전자장치 열 관리란 무엇입니까?

전자장치 열 관리란 전자장치와 시스템에서 열을 효율적으로 관리하는 데 중점을 둔 공학 분야입니다. 열 전도, 대류, 복사 및 열 역학의 물리학을 사용하여 구성품 온도를 허용 가능한 작동 범위 이내로 유지합니다. 이를 제어하지 않으면 온도가 상승하고 구성품 성능이 떨어지며 일부 구성품이 고장날 수 있습니다. 또한 구성품과 패키지 사이의 연결이 약해져 파손될 수 있습니다. 노트북에서 팬이 돌아가는 소리가 들리거나 휴대폰 뒷면에서 열이 느껴질 때마다 열 관리를 경험할 수 있습니다. 

전자 장치는 회로와 전자 부품을 통해 전류를 이동시켜 작동합니다. 전류가 회로를 통과할 때 전선, PCB 트레이스, 연결부, 칩 패키지, 구성품에서 열이 발생합니다. 열이 효과적으로 관리되지 않으면 전자 장치의 각 영역에서 온도가 상승하여 소재의 속성이 변합니다. 이러한 속성 변화는 저항 증가, 기계적 강도 저하, 신호 왜곡 등 여러 문제를 야기할 수 있으며 궁극적으로 제품 성능이 저하되고 사용 환경이 악화될 수 있습니다. 또한 소재는 가열 시 팽창하고 냉각 시 수축하는데, 이로 인해 구성품에 응력이 가해져 구성품이나 시스템의 기계적 고장, 피로, 조기 노화를 초래할 수 있습니다. 

열 관리는 휴대폰과 전기 자동차부터 인공위성의 냉각, CMOS 카메라에 이르기까지 오늘날 전자장치 응용 분야의 전반적인 성능과 견고성에 중요한 역할을 합니다. 그렇기 때문에 사용 가능한 옵션에 대한 포괄적인 이해가 필수적입니다. 이것의 응용은 제품 개발의 중요한 부분이 되었으며 설계 프로세스의 모든 단계에 포함되어야 합니다. 

과도한 열의 관리를 구체적으로 논의하기 전에, 엔지니어가 열을 관리하는 데 사용할 수 있는 도구에서 전자장치 시스템의 규모가 필수적인 역할을 한다는 점을 언급해야 합니다. 반도체 칩 패키지는 인쇄 회로 기판(PCB)과는 다른 열 발생 및 열 방출 문제를 안고 있습니다. 마찬가지로 여러 PCB 및 전력 장치와 같은 기타 열원이 있는 인클로저에는 랙이나 전체 데이터 센터와 같은 어셈블리와는 다른 솔루션이 필요합니다. 이러한 분류는 칩 수준, 구성품 수준, 보드 수준 및 시스템 수준 열 관리 솔루션입니다. 

또 다른 중요한 구별은 패시브 열 관리와 액티브 열 관리입니다. 전력을 사용하지 않는 전자장치 냉각 방식을 패시브 냉각 솔루션이라고 합니다. 액티브 냉각 솔루션은 동력(일반적으로 전기)을 사용하여 대류 유체의 속도를 높이거나 열역학 또는 열전기 장치에 동력을 공급합니다. 패시브 냉각은 에너지를 사용하지 않고 움직이는 부품이 없으며 비용 효율이 더 높기 때문에 일반적으로 선호됩니다. 액티브 시스템이 설계에 포함되는 이유는 패시브 냉각 관리 방식으로는 주변 온도 이하로 장치를 냉각할 수 없거나 패시브 시스템에는 필요한 열 성능을 갖추지 못하기 때문입니다. 

현재 가장 널리 사용되는 효과적인 열 관리 방법론을 패시브 솔루션과 액티브 솔루션으로 나누어 아래에 나열해 보겠습니다.

패시브 열 관리 방법

열 인터페이스 재료(TIM): 구성품 사이와 주변에 사용되는 재료로, 해당 구성품을 고온으로부터 절연하거나 열원으로부터 멀리 열을 전달하는 데 사용됩니다. 포팅 및 캡슐화를 통해 다양한 아크릴, 에폭시, 실리콘, 우레탄 수지가 구성품, 조립품 또는 전체 장치를 코팅하거나 완전히 둘러쌉니다. 구성품 사이의 부가적인 소재 유형(접착제, 젤, 그리스 등)은 요소 간의 열 전도율을 높입니다.

히트 스프레더: 뜨거운 지점의 열을 더 차가운 위치 또는 다른 열 관리 솔루션으로 전달하는 물체입니다. 반도체 패키지, PCB 또는 전자장치 인클로저의 기하학 구조와 재료가 열 에너지를 뜨거운 지점으로부터 멀리 이동시킵니다. 패키지 및 보드 수준에서는 볼 그리드 어레이, 와이어, 비아 및 접지 평면이 사용됩니다. 인클로저 내에서는 보드와 동력 전자장치의 열이 패스너와 쐐기형 잠금 장치를 통해 케이스나 기타 열 관리 장치로 직접 전달됩니다.

자유 대류: 가장 일반적이고 비용 효율적인 냉각 메커니즘은 고온의 물체 주변에서 공기가 자연스럽게 대류하는 것입니다. 뜨거운 공기는 부력으로 인해 상승하기 때문에 뜨거운 물체의 열 에너지는 공기 중으로 이동했다가 부품에서 멀어지면서 더 차가운 공기를 끌어들여 따뜻한 공기를 대체합니다. 자유 대류에서는 공기가 가장 일반적인 유체이지만, 더 까다로운 응용 분야에서는 다른 가스와 액체를 사용합니다. 

방열판: 열원에 부착되어 열원 물체로부터 멀리 열을 전도한 후 대류 열 전달을 통해 유체로 열을 소산시키는 물체입니다. 방열판의 설계는 대류 유체가 열을 끌어당길 수 있는 표면적의 양을 극대화합니다. 방열판은 CPU, 동력 전자장치 구성품, 레이저와 같은 열원에서 가장 일반적으로 발견됩니다. 

히트 파이프: 휘발성 물질의 상 변화를 이용하여 열원으로부터 열 에너지를 흡수하는 장치입니다. 이 에너지는 액체를 증기로 변환하고 증기는 열 파이프를 따라 반대쪽 끝으로 이동하며, 증기가 응축되어 뜨거운 끝으로 되돌아오는 사이클을 반복합니다. 

적외선 라디에이터: 적외선 복사를 사용하여 에너지를 판으로부터 멀리 전달하는 크고 평평한 금속판입니다. 설계에는 열을 대류시키거나 시스템 밖으로 전도할 방법이 없는 응용 분야(일반적으로 우주에서)를 위한 라디에이터가 포함됩니다. 

액티브 열 관리 방법 

강제 대류 및 강제 공기 냉각: 팬이나 송풍기를 사용하여 구성품이나 방열판 위로 공기 흐름을 생성하는 동력 장치입니다. 공기의 속도가 빠를수록 대류 열전달이 증가하고 따라서 물체에서 더 많은 열을 끌어냅니다. 

액체 냉각: 액체가 열원 위를 흐르면서 열을 흡수하고 열을 열원으로부터 멀리 옮겨 열을 제거하는 열 관리 방법입니다. 액체 냉각은 강제 대류나 열교환기(예: 라디에이터)를 사용하여 액체가 열원으로 돌아가기 전에 액체를 냉각시키는 경우가 많습니다. 고성능 컴퓨터와 배터리 시스템, 전기 모터, 전기 자동차는 액체 냉각을 사용하는 일반적인 예입니다. 

제트 충돌 냉각: 노즐을 통해 열원에 유체를 분사하는 고효율 냉각 솔루션입니다. 충돌 표면에서 훨씬 더 빠른 속도, 난류, 때로는 기화가 발생하여 물체에서 유체로의 열 에너지 전달이 크게 증가합니다. 

분사 냉각: 제트 충돌 냉각과 유사한 방식이지만 유체 분사가 아닌 냉각제를 작은 물방울로 분무하여 열원에 닿으면 기화시키는 방식입니다. 이러한 상 변환은 대류보다 훨씬 더 많은 에너지를 흡수합니다. 

냉장: 증기 압축 열역학 사이클은 압축, 응축, 팽창, 상변화를 이용해 열원에서 열을 끌어냅니다. 이 방식은 주변 온도가 전자장치의 필수 작동 온도보다 훨씬 높을 때 특히 유용합니다. 데이터 센터는 냉장 기술을 사용하여 자유 대류, 강제 대류 및 액체 냉각 시스템에서 작동 유체를 냉각하는 일반적인 예입니다.

저항 가열: 대부분의 열 관리 방법은 전자 시스템이나 구성품에서 열을 제거하도록 설계되었습니다. 그러나 일부 응용 분야에서는 장치가 극저온에서 작동해야 작동하므로, 온도를 허용 가능한 작동 범위로 높이기 위해 엔지니어가 설계에 저항 히터를 포함시켜야 합니다. 저항 히터는 우주 기반 전자장치, 일부 자동차 전자장치, 극한 환경에서 작동하는 다양한 사물 인터넷(IoT) 응용 분야에서 흔히 사용됩니다. 

열전 냉각: 펠티에 효과를 이용하여 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 솔리드 스테이트 장치입니다. 전류가 서로 다른 두 가지 반도체 재료를 통과하면 한쪽의 온도는 상승하고 다른 쪽의 온도는 하락합니다. 온도가 하락하는 쪽을 냉각이 필요한 전자장치 구성품에 직접 부착할 수 있습니다. 

전자 시스템(작은 마이크로칩에서 거대한 데이터 센터까지)을 설계하는 엔지니어는 시스템의 열 거동을 살펴본 다음 시스템의 열 성능 기준을 충족하고 비용 효율적이며 시스템의 전기적 또는 기계적 요구 사항에 문제를 일으키지 않는 열 관리 솔루션을 선택해야 합니다. 

열 관리를 위한 설계는 일반적으로 전반적인 제품 설계 프로세스에 통합되어야 하며, 특히 시뮬레이션 중심 설계 프로세스에 통합되어야 합니다. 다음 기술을 사용하면 개발팀이 응용 분야를 이해하고, 상충 관계를 신속하게 평가하며, 솔루션을 최적화할 수 있습니다.

구성품 특성 파악:

효과적인 열 관리 솔루션은 시스템에 들어가는 구성품의 열 특성을 파악하는 것부터 시작합니다. 설계 팀은 시스템의 모든 전자 및 기계 구성품에 대한 형상, 재료 특성, 열 생생, 열 용량, 표준 작동 조건 및 허용 작동 온도와 같은 기술 정보를 수집하는 것부터 시작해야 합니다. 

이러한 값은 공급업체로부터 얻을 수도 있고, 열 특성화 테스트를 수행해야 할 수도 있습니다. 열 방출을 추정하기 위해 전기 엔지니어는 일반적으로 구성품 데이터시트에 나와 있는 전기적 거동을 기반으로 회로 모델을 실행합니다. 시뮬레이션을 사용하여 구성품과 상호 연결에 허용되는 열 변형을 결정하거나 구성품 어셈블리의 열 거동을 특성화할 수도 있습니다. 

환경 평가

팀이 전자 시스템 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알게 되면 시스템이 작동할 환경을 파악해야 합니다. 

가전제품의 열 냉각 옵션은 항공전자공학에서 사용할 수 있는 열 관리 옵션과 근본적으로 다릅니다. 

스마트폰의 과열을 방지하는 것은 케이스 내부에 들어가는 것으로 제한되며, 열을 방출할 수 있는 유일한 장소는 기기 주변의 공기입니다. 전투기의 항공전자공학 패키지에는 인클로저 안으로 불어넣을 수 있는 고압의 냉각 공기가 있습니다. 산업용 IoT 기기는 차가운 주변 온도, 냉랭한 공기 또는 물에 접근할 수 없습니다. 이 응용 분야에 가장 적합한 솔루션은 온보드 열전 냉각기일 수 있습니다. 마찬가지로, 특정 산업의 표준과 규정에 따라 사용할 수 있는 열 관리 방법론이 결정될 수 있습니다. 

열 시뮬레이션

다양한 옵션과 경쟁 요건 간의 상충 관계를 고려하면 시뮬레이션은 열 관리 솔루션을 개발하는 데 완벽한 도구입니다. 

반도체 칩 패키지 수준에서 설계자는 캡슐화 방식, 열 납땜 부착 및 열 비아의 위치, 접지 평면의 두께를 반복적으로 조정할 수 있습니다. 

크기 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서는 전산 유체 역학(CFD)을 사용하여 데이터 센터의 전체 층에 걸친 랙 안과 주변의 공기 흐름을 모델링하고 최적화할 수 있습니다. 

Ansys Icepak® 소프트웨어는 구성품, 패키지, 보드 및 인클로저 수준에서 전자 냉각을 위해 특별히 설계된 CFD 솔루션의 좋은 예입니다. 엔지니어가 설계를 직접 가져와서 열 관리 솔루션을 신속하게 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 엔지니어는 칩 수준에서 2.5D 및 3D-IC 시스템을 위한 사인오프 솔루션으로 Ansys Redhawk-SC Electrothermal™ 소프트웨어를 사용합니다. Redhawk-SC Electrothermal 소프트웨어는 Icepak 소프트웨어와 연결되므로 시스템 인식 칩 설계가 가능합니다.

엔지니어가 관리해야 할 또 다른 열원은 전자장치 응용 분야에서 전자기학을 사용하여 생성되는 열입니다. 고전력 안테나와 같은 고주파 응용 분야에서는 전자기파가 통과하는 매체에서 손실로 인해 열이 생성됩니다. Ansys HFSS™ 소프트웨어와 같은 툴은 생성된 열의 양을 예측할 수 있으며, 이것은 전체 전자 어셈블리에서 열 관리를 최적화하는 데 사용되는 열 시뮬레이션의 경계 조건으로 적용됩니다. 

마찬가지로, 전기 모터, 전력 공급 장치와 같은 저주파 응용 분야와 휴대폰, 스마트워치, VR 헤드셋과 같은 가전제품의 무선 충전도 열을 생성합니다. Ansys Maxwell® 소프트웨어는 전자 열 관리 솔루션을 시뮬레이션할 때 이러한 손실을 모델링하고 열원에 대한 정확한 값을 제공할 수 있습니다. 

시뮬레이션이나 테스트를 통해 구성품 및 조립품 설계가 특성화되면 시스템 수준에서 차수 감소 모델(ROM)로 나타낼 수 있으며 Ansys ModelCenter® 소프트웨어와 같은 도구에서 전체 열 시스템을 탐색하고 최적화할 수 있습니다. 그런 다음 엔지니어는 상충 관계 연구를 수행하여 여러 사용 사례에 가장 적합한 열 관리 방법을 결정할 수 있습니다. 

냉각 방법 선택

내부 구성과 외부 환경을 이해하고 열 시뮬레이션을 사용하여 구성품과 시스템을 모델링하면 팀은 적절한 냉각 방법을 선택하는 반복적 프로세스를 시작할 수 있으며, 이를 통해 다양한 옵션에 대한 가상 평가가 가능합니다. 

겉보기에 무관해 보이는 기술적 발전이 열 관리의 미래에 어떤 영향을 미칠지 보여주는 좋은 예는 최근 인공지능(AI)의 붐입니다. 대규모 언어 모델(LLM)은 많은 GPU를 사용하기 때문에 대규모 데이터 센터에 적합한 냉각 기술을 제공하는 데 있어 열 관리 문제가 발생합니다. 

디지털 세계가 확장되고 성장함에 따라 고전력 및 고속 전자장치에 대한 필요성은 열 관리의 혁신을 계속 주도할 것입니다. 이러한 추세로 인해 보다 효율적인 냉장 솔루션, 제트 냉각의 최적화, 보다 효과적인 열전 장치, 침수 냉각과 같은 고급 냉각 전략을 찾아야 합니다.

고성능 컴퓨팅 애플리케이션이 솔루션을 주도하는 한편, 부품과 시스템의 지속적인 소형화는 업계를 다른 방향으로 밀어붙이고 있습니다. 흥미로운 새로운 연구 분야 중 하나는 열 트랜지스터입니다. 이러한 트랜지스터는 필요에 따라 열 흐름을 제어할 수 있고, 칩 전체를 냉각하는 대신 필요한 위치로 냉각을 유도할 수 있습니다. 

열 관리에 있어서 가장 효과적이고 영향력 있는 개선은 시뮬레이션의 역량과 효율성이 지속적으로 성장하는 것입니다. 이러한 종류의 소프트웨어는 AI를 통합하고, 설계 시스템과의 통합 및 사용자 생산성을 향상시키며, 물리학을 더욱 결합하는 동시에 AI를 사용하여 향상된 컴퓨팅 능력을 활용할 수 있습니다. 

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