열 관리 논의

전자 장치 산업은 지난 몇 년간 엄청난 발전을 통해 우리 일상에 통합되어 이제는 일부가 되었습니다. 이러한 발전은 크게 두 가지, 즉, 단일 장치 기능의 개선과 장치의 소형화로 나뉩니다. 이는 전력, 필요 에너지, 생산 에너지의 상승을 불러왔고, 따라서 장치 내부의 열이 증가해 열 관리의 필요성이 더욱 커졌습니다.

열 에너지를 제거하거나 전달하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 데스크탑 PC는 팬과 함께 알루미늄 방열판을 사용하는 경향이 있습니다. 노트북은 히트 파이프와 열 인터페이스 재료를 사용하여 열원을 팬과 함께 금속 섀시에 연결합니다. 최근에는 스마트 폰, 태블릿, 초슬림 울트라북 및 공간, 환경 또는 소음 제약으로 인해 팬이 제한되거나 사용할 수없는 기타 전자 제품 지향 장치와 같은 밀폐 된 환경에서 합성 및 천연 흑연이 사용되었습니다. Boyd의 열 관리에 대한 논의에는 다양한 장치 및 최종 시장의 호스트 내에서 다양한 열 응용 프로그램이 포함됩니다.

열은 시스템 내에서 전위 및 운동 에너지의 비효율적인 전달과 관련이 있습니다. 열 에너지는 항상 더 따뜻한 시스템에서 더 추운 시스템으로 이동합니다. 열의 전달 또는 분산은 전도, 대류 또는 방사선의 세 가지 주요 메커니즘에 의해 발생할 수 있습니다.

전도는 분자와 자유 전자의 진동과 충돌을 통해 고체 및 / 또는 액체를 통한 열의 흐름입니다. 이 전송 방법은 밀봉 또는 환기 시스템을 갖는지에 관계없이 전자 장치에서 가장 일반적입니다.

주어진 시스템에 대한 전도도 구배를 계산하는 공식은 다음과 같습니다.

q = - KA (δ t/δ n)

여기서 ΔT/Δn은 영역 A 방향의 온도 구배이고, k는 W/m-k에서의 실험에 의해 얻어진 물질의 열전도도 상수이다.

대류는 유체 (액체 또는 가스) 내의 전류를 통한 열의 흐름입니다. 대류는 액체 또는 기체 단계에서 물질의 부피를 변위하는 것입니다. 이 메커니즘은 공기 또는 액체 순환을위한 충분한 공간이있는 대형 장치에서 일반적입니다.

대류에 대한 공식:

q = hA (Ts - T∞)

여기서 h는 대류 열 전달 계수이고, A는 열 전달 과정에서 암시되는 영역이고, Ts는 시스템의 온도에 대한 것이고∞는 기준 온도이다.

방사선은 전자기파 또는 광자에 의한 열 전달이다; 전파 매체가 필요하지 않습니다. 방사선에 의해 전달 된 에너지는 빛의 속도로 움직입니다. 예를 들어, 태양으로부터 방출되는 열은 과도기적 공간을 가열하지 않고 태양 표면과 지구 표면 사이에서 교환될 수 있다.

방사선에 의해 전달되는 열량을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.

q = e σ A [(ΔT)^4]

여기서 q는 방사선에 의해 전달되는 열이고, E는 시스템의 방사율이σ, Stephan-Boltzmann(5.6697*10⁻⁸ W/m²)의 상수입니다. K⁴), A는 방사선에 의한 열 전달에 관여하는 영역이고, (ΔT)⁴는 두 시스템 간의 온도의 차이와 네 번째 이상의 전력이다.

고급 소프트웨어를 통해 지원되는 전산 모델은 전산 유체 설계(CFD), 전산 열 전달(CHT), 전력 관리, 회로 설계 및 기타 전자 설계 자동화(EDA)를 포함한 시스템의 열 특성을 분석할 수 있습니다. 우수한 소프트웨어 기능은 장치 설계가 잠기기 전에 설계를 통해 가장 효과적인 열 전달 경로를 확인함으로써 방열판 또는 열 모듈의 가치를 극대화합니다.

기판 : 전자 부품의 열 처리 능력을 향상시키기 위해 특별히 개발된이 하위 세그먼트에는 두 개의 상 열 분산기, 흑연 열 분산기, 다이아몬드 열 분산기 및 실리콘 기반 열 분산기가 포함됩니다. 최근 흑연은 얇은 프로파일, 높은 평면 내 열전도율 및 낮은 무게로 인해 스마트 폰 및 기타 밀폐 된 시스템 장치의 리드 기판 제품으로 선택되었습니다.

열 관리 제품의 주요 소비자는 소비자 및 기업 전자 제품, 전기 통신, 자동차, 의료 기기 및 산업 응용 분야와 같은 산업에 거주합니다. 가장 일반적인 열 관리 솔루션은 갭 패드와 같은 인터페이스 재료로 적층된 히트싱크(그림 2의 알루미늄 또는 구리) 또는 쿨러 모듈(그림 3의 히트 파이프)입니다. 설계가 허용하는 경우, 가속 열 방출을 위해 팬이 설치됩니다.

밀폐형 시스템 열 관리는 시스템 설계로 인한 열 방출을 논의할 때 완전히 다른 주제입니다. 개방형 시스템에서는 공기 순환을 사용하여 환경을 통해 열을 쉽게 교환 할 수 있습니다. 그러나 밀폐형 시스템은 일반적으로 높은 방열판을 위한 공간이 없으며 본질적으로 장치 내에서 공기 순환을 허용하지 않습니다. 밀폐 시스템에서 가장 일반적인 열 관리 기술은 일반적으로 흑연으로 만들어진 열 분산기 또는 실드를 사용하여 핫 스폿을 확산시킬 수 있는 사용 가능한 표면적을 늘리거나 공극과 함께 민감한 부품을 열원으로부터 보호합니다.

흑연은 층상 분자 구조로 인해 이방성이며, 이는 평면을 통과하는 것보다 훨씬 빨리 평면에서 열을 퍼뜨린다는 것을 의미합니다. 그 결과, 흑연은 그림 4에 예시된 바와 같이 모든 방향으로 열을 균일하게 이동시키는 금속과 같은 등방성 재료에 비해 핫 스폿을 매우 잘 제거한다.

흑연에는 두 가지 주요 기능이 있습니다.

열 스프레딩 : 열원과 접촉 할 때 흑연은 표면적에 열을 퍼뜨려 열을 발산하는 데 사용할 수있는 면적을 늘리고 열원을 냉각시킵니다.

열 차폐 : 흑연과 열원 사이의 공극으로 설계 할 때 흑연은 핫 스폿의 열을 균일하게 분배하고 열원에 비해 반대쪽의 표면 온도를 낮출 수 있습니다.

기능 및 신뢰성에 대한 요구가 증가함에 따라 시장 세그먼트 전반에 걸쳐 마이크로 일렉트로닉스가 널리 도입됨에 따라 열 관리는 전문 및 소비자 가전 시스템뿐만 아니라 자동차 전자 제품, 셋톱 / 홈 게이트웨이 박스, LED 램프 및 의료 기기를 포함한 기술 세계의 거의 모든 지점에서 중요한 문제가되었습니다.

열 관리 관점에서 볼 때 장치 기능의 증가에 대해 상당한 대가를 치러야 합니다. 장치 작동 주파수와 게이트 수가 급속히 증가하여 열로 더 많은 양의 전력을 소비합니다. 과도한 열의 축적은 전자 시스템의 주요 고장 원인입니다. 전자 산업 보고서에 따르면 모든 고장의 55 %가 "온도"로 인해 발생하며 전자 부품 온도를 10 ° C로 낮추면 평균 장치의 수명이 두 배가 될 수 있다고 권장합니다 (일리노이 커패시터 Inc.의 Arrhenius의 화학 활동 법칙 수명 계산기 보고서 참조).

열의 발생은 에너지의 비효율적 인 사용을 대표하기 때문에 환경 보호국 (EPA) 에너지 스타, 유럽 연합 (EU) 블루 엔젤 및 컴퓨터 산업의 ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)와 같은 여러 글로벌 에너지 보존 및 전력 관리 표준 이니셔티브가 에너지 효율의 일러스트레이션으로 열 성능을 벤치마킹하는 이유가 있습니다.

전자 장치의 전력이 증가함에 따라 소비자는 화재를 포착하고 열 폭주 이론을 논의하는 장치를 특징으로하는 언론 보도를 보았습니다. 열 폭주(thermal runaway)는 온도 상승에 대한 주기적인 반응의 연쇄로, 장치 작동 온도를 임계 수준으로 상승시켜 종종 과열로 인해 장치가 종료됩니다. 드물게 열 폭주가 점화로 이어질 수 있지만 지금까지 과열이 전자 장치 점화를 일으킨다는 직접적인 증거는 없습니다. 이러한 상황에서는 열 관리 메커니즘 실패가 없을 수도 있지만 점화를 유발하는 장치 과열에 대한 소비자의 인식은 장치에 적절한 열 관리를 설계하여 최소화하기 위해 노력하는 것입니다.