새로운 냉각 전략, 전자 제품의 열적 문제 해결

전자 기기가 점점 더 엄격한 열 관리 문제에 직면함에 따라 기존의 냉각 솔루션은 부적절한 것으로 나타나고 있습니다. 장치 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해 열 병목 현상을 어떻게 극복할 것인가 하는 중요한 질문은 전자 엔지니어와 재료 과학자 모두에게 핵심적인 초점이 되었습니다. 이 기사에서는 전자 기기의 열 발산에 영향을 미치는 주요 요소를 살펴보고, 특히 열전도율에 중점을 두고 재료 선택, 구조 설계, 최첨단 기술 적용을 포함한 다양한 관점에서 최적화 전략을 탐구합니다.

열전도율은 재료의 열 에너지 전달 능력을 측정하는 기본적인 물리적 특성으로, 단위 시간당 단위 면적을 통해 단위 온도 기울기에서 전달되는 열의 양으로 정의됩니다. 전자 냉각 응용 분야에서 열전도율은 열 발산 효율의 결정적인 요소 역할을 합니다. 열전도율이 높은 재료는 열원(예: 칩)에서 방열판 또는 기타 냉각 매체로 열을 빠르게 전달하여 칩 온도를 낮추고 장치의 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.

열전도율은 일반적으로 W/mK(와트/미터-켈빈) 또는 Btu/hr-ft-°F(영국 열 단위/시간-피트-화씨) 단위로 기호 k로 표시됩니다. 전자 기기에서 열 발생은 다양한 구성 요소, 특히 CPU 및 GPU와 같은 전력 반도체에서 발생합니다. 작동 중 저항을 통과하는 전류는 줄 가열을 생성하여 온도를 상승시킵니다. 효율적인 열 발산이 없으면 구성 요소 온도가 계속 증가하여 성능 저하, 수명 단축 또는 심지어 치명적인 고장으로 이어질 수 있습니다.

전자 기기 냉각은 열이 일반적으로 열원에서 여러 단계를 거쳐 외부 환경으로 전달되는 복잡한 프로세스를 포함합니다. 이러한 전도 경로를 이해하면 보다 표적화된 열 최적화가 가능합니다.

• 칩 수준 열 전달: 열은 처음에 칩 내부에서 생성되어 칩 재료(일반적으로 실리콘)를 통해 표면으로 전도됩니다. 칩 재료의 열전도율은 내부 온도 분포에 직접적인 영향을 미칩니다.
• 칩-방열판 인터페이스: 칩 표면과 냉각 구성 요소(방열판, 히트 파이프) 간의 열 전달은 불완전한 접촉 및 공기 간격으로 인해 계면 열 저항을 겪습니다. 열 그리스 또는 패드와 같은 열 인터페이스 재료(TIM)는 이 저항을 완화하는 데 일반적으로 사용됩니다.
• 방열판 내부 전도: 열은 방열판 구조를 통해 전달되고 표면을 통해 주변 환경과 교환됩니다. 방열판 재료, 구조 설계(핀 형상, 치수, 간격) 및 냉각 방법(자연 대류, 강제 공기, 액체 냉각)은 집합적으로 냉각 효율을 결정합니다.
• 방열판-환경 인터페이스: 최종 열 전달은 방열판 표면에서 주변 환경으로 발생하며, 여기서 주변 온도 및 기류 조건이 성능에 영향을 미칩니다.

각 전도 경로는 총 시스템 저항을 집합적으로 형성하는 열 저항에 기여합니다. 총 저항이 낮을수록 냉각 성능이 향상되므로 열 저항 감소가 전자 냉각 설계의 핵심 초점이 됩니다.

열전도율은 재료 선택 및 냉각 설계 최적화를 알려주는 여러 요인에 따라 달라집니다.

• 재료 유형: 금속은 일반적으로 높은 열전도율을 나타내는 반면, 비금속(플라스틱, 세라믹)은 낮은 값을 나타냅니다. 대표적인 실온 값에는 은(429 W/mK), 구리(401 W/mK), 알루미늄(237 W/mK), 실리콘(148 W/mK), 유리(1.0 W/mK), 플라스틱(0.1-0.5 W/mK) 및 공기(0.026 W/mK)가 있습니다.
• 온도 효과: 금속의 경우 전도율은 전자 산란 증가로 인해 온도가 상승함에 따라 일반적으로 감소합니다. 비금속 재료는 미세 구조 및 포논 수송 특성에 따라 더 복잡한 온도 종속성을 나타냅니다.
• 재료 순도 및 결함: 불순물과 결함이 열 운반체(전자 또는 포논)를 산란시켜 평균 자유 경로를 줄이므로 결함이 적은 고순도 재료가 더 큰 전도율을 나타냅니다.
• 결정 구조: 결정질 재료는 방향 변화가 있는 이방성 전도율을 나타냅니다. 흑연은 예외적으로 높은 면내 전도율을 나타내지만 수직 전도율은 훨씬 낮습니다.

냉각 설계를 위해서는 정확한 열전도율 측정이 필수적입니다. 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

• 정상 상태 방법: 재료에 일정한 온도 차이를 적용하고 평형 상태에서 열 플럭스 및 온도 기울기를 측정하며, 금속과 같이 높은 전도율의 재료에 적합합니다.
• 과도 상태 방법: 열 펄스를 적용하고 시간적 온도 응답을 측정하며, 플라스틱 및 세라믹과 같이 낮은 전도율의 재료에 효과적입니다.
• 레이저 플래시 분석: 레이저 펄스를 사용하여 표면을 가열하고 후면 표면 온도 응답을 측정하여 열 확산율 및 전도율을 계산하는 뛰어난 과도 상태 방법입니다.
• 3ω 방법: 교류 전류에 대한 전압 응답을 측정하는 AC 기술로, 박막 전도율 측정에 특히 적합합니다.

효과적인 전자 냉각에는 다면적인 열전도율 최적화가 필요합니다.

• 고전도율 재료 선택: 금속 방열판 및 고성능 TIM을 포함하여 냉각 시스템 전체에서 우수한 전도율을 가진 재료를 우선시합니다.
• 인터페이스 최적화: 표면 마감, 접촉 압력 조정 및 TIM 구현을 통해 계면 저항을 최소화합니다.
• 방열판 구조 개선: 표면적 증가, 핀 형상 최적화, 히트 파이프 및 증기 챔버와 같은 고급 열 전달 요소 통합.
• 첨단 냉각 기술: 고전력 응용 분야를 위해 액체 냉각, 상 변화 시스템, 열전 냉각 및 마이크로채널 솔루션 구현.
• 나노 재료 통합: 탄소 나노 튜브, 그래핀 또는 나노 유체를 통합하여 열 성능을 향상시킵니다.

전자 냉각의 지속적인 혁신에는 몇 가지 유망한 개발이 포함됩니다.

• 3차원 칩 통합 냉각 구조
• 작동 조건에 반응하는 적응형 냉각 시스템
• AI 기반 열 관리 전략
• 차세대 고전도율 재료
• 열 에너지 수확 기술

스마트폰은 소형 치수와 높은 구성 요소 밀도로 인해 고유한 냉각 문제를 제시합니다. 일반적인 솔루션은 다음과 같습니다.

• 열 확산을 위한 증기 챔버
• 인터페이스 저항 감소를 위한 열 젤
• 향상된 발산을 위한 흑연 필름
• 프리미엄 모델의 액체 냉각 시스템

열전도율은 전자 냉각 설계의 핵심 매개변수로 남아 있습니다. 재료, 인터페이스, 구조 및 기술을 포괄적으로 최적화함으로써 엔지니어는 장치 신뢰성 및 성능을 보장하기 위해 열 문제를 효과적으로 관리할 수 있습니다. 전력 밀도가 계속 증가함에 따라 미래의 열 관리 요구 사항을 충족하기 위해 냉각 기술 및 재료에 대한 지속적인 혁신이 필수적입니다.