눈에 있는 구리 히트 파이프

열 관리 논의

소개

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.

열 에너지 전달

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.

열 관리 옵션

일반적으로 장치의 열 성능에 영향을 줄 수있는 많은 요소가 있습니다. 간단히하기 위해 열 관리를 하드웨어, 소프트웨어, 열 인터페이스 및 기판의 네 가지 주요 제품 범주로 나눌 것입니다.

하드웨어는 히트 싱크, 팬 싱크, 히트 파이프, 콜드 플레이트, 액체 냉각 시스템 및 열전 쿨러와 함께 사용되는 팬 및 송풍기와 같은 여러 제품 하위 세그먼트를 포함하여 능동 냉각 시스템이라고도합니다. 이러한 솔루션은 주로 열전도율이 높은 금속 또는 특수 재료를 열 전달 매체로 활용합니다. 알루미늄은 표 1에 예시된 바와 같이 히트싱크에 사용되는 가장 일반적인 금속이다. 구리는 고비용 때문에 고성능 방열판 응용 분야에서만 사용됩니다. 금은 양극 지수가 문제를 일으키는 극단적 인 응용 프로그램에서만 사용됩니다.

인터페이스: 열 인터페이스 재료(TIM)는 방열판과 냉각할 장치 사이에 서 있는 제품입니다. 그들의 기능은 방열판과 장치 사이의 조인트에서 열 전달을 개선하여 양면에 젖거나 연결하고 단열의 원인이되는 공극을 제거하여 냉각시키는 것입니다. 경우에 따라 인터페이스는 실제로 방열판의 작업을 수행합니다. 이러한 역할은 시스템의 높이 또는 무게 제약으로 인해 방열판과 같은 기존 하드웨어가 실현 가능하지 않은 응용 분야에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 이 세그먼트에는 열 그리스, 열 화합물, 열 패드, 열 테이프, 에폭시, 상 변화 재료 등을 포함한 여러 제품 하위 세그먼트가 포함됩니다.

표 1: 열전도율의 원료 목록

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 관리가 가장 일반적으로 필요한 곳은 어디입니까?

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.

그림 2: 개인용 컴퓨터 PCB 및 방열판, 그림 3: 노트북 히트 파이프 및 팬

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.

그림 2: 개인용 컴퓨터 PCB 및 방열판, 그림 3: 노트북 히트 파이프 및 팬

흑연에는 두 가지 주요 기능이 있습니다.

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

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

그림 5: 열 폭주 위험

열 관리 드라이버

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.

열 관리 응용 분야

Boyd는 십 년 이상 시장 부문 및 응용 분야를 위한 열 관리 솔루션을 제공해 왔습니다.

  • 자동차: 열 전도성 접착제, 열 분산기 및 TIM을 특징으로 하는 ECU(전자 제어 장치)
  • LED TV 디스플레이 : 흑연으로 냉각 된 백라이트 및 TIM으로 냉각 된 전력 모듈
  • 모바일 컴퓨팅: CPU, 전력 증폭기 및 흑연으로 만든 열 분산기(그림 6 참조), 구리 및 알루미늄을 특징으로 하는 디스플레이
  • 엔터프라이즈 전자 제품: 열 전달을 위한 TIM을 갖춘 CPU, 칩 및 방열판
  • 조명: LED 칩 및 방열판에 사용되는 열 전도성 접착제 및 TIM
  • 하이브리드 또는 전기 자동차: 배터리 온도 관리를 위한 TIM(TIM)

Boyd는 고객 제품 평가를 지원하는 완벽한 기능을 갖춘 열 분석 실험실을 보유하고 있습니다. 테스트 기능에는 열전도율(z축) 및 열 임피던스 측정(ASTM D5470 및 ASTM E1530), x 및 y축 열전도율, 열 이미징, 절연 파괴 전압 테스트, 경도 테스트, 접착 테스트, 실제 장치 테스트, 재료 특성 분석 및 환경 챔버 테스트가 포함됩니다. Boyd의 탁월한 분석 역량과 시장 경험은 OEM 고객, EMS 파트너 및 공급업체가 열 관리 문제를 해결하기 위한 솔루션을 설계하는 데 도움을 줄 수 있는 탁월한 기능을 제공합니다.

Boyd는 포괄적인 기술 재료 및 설계 전문 지식, 세계적 수준의 제조 품질 및 서비스 신뢰성, 독보적인 공급망 관리를 통해 최고의 비용, 엔지니어링, 특수 재료 기반 에너지 관리 및 씰링 솔루션을 제공합니다. 열 문제를 해결하기 위해 설계 주기 초기에 Boyd를 참여시켜 제품 출시 시 긴급한 상황에 직면하기 전에 가장 기능적이고 비용 효율적인 설계가 제대로 갖추어져 있는지 확인하십시오. Boyd의 다년간의 경험과 엔지니어링 지원을 엔지니어링/기술 전문 지식과 함께 사용하여 열 문제를 비용 효율적이고 첨단 방식으로 해결할 수 있습니다.

그림 6: 휴대폰의 흑연

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