
> 0.5 mm	1800만 이상	갭필러

접촉^[20] 압력에 따른 선택

접촉 압력 척도	일반적인 압력 범위	사용 가능한 제품 유형
매우 낮다	70kPa 미만	갭필러
낮다	140 kPa 미만	서멀 그리스, 에폭시, 폴리이미드, 흑연 또는 알루미늄 테이프
높은	2 MPa	실리콘 코팅 직물

유전체^[20] 강도에 따른 선택

전기 절연	유전 강도	일반적인 값		사용 가능한 제품 유형
불필요	없음	없음	없음	서멀 그리스, 에폭시, 상변화 재료, 흑연 또는 알루미늄 테이프.
필수의	낮다	10 kV/mm	300 V/mill 미만	실리콘 코팅 패브릭, 갭 필러
필수의	높은	60 kV/mm	1500 V/mill 초과	폴리이미드 테이프

제품 유형에 따른 TIM 응용 프로그램 노트

제품 종류	응용 프로그램 노트	열성능
서멀 페이스트	지저분하고 노동집약적이야비교적 긴 조립 시간.	++++
에폭시	'영구적인' 인터페이스 본드를 만듭니다.	++++
상변화	프리 어태치먼트가 가능합니다.동작 온도에서의 인터페이스 결함을 완화 및 준수합니다.현장에서 위치를 변경할 수 있습니다.	++++
그래파이트, 폴리이미드 및 알루미늄 테이프를 포함한 서멀 테이프	적용하기 쉽다.어떤 기계적인 힘.	+++
실리콘 코팅 원단	열 전달을 허용하면서 완충 및 밀봉 기능을 제공합니다.	+
갭필러	높이가 다른 컴포넌트를 히트 분쇄기 또는 히트 싱크에 열적으로 결합할 때 사용할 수 있습니다.자연스럽게 촌스럽다.	++

발광 다이오드 램프

발광다이오드(LED)의 성능과 수명은 ^[21]온도의 강력한 기능이다.따라서 효과적인 냉각이 필수적입니다.LED 기반 다운라이터의 사례 연구는 조명 시스템의 ^[22]효과적인 냉각에 필요한 히트 싱크를 계산하기 위해 수행된 계산의 예를 보여준다.또한 이 기사에서는 결과에 대한 신뢰를 얻으려면 유사한 결과를 제공하는 여러 개의 독립적인 솔루션이 필요하다는 것을 보여 줍니다.특히, 실험, 수치 및 이론적 방법의 결과는 결과에 대한 높은 신뢰도를 제공하기 위해 서로 10% 이내여야 한다.

납땜 중

회로 기판을 납땜할 때 일시적인 히트 싱크를 사용하는 경우가 있습니다.따라서 과도한 열이 주변의 민감한 전자 기기를 손상시키지 않도록 합니다.가장 간단한 경우, 이는 헤비메탈 악어 클립, 지혈 클립 또는 유사한 클램프를 사용하여 구성요소를 부분적으로 잡는 것을 의미합니다.리플로우 납땜으로 조립되도록 설계된 최신 반도체 소자는 일반적으로 손상 없이 납땜 온도를 견딜 수 있다.반면 마그네틱 리드 스위치 등 전기 부품은 뜨거운 납땜 아이언에 노출되면 오작동할 수 있기 때문에 여전히 많이 사용되고 있습니다.^[23]

퍼포먼스 판정방법

일반적으로 히트 싱크 성능은 재료 열전도율, 치수, 핀 유형, 열전달 계수, 공기 유량 및 덕트 크기에 따라 달라집니다.히트 싱크의 열성능을 결정하기 위해 이론적인 모델을 만들 수 있습니다.또는 열성능을 실험적으로 측정할 수 있다.현재 응용 분야에서는 3D 흐름이 매우 복잡하기 때문에 수치적 방법 또는 CFD(계산 유체 역학)를 사용할 수도 있습니다.이 섹션에서는 히트 싱크의 열성능을 결정하기 위한 전술한 방법에 대해 설명합니다.

열전달 이론모델

히트 싱크의 성능을 결정하는 방법 중 하나는 열 전달과 유체 역학 이론을 사용하는 것입니다.이러한 방법 중 하나는 Jeggels ^[24]등에 의해 발표되었지만, 이 연구는 덕트 흐름으로 제한된다.덕트 플로우란 히트 싱크 위에 딱 맞는 채널을 통해 공기가 흐르도록 강제하는 것입니다.이렇게 하면 모든 공기가 히트 싱크의 지느러미에 의해 형성된 채널을 통과하게 됩니다.공기 흐름이 덕트되지 않으면 일정 비율의 공기 흐름이 히트 싱크를 바이패스합니다.흐름 바이패스는 핀 밀도와 간극이 증가함에 따라 증가하는 반면 흡입 덕트 ^[25]속도에 상대적으로 둔감한 것으로 확인되었습니다.

히트 싱크 열저항 모델은 히트 싱크 베이스의 $저항$인 ${\displaystyle R_{}}$ b$(\$b$\})$와 핀의 ${\displaystyle {저항}_{}}$인 R f$(\$R_${f$의 두 가지 저항으로 구성됩니다.히트 싱크 베이스의 열저항인 ${\displaystyle R_{}}$ b$(\$b$\})$는 소스가 균일하게 적용된 히트 싱크 베이스일 경우 다음과 같이 쓸 수 있습니다.그렇지 않은 경우 기본 저항은 주로 저항을 확산시키는 것입니다.

$b$$A_{b}}}}}($4)

${\displaystyle {여기}_{}}$서 t b$(\$는 히트 싱크 베이스 두께,$k{\displaystyle }$(\$displaystyle$ k$)$는 히트 싱크 재료 열전도율, $(\$는 히트 싱크 베이스 면적입니다.

핀 베이스에서 공기까지의 $열저항{\displaystyle {}_{}}$ R$$ {\$displaystyle R_{f$은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

$displaystyle R_{f$$W_{f}\left(t_{f}+2\eta_{f}L_{f}\right)}}($5)

$displaystyle$$frac$$L_{c}}}}}($^[11]6)

${\displaystyle m_{}}$ L c ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle 2\sqrt{\frac{\mathrm{}}{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\frac{h_{}}{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\frac{{}_{}}{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\frac{{}_{}}{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\frac{t_{}}{}}}$ ${\displaystyle \sqrt{\frac{{}_{}}{}}{}_{}}$ ${\displaystyle L_{}}$f { $displaystyle mL$_ { c } =$sqrt${$frac${ 2 $h$_ { $f$} } { $kt$_ { f$$} } $L$_ { $f$^[11]} （ 7 ）

$displaystyle D_{h$$$$A_{ch}{P_{ch}}}}}($8)

${\displaystyle R}$ e ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{4\stackrel{}{}}{}}$ G ${\displaystyle \frac{\stackrel{}{\dot{}}}{}}$ n ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ D ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$μ {{ $displaystyle$ Re =$fr frac$ { 4$dot dot$ { G } \ $rho$} {$n$ \ $pi$ D _ { $h$} \ $mu }$ }$$ （ 9 ）

${\displaystyle f}$ ${\displaystyle =}$ (${\displaystyle 0}$.${\displaystyle \mathrm{79}}$ ln ${\displaystyle †}$ ${\displaystyle Re}$ -${\displaystyle 1.64{}^{}}$ -$$ (\$displaystyle$ f= ($0.79\ln$ Re-1$.64)^{-2}$^[26] (10)

$display$$Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}-1)}}}}($^[26]11)

${\displaystyle {}_{}h\frac{}{}}$ f ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \frac{{Nuk}_{}}{}}$ a ${\displaystyle \frac{i_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{r_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ { $displaystyle h$_ { f } =$flac${ $Nuk$_ { $air$} { $D$_ { $h$} } $$} （ 12 ）

${\displaystyle \rho \frac{{}_{}}{}}$= ${\displaystyle \frac{P_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{a_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ m ${\displaystyle \frac{{}_{}{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{a_{}}{}}$ $n$ \$displaystyle$ \rho =$pslac {P_{$atm$}}$ {$R_{a}T_{$in}}}}}$$ (${\displaystyle \mathrm{13}}$)

유량은 히트싱크 시스템 곡선과 팬 곡선의 교점에 의해 결정될 수 있습니다.히트 싱크 시스템 곡선은 Potter, et al.^{[27] [28]}및 White와 같은 표준 유체 역학 교과서처럼 채널의 흐름 저항과 흡입구 및 배출구 손실을 통해 계산할 수 있습니다.

히트 싱크 베이스 및 핀 저항을 알면 히트 싱크 열 저항인 ${\displaystyle {\mathrm{Rh}}_{}}$ s$${\$displaystyle R_{hs}$를 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

${\displaystyle R_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ s ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle R_{}}$b + ${\displaystyle {}_{}}$ { $displaystyle R$_ { $hs$ } =$R$_ { $b$} + $R$_ { $f$} $$（ 14 ） 。

방정식 5~13과 ^[24]의 치수 데이터를 사용하여 다양한 공기 유량에 대해 핀의 열 저항을 계산했습니다.그림에는 열저항 및 열전달계수 데이터가 나타나 있습니다. 이는 공기 유량이 증가하면 히트 싱크의 열저항이 감소함을 보여줍니다.

실험 방법

실험 테스트는 히트 싱크의 열성능을 결정하는 가장 일반적인 방법 중 하나입니다.히트 싱크의 열저항을 판별하려면 유량, 입력 전력, 흡기 온도 및 히트 싱크의 베이스 온도를 알아야 합니다.일반적으로 벤더에서 제공하는 데이터는 덕트 테스트 ^[29]결과에 대해 제공됩니다.그러나 결과는 낙관적이며 열제거원이 전도되지 않은 애플리케이션에서 사용될 경우 잘못된 데이터를 제공할 수 있다.히트 싱크 시험 방법과 일반적인 감독에 대한 자세한 내용은 Azar 등을 참조하십시오.^[29]

수치법

업계에서는 설계 프로세스에서 열분석을 무시하거나 너무 늦게 실행하는 경우가 많습니다.설계 변경에 한계가 있어 비용이 ^[10]너무 많이 듭니다.이 기사에 언급된 세 가지 방법 중 이론적이고 수치적인 방법을 사용하여 물리적 모델이 만들어지기 전에 제품의 히트 싱크 또는 구성 요소 온도를 추정할 수 있습니다.이론 모델은 일반적으로 1차 추정치로 사용됩니다.온라인 히트 싱크 계산기는^[30] 이론적인 상관관계와 경험적으로 도출된 상관관계를 조합하여 강제 및 자연 대류 히트 싱크 성능을 합리적으로 추정할 수 있다.수치 방법 또는 계산 유체 역학(CFD)은 유체 흐름의 ^[31][32]정성적(때로는 양적) 예측을 제공합니다.즉, 그림 16과 17의 이미지와 같은 시뮬레이션 결과나 그림 18과 19의 CFD 애니메이션을 시각적으로 또는 후처리한 결과를 제공하지만 결과의 양적 또는 절대적 정확도는 적절한 파라미터의 포함과 정확성에 민감합니다.

CFD는 실험적인 ^[31]방법을 사용하여 연구하기 어렵거나 비용이 많이 들거나 불가능한 흐름 패턴을 파악할 수 있습니다.실험은 제한된 수의 지점과 시간 인스턴스에서 한 번에 한 양에 대한 측정을 사용하여 흐름 현상을 정량적으로 설명할 수 있습니다.풀스케일 모델을 사용할 수 없거나 실용적이지 않은 경우 스케일 모델 또는 더미 모델을 사용할 수 있습니다.실험은 제한된 범위의 문제와 작동 조건을 가질 수 있습니다.시뮬레이션은 모든 원하는 양에 대해 CFD 소프트웨어를 사용하여 공간 및 시간 분해능이 높고 실질적으로 모든 문제와 현실적인 작동 조건을 예측합니다.그러나 중요한 경우 결과를 ^[2]검증해야 할 수 있습니다.

CFD 분석 패키지를 사용하여 열 프로파일 및 자유 대류 궤적을 예측한 핀 핀 히트 싱크	CFD 분석 패키지를 사용하여 예측된 열 프로파일 및 베인액셜 팬으로부터의 선회 강제 대류 궤적을 가진 직경 38mm x 높이 50mm 핀 열제거원
CFD 분석 패키지를 사용하여 예측된 열 프로파일 및 튜브 축 팬으로부터의 선회된 강제 대류 흐름 궤적을 가진 60 mm x 60 mm x 10 mm 직선 핀 히트 싱크

「 」를 참조해 주세요.

• 컴퓨터 냉각
• 히트 분쇄기
• 히트 파이프
• 히트 펌프
• 다이아몬드의 열전도율
• 라디에이터
• 서멀 인터페이스 머티리얼
• 열관리(전자제품)
• 열저항
• 열전 냉각

레퍼런스

외부 링크