|
소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅱ
냉각기술의 동향
전자장비는 현대생활과는 필요불가결한 제품으로 그 크기는 급속하게 작아지고 있는 반면 복잡성과 용량은 빠른 속도로 증가하고 있다. 또한 이 분야는 최근 국가경제에 최대의 기여를 하고 있는 핵심기반 기술이다. 이와 같은 전자장치가 고밀화 또는 소형화 될수록 냉각문제가 그 용량과 직접적으로 관계된다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
Paisarn 등은 미니 PC의 CPU의 열전소자(thermoelectric)가 있거나 없는 열 싱크의 직사각 핀(fin)을 연구하였고 CPU 냉각에 대한 변수들의 효과들을 고려하였다.
그림 1은 실험장치의 도식화 선도이다. 탈 이온화된 물이 냉각제로 사용되었다. 테스트 루프는 일련의 PC, 냉각 탈이온화 온수 루프, 그리고 데이터 획득 시스템으로 구성된다. 냉각 탈 이온화 수는 대기 공기에 의해서 냉각되고 바람직한 온도로 냉각된 이온화수는 유동 계량기, CPU 그리고 저장탱크로 돌아간다. 미니 직사각형 핀 히터 싱크를 그림 2에서 나타내고 있다.
이 기술로부터 얻은 그 결과로서, 열전소자를 가진 미니 직사각형 핀 히터 싱크를 다른 기술과 그림 3에서 비교하였다. 열전소자를 가진 액체 냉각은 무부하상태의 다른 냉각 방법보다 CPU의 온도가 낮았다.
열전소자 기술이 없는 물냉각, 히트 파이프 기술이 있는 공기냉각으로부터 얻은 CPU 온도와 에너지 소비를 전통적인 공기 냉각 기술과 비교하였다. 표 1로부터 열전소자는 PC의 CPU 냉각에 중요한 효과를 가지나 전 부하에서 에너지 소비는 증가하였다. 부가적으로 열전소자를 가진 물냉각은 큰 CPU냉각과 에너지 소비의 저하를 가져왔다.
Tseng은 전자부품의 열적 문제를 근래 여러 가지 냉각장치를 갖춤으로써 해결하였다. 유체이동이 필요 없는 수동적인 냉각은 더욱 신뢰할 수 있으며 비용도 적게 들었다. 본고에서는 Taguchi의 방법을 전자장비의 수동적인 냉각의 최적화에 적용하였다. 그리고 대표적인 CFD 모델은 선택적으로 통계해석에 적용하였다. 이 연구에서 선택된 변수들은 동력밀도, 2단계 통계적 접근에 의한 근원, 칩 형상, 칩 사이의 개구 그리고 유동형태이다. 해석의 결과는 실험과 시뮬레이션 수행에서 약 50%의 노력이 절약되는 것을 나타냈다. 열적 거동에 영향을 미치는 중요한 인자들은 머더보드(mother board)에서 개구, 전력 밀도, 그리고 연속적인 유동형태이다. 끝으로 개구의 개념은 신뢰성, 제작단가 그리고 조립과정의 간략화를 증진시켰다.
공학 모델과 Taguchi의 실험적 설계
공학적 모델: 이 연구에서는 5개의 칩이 있는 단순 스택(stack) 모델이 고려되었다. 칩의 형태와 계산 영역은 그림 5에 나타낸다. 자연대류에 의해서 유발된 부력은 고려하였다. 정상상태 2차원 연속방정식, 모멘텀 그리고 에너지 보존방정식을 사용하였다.
Taguchi의 실험적 설계: 소음에 대한 신호(signal to noise, S/N)비는 최소화에 대하여 하나의 이상적인 기준이고 시뮬레이션 결과를 확인하기 위하여 적용하였다.
- 가장 작은 것이 가장 좋은 질의 특성
(smallest-is-best quality characteristic)
(1-1)
여기서, R=(Tmax - T)/Q
－ 가장 큰 것이 가장 종은 질의 특성
(biggest-is-best quality characteristic)
(1-2)
－ 정상적인 것이 가장 좋은 질의 특성
(Normal-is-best quality characteristic)
(1-3)
질이나 단가 특성 그리고 변환에 관계없이, S/N비는 항상 유사하게 해석되었다.
표 3에서 이 실험의 5개의 변수를 포함하고 두개의 평면을 각 변수에 배정하였다. Taguchi의 표 L16(215)이 사용되었다.
그림 6은 칩들 사이의 전체가 개구를 통하여 수동적으로 기인된 상부로의 흐름에 의해서 파괴된 것이다. 그림 6의 (a)에 왼편 기둥에서와 같이 이 수동의 상부흐름은 칩들 사이의 틈뿐만 아니고 전체영역에서 온도를 현저하게 감소시킨다. A2의 높은 전력 밀도에 대하여 부력의 효과는 모든 매장 칩 개구에서 상부 흐름을 크게 했다.
그림 7에서 여러 가지 변수를 가진 칩 표면을 따라 국소 Nu 수 분포를 나타낸다. 그림 7의 (b)는 혼합대류의 국소 Nu 분포를 나타낸다. 국소 Nu 수 값은 보드에 개구가 없을 때 수직 표면보다 수평 표면의 것이 높다. 이것은 오른쪽으로부터 들어가는 주 흐름이 직접적으로 접촉하는 첫 칩에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그리고 각 칩의 수평 평면 위의 경계층 두께를 감소시킨다. 수동적인 냉각 설계가 강제유동을 포함한 것보다 신뢰성이 있다. 냉각 실패에 의한 손상 가능성을 줄인다. Taguchi의 최적 설계방법으로 제작 단가와 과정을 줄일 수 있다.
Walsh et al은 휴대용 전자장비의 열용량 밀도의 증가는 그러한 장치를 가지고 연관하는 새로운 방법론에 이르게 되었다. 많은 기술들은 전도, 자연대류 그리고 복사열전달을 거쳐 주위로 소산하기 위하여 전자 장비 내에서 열을 수송하도록 개발 하고 있다. 이 연구는 미래의 전자 공학적 열관리 이슈에 대한 열 싱크와 결합된 팬(integrated fan)의 잠재력을 건의하였다. 특별히 낮은 수준의 휴대용 전자장비에서 가능한 해법에 초점을 맞추었다. 그들은 미니 채널 형태의 열 싱크 설계를 연구하였고 낮은 등급에 적용을 연구하였다. 결합된 팬의 열 성능과 열 싱크는 대략 40% 정도 차이가 나고 절연에서 팬이나 혹은 열 싱크 보다 이 크기에서 통합된 열관리 해석의 설계 중요성을 강조한다.
강제대류 방사형 열 싱크
2차원 해석과 반경유동 경우에 열싱크 문제는 바로 거기에서 주어진 길이에 대한 최대 열전달 밀도의 결과가 되는 최적 각 θ로 설명된다. 그림 8의 (a)는 여기서 θ는 크고 서로 교차하지 않는 인접한 표면 사이의 경계층이다. 유체는 휜을 통해서 움직이고 열 발생 영역과 열적 접촉은 없다. 그 결과는 Silva 등에 의해서 평판에 대하여 명명된 ‘unworked fluid’이다.
그림 8의 (b)에서 θ는 열 경계층에 합병되는 작은 각이다. 그리고 휜들 사이의 유체는 채널 유동과 같이 거동한다. 이 예에서 유체는 ‘overworked’라고 말한다. 최적 각 θ는 열 경계 층이 열 싱크의 출구에서 합병될 때 얻어진다. 이 최적 각은 층류 경계층 식을 고려함으로써 평가되고, 열전도 팬으로부터 압력저하와 열전달 사이의 최적 평형을 나타낸다.
3차원 해석
가시화하기 위한 움츠려진 상부표면이 있는 단일 크기 열 싱크의 모양을 그림 9에서 나타낸다. 그리고 그림 9로부터 반경방향 열 싱크로부터 8단계의 부채꼴을 그림 10에 나타내고 경계조건과 일정한 온도로 가열된 모델의 표면을 나타낸다. 그림 11은 반경방향 평면각에서 명시된 평면들을 따라 계산된 무차원 온도분포를 나타낸다. 그 무차원 온도는 다음과 같다.
(1-4)
여기서 Tlocal은 국소온도, Tamb는 주위온도, Tw는 벽 온도이다.
실험장치
열 싱크를 통하여 질량 유동을 제공하기 위하여 그들은 미니크기의 반경류 팬과 모터를 설계하고 히트 싱크 내로 통합하였다. 그 모터는 무부하에서 0~60000rpm으로 가변할 수 있다. 그림 12와 같이 높이 2.88mm의 10개의 날개, 높이 0.5mm의 기부두께로 구성되는 11mm 직경의 팬이 제작되었다. 그림 13은 제작된 열 싱크이고 채널 크기가 1.2mm로부터 4.7mm이다. 모든 팬의 두께는 0.5mm이고, 길이는 3.5mm, 11mm 그리고 14mm를 가진다.
통합된 팬과 열 싱크의 압력 유동 특성은 그림 12에서 설명된 시설을 사용하여 계측되었다. 그림 13은 실험 장치를 설명하고 열적관리 방법이 통합된 팬과 열 싱크의 해석을 나타낸다. 그림 14와 그림 15에서 통합된 팬과 열 싱크로부터 상대적인 체적유동률의 계측 설비를 나타내고, 반경방향과 접선방향 열 싱크에 대하여 팬이 후방접촉 날개(backward facing blade)를 가지고 운전될 때 유동률은 증가하였다.
Akin Burack는 전자장치의 냉각에 사용된 기술은 특별한 응용에 따라 변한다고 했다. 액체들과 공기 충돌 분사 냉각은 고전적인 냉각 기술이 불충분한 곳에서 중요하게 되었다. 반면에 단순한 혹은 배열 분사는 높은 국소적인 냉각이 요구되는 곳에서 사용되었다. 이 논문은 전자 시스템에 대한 앞선 냉각 방법의 상대적인 전망을 제공한다. 슬롯이나 원통 제트를 사용하는 전자장치의 경제적 해석을 포함한다. 본고에서는 공기 충돌분무(air impinging jet)에 의하여 전자부품을 냉각하였다. 전자시스템의 발전적인 냉각 방법과 새로운 냉각 방법의 차이를 비교하였다. 전자장치의 냉각에 대한 경제적 해석이 또한 슬롯(slot)과 원통 구멍들에 대하여 제공되었다.
실제적인 관점에 대한 고찰
하나의 파이프는 내부 표면에 적용되는 증발기 부분, 단열부, 응축기, 그리고 다공성 모세관 윅(wick)으로 구성한다. 그림 16 (a)의 증발기에서 흡수된 열은 내부유체를 증발시킨다. 결과적인 압력 차이는 응축기에 대한 단열 부분을 통하여 증기를 유통케 한다. 여기서 열은 보통 찬 벽을 통하여 제거된다. 증기는 응축하여 그리고 유체들은 모세관 작용에 의해서 증발기로 돌아간다.
열전 냉각기
열전 냉각기는 작고 고체 상태의 냉동기로 반도체 쌍의 모형으로 구성한다. 그들은 정밀한 온도제어를 제공하고 일반적으로 1in3보다 작은 공간을 점유한다. 열전냉각은 차고 뜨거운 측을 가지고 있고, 찬 부분에서 그들은 낮은 에너지 상태에 있는 하나의 반도체로부터 다른 높은 에너지 상태로 통과하기 때문에 열이 전자로 전달한다. 그림 16의 (b)에서 열이 제거될 때 뜨거운 측에서는 보통 찬 벽으로 이동한다. 전력은 에너지를 전자를 이동하게 하고 열전냉각은 많은 전자응용 부품에서 과열 점 완화로부터 항공전자 시스템의 온도를 주위온도 이하로 저하하는 데 응용된다. 열전냉각은 잠수함에서와 같은 큰 규모의 전자소재 패키지에 대한 공기조화 공간을 제공한다.
직접적인 액침 냉각(immersion cooling)
액체들은 가스보다 열전도율이 아주 높다. 그래서 그들과 연관된 높은 열전달 계수를 갖는다. 액체 냉각은 기체냉각보다 더욱 효과적이다. 그러나 그림 16의 (c)에서와 같이 액체냉각은 누수, 부식, 여분의 질량 그리고 응축과 같은 자체의 위험성이 있다. 회로기판이 Fluorinert FC-72(비등점 약 55℃) 같은 절연 액인 비등점이 낮은 용액에서 액침될 때 높은 대류가 발생한다. 왜냐하면 냉각제가 직접적으로 회로기판과 접촉하기 때문이다. 다른 냉각 기술에서 많은 열적 저항이 제거되었다.
액체 냉각 판
액체 냉각 판은 가장 앞선 상용 장치이다. 대부분의 냉각 기술은 흡수된 열을 제거하기 위하여 찬 벽을 사용한다. 액체 냉각 판은 열 생성 IC들과 직접적으로 접촉하는 냉각 벽과 같다. 그림 16의 (d)와 그림 16의 (e)는 강화된 냉각을 요구하는 전기적 부품들은 냉각 판에 눌러지거나 혹은 직접적으로 죄어진다. 냉각 판은 수년 동안 앞서가고 있고 아직 유체통로에 핀이 있는 알루미늄 블록으로 구성한다.
하이브리드 기술
이 기술은 특별한 장점을 얻을 수 있는 두 개 혹은 그 이상의 기본적인 전자냉각 기술을 결합한 것이다. 알파벳 숫자와 문자의 식별 시스템은 결합의 흔적을 유지하기 위하여 연구되었다. 그것은 직접 액침, 강제대류, 비등과 충돌 분무를 포함한다.
냉각 과정의 경제적 해석 및 팬과 냉각에 대한 필요에너지
공기유동은 압력을 증가시키기 위한 전력 팬에 의해서 생성된다. 그리고 필요한 입구 속도를 얻고 도관이나 밴드 내에서 유동손실과 마찰을 극복한다. 그리고 노즐을 통하여 공기를 가속한다. 열교환기에서 간접적이나 혹은 직접적으로 공기 흐름에서 냉각 에너지는 공기유동에 공급해야 한다. 필요에너지의 최적화에 대한 어떤 비교를 설정하기 위하여 압력증가, 요구된 공기의 질, 냉각 능력을 평가하였다. 이를 위하여 제트속도 VE, 온도 T등이 공급되어야 한다.
공기의 동력
공기는 공기실에서 낮은 압력으로부터 제트 속도 VE까지 가속된다. 그것은 PA이다. 후드(hood) 속도는 1/6VE를 초과해서는 안 된다. 이상기체에 대하여 Bernulli 식을 적용하면 후드 압력 PH는 다음과 같다.
(1-5)
폭이 w, 슬롯이 B인 n개의 노즐들의 제트 분출 면적은 nwB(m2), 이 공기 체적은 매초 압력을 PA를 PH까지 증가시켜야 하고, 그것은 입력에너지를 다음식과 같이 요구한다.
(1-6)
간단하게 노즐의 폭10cm, 슬롯 폭 3mm의 노즐은
(1-7)
직경 D=5.8mm인 원통 구명인 경우
(1-8)
공기 냉각에 대한 동력
하나의 노즐로부터 공기에 포함되는 냉각 에너지는 체적유동과 주위 온도 TA보다 낮게 저하를 평가할 수 있다.
주위온도 TA = 25℃ 그리고 ρA =1.17kg/m3
(1-9)
(1-10)
에너지 원가
에너지 원가를 계산하기 위하여, 두 개의 다른 경우가 슬롯과 원형 제트에 대하여 표 4와 같이 주어졌다.
Chiang 등은 핀-휜 히트 싱크 배열구조는 광범위하게 현재의 전자장치의 냉각 강화에 적용되었다. 왜냐하면 공기의 유동 방향에 대하여 비 감수성이고 주어진 체적 당 표면적이 크기 때문이다. 이 연구에서는 반응표면 분석(response surface methodology, RSM)에 기초로 한 조직적인 실험적 설계는 핀-휜 히트 싱크(pin-fin heat sink, PFHS)의 설계효과를 식별하는데 사용하였다.
핀-휜의 높이나 직경 그리고 휜들 사이의 피치 폭과 같이 실험에서 조사하였다. 열 저항 Rth와 압력감소 Δp는 열 성능 특성으로 채택하였다. 하나의 표준 RMS 설계로 불러지는 중앙복합설계(central composite design, CCD)는 이들 실험 설계에 적용하였다. 그 결과는 열 저항과 압력감소를 최소화하기 위하여 중요한 영향인자를 식별하였다. 하나의 효과적인 반응표면 방법론(RSM)은 설계 제한이 있는 PFHS의 열 저항과 압력감소의 최적화와 예측을 위하여 제정되었다. 실험적 결과는 이 연구에서 제의된 모델이 타당하고 정확하다는 것을 나타내었고 연구된 인자의 제한을 가지고 압력 감소와 열 저항을 나타내는데 사용할 수 있다.
반응표면분석(RSM)은 여러 가지 설계변수와 바람직한 기준을 가진 반응을 결정하기 위한 경험적 모델링 접근이다. 그것은 경험적 모델을 최적화하기 위한 건물에 대한 연속적인 실험적 전략이다. RSM은 문제들을 해석과 모델링에 대해 유익한 수학적 그리고 통계과정의 집합이다. RSM에서 바람직한 반응과 독립 입력 변수 사이의 관계의 양적 형태는 다음 식(1-11)과 같이 나타낸다.
(1-11)
여기서 y는 바람직한 반응, f는 반응함수(반응표면), x1,x2,...는 독립입력변수, ε은 피팅 오차이다.
반응함수의 현상은 예측된 반응 f를 표시하는 하나의 표면이다. f의 적당한 근사치 증명은 RSM의 응용이 성공적인지 아닌지를 결정한다. 반응 모델 건물에 대한 필요한 데이터는 실험 설계에 의해서 수집된다. 이 연구에서 실험데이터의 수집은 CCD에 집중된 표면을 채택하고 그리고 f의 근사 값은 2차 다항식 회귀 모델을 사용하여 제의된다. 그것은 2차 모델이라 부른다. f의 2차 모델은 다음 식(1-12)와 같이 나타낸다.
(1-12)
여기서, αi는 xi의 선형효과, αii는 xi의 2차 효과, αij는 xi와 xj 사이의 상호작용을 나타낸다. 반응 표면 f는 선형항, 제곱항, 벡터곱항을 포함한다. f의 2차 모델을 사용하는 것은 전인자 공간뿐만 아니고 그 응답이 그것의 최적이나 최적 값 근처인 바람직한 목표의 위치를 찾아내는 것이다. 그 RSM은 연속적인 과정이고 최적의 성능특성을 가진 설계변수를 결정하는 그것의 과정은 몇 개의 단계를 포함한다.
그 요약은 다음과 같다.
(1) 독립 입력 변수와 설계제한들을 가지고 바람직한 반응을
정의한다.
(2) 실험적 설계평면에 대한 집중된 CCD 면의 채택
(3) 반응 표면 f의 2차 모델을 가지고 회귀분석(regression
analysis) 수행
(4) 독립입력 변수에 대한 통계해석의 변동(analysis of
variance, ANOVA)의 계산 그리고 바람직한 반응에 중
요한 영향을 미치는 변수를 찾는다.
(5) 반응면 f의 2차 모델의 상태 결정 그리고 RSM 모델이 변
수들의 선별이 필요와 불필요의 결정
(6) 설계 제한을 가지고 최적 설계변수를 수집
(7) 실험과 최적 설계변수 고정의 검정
그림 18에서 계측설비와 실험장장치를 도식적으로 나타낸다. 상용의 사출된 9×8 배열 원형 핀을 갖는 PFHS의 설계도를 그림 19에 나타낸다. 열 저항에서 설계인자에 대한 감도해석과 압력저하를 그림 20에 나타낸다. 각 중요한 설계인자로부터 퍼센트 기여의 결과로부터 열 저항에서 앞의 2개의 중요한 인자들은 인자 A, B이고, 압력감소에서 앞의 2개의 설계인자는 C, D 인자이다.
열 저항 Rth의 최소화에 대하여 핀 높이 H와 핀 직경 D의 주요한 영향과 상호작용 영향은 인자들에게 중요한 역할을 한다. 핀 높이 H와 핀 직경 D 둘 다 히트 싱크 모듈의 표면 열 이동량에 중요하게 관계된다. 그러므로 히트 싱크 모듈은 낮은 열 저항 값을 갖는다.
핀 직경, D, 새로 피치 S1, 그리고 가로 피치 S2의 영향은 모든 핀들 중의 공간의 크기에 관계된다. 그것은 강제대류의 유동 장에 영향을 미친다. 파이파스 효과가 더 이상 증가하지 않을 때까지 그 결과들은 압력감소 값이 모든 핀 중의 무차원 공간의 증가와 함께 연속적으로 감소한다.
SAO(sequential approximation optimization) 방법을 사용하여 최적 조절이 가능한 네 개의 다른 핀-휜 변수들이 포착되었고, Rth와 ΔP의 최저 값은 예측되었다. 그리고 확인 실험을 수행하여 검증되었다.
그림 20에서 열저항 Rth와 압력저하 ΔP에서 설계인자들에 대한 감도해석 수행 결과를 나타낸다. 응답에 대한 2차 방정식은 다음과 같다.
- 열 저항 Rth
Rth=0.20354-0.01545A-0.05494B-0.006811C-
0.004816D+0.001981AC+0.003056AD-0.002043BD
- 압력 감소 ΔP
ΔP= 21.503333+0.266111B-0.832222C-
1.1405556D+0.625B2+0.64C2+0.535D2+
0.424375CD
[열 설계 2-1] 기본 열 설계
칩에서 열전도
하나의 칩이 12 핀 리드를 가진 하나의 DIP(Dual In-Line Package)에서 0.6W의 전력을 소비한다. 전자장비의 여러 부분에서 재료와 치수가 표에서 주어졌다. 만약 리드의 온도가 40℃이면 칩의 접합에서 온도를 평가하라.
[해]
가정1. 정상운전 상태다. 2. 여러 가지 부분을 통한 열전달은 1차원이다. 3. 공기 틈과 칩 위의 뚜껑을 통한 열전달은 무시한다. 그 통로를 따라서 아주 작은 열 저항이 포함되기 때문이다. 칩으로 중요한 열 통로는 공융 물질본드(eutectic bond), 리드 프레임, 플라스틱 단열재 그리고 12개의 리드이다. 이를 참고하여
Recontruction은
칩으로부터 열전달량
접합(junction)의 온도 Tjunction = Tleads + Q－ Rjunction leads =40℃ + (0.6W)(77.32℃/W) = 86.4℃
리드 프레임과 리드 사이의 플라스틱 층은 총열저항과 비로 66.67/77.32 = 86%가 되고 접합(junction)과 리드 사이의 온도 강하는 0.6×66.7=40℃이고 만약 플라스틱의 열 저항을 제거하면 46.5℃가 된다.
[열 설계 2-2]
동이 피복된 하나의 PCB가 있다. 유효열 전도율과 마찬가지로 동과 에폭시 층을 따라 열전도율의 퍼센트를 결정하라.
[해]
해석1, 정상 개방상태이다. 2. PCB를 따라 열전도는 1차원이다. 측면으로부터 열전달은 무시한다. 3. 에폭시와 동 층의 열 특성은 일정하다.
한 층을 따라 열전도는 kt의 곱에 비례한다.
(kt)copper = (386W/m℃)(0.06×10-3m) = 0.0236W/℃
(kt)epoxy = (0.26W/m℃)(0.5×10-3m) = 0.00013W/℃
(kt)PCB = (kt)copper + (kt)epoxy =
0.00236 + 0.00013 = 0.02329W/℃
에폭시 판을 따라 열전도율의 퍼센트는
|
|
제목: 소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅱ
