방열판 하우징: 재료, 제조 및 열 설계 설명

방열판 하우징 : 인클로저가 열 관리 시스템의 일부가 되는 경우

방열판 하우징은 일반적으로 별도의 구성 요소에 의해 처리되는 두 가지 기능을 결합합니다. 즉, 전자 조립품의 구조적 인클로저 역할과 내부 구성 요소의 주요 열 방출 경로 역할을 동시에 수행합니다. 개별 방열판을 구성 요소에 장착한 다음 해당 어셈블리를 별도의 섀시 내부에 배치하는 대신 방열판 하우징은 핀, 채널 또는 기타 소산 구조를 인클로저 벽이나 베이스에 직접 통합하여 하우징 자체를 열 관리 솔루션으로 전환합니다.

이 접근 방식은 보드 수준 공간이 제한되어 있고 인클로저가 유입되지 않도록 밀봉해야 하며 별도의 내부 방열판이 공기 흐름 데드존을 생성하거나 애플리케이션이 수용할 수 없는 팬이 필요한 LED 드라이버, 전력 변환기, 모터 컨트롤러, 산업용 조명 기구 및 실외 정격 전자 인클로저에서 특히 일반적입니다. 방열판 하우징의 열적 및 기계적 설계는 분리될 수 없습니다. 즉, 하나를 최적화하고 다른 하나를 무시하면 어느 요구 사항도 충족하지 못하는 제품이 안정적으로 생산됩니다.

방열판 하우징 설계에 사용되는 재료

방열판 하우징의 재료 선택은 열 전도성의 상한선을 설정하고, 사용 가능한 제조 공정을 결정하고, 완성된 부품의 기준 중량 및 비용 구조를 설정하는 동시에 가장 중요한 단일 설계 결정입니다.

알루미늄 합금

알루미늄은 거의 모든 시장 부문에서 방열판 하우징 응용 분야의 주요 소재입니다. 일반적인 알루미늄 합금의 열전도율은 다음 사이에 속합니다. 130 및 210W/m·K 합금 및 성질에 따라 다름 - 순수 알루미늄(237 W/m·K)보다 훨씬 낮지만 강철, 아연 또는 엔지니어링 플라스틱보다 훨씬 우수합니다. 가장 자주 지정되는 두 가지 합금은 다음과 같습니다.

• 6063-T5 — 약 200W/m·K의 열전도율과 탁월한 표면 마감 성능을 갖춘 방열판 프로파일용 표준 압출 합금입니다. 6061에 비해 실리콘 함량이 낮기 때문에 얇은 핀이 있는 복잡한 압출 단면에 더 적합합니다. LED 및 전력 전자 장치용 압출 방열판 하우징의 대부분은 6063 또는 이와 동등한 합금(예: 유럽의 EN AW-6063)을 사용합니다.
• ADC12 / A380 — 약 90-100 W/m·K의 열전도율을 갖는 고실리콘 다이캐스팅 합금. 6063에 비해 전도성이 낮다는 것은 다이캐스팅이 가능하게 하는 복잡한 3차원 형상(통합 장착 보스, 케이블 입구 기능 및 압출에서 생성할 수 없는 언더컷 핀)에 대한 절충안입니다. 다이캐스트 알루미늄 방열판 하우징은 자동차 전자 장치, 산업용 모터 제어 장치 및 높은 IP 등급 인클로저의 표준입니다.

구리

구리 offers thermal conductivity of approximately 385~400W/m·K — 알루미늄의 약 두 배 — 밀도는 세 배이고 재료 비용은 상당히 높습니다. 전체 구리 방열판 하우징은 무게와 비용으로 인해 드물지만 알루미늄 하우징에 내장된 구리 인서트, 증기 챔버 또는 히트 파이프는 특정 구성 요소의 열 부하가 전체 알루미늄 설계가 접합 온도 제한을 초과하지 않고 처리할 수 있는 수준을 초과하는 응용 분야에 대해 잘 확립된 하이브리드 접근 방식입니다.

열 전도성 폴리머

열전도성 고분자 화합물(일반적으로 질화붕소, 질화알루미늄 또는 탄소 섬유로 채워진 나일론, PPS 또는 LCP)은 다음 범위의 열전도율을 달성합니다. 1~20W/m·K 이는 알루미늄보다 훨씬 낮지만 표준 엔지니어링 플라스틱(0.1-0.3 W/m·K)보다 훨씬 높습니다. 이들의 경쟁 우위는 하우징 표면의 전기적 절연, 알루미늄이 달성할 수 있는 것 이상의 중량 감소, 사출 성형의 설계 자유가 필요한 응용 분야에 있습니다. LED 다운라이트 및 가전제품 전원 공급 장치는 열 전도성 폴리머 하우징의 가장 일반적인 적용 분야를 나타냅니다.

제조 방법 및 열적 영향

방열판 하우징을 생산하는 데 사용되는 제조 공정은 비용 및 형상 옵션뿐만 아니라 달성 가능한 핀 밀도, 최소 벽 두께 및 부품을 통한 열전도율의 이방성을 결정합니다.

압출

알루미늄 압출은 전도성이 높은 6063 시리즈 합금을 사용하고 조밀하고 균일한 핀이 있는 연속 단면을 생성하기 때문에 방열판 하우징의 열적으로 가장 효율적인 제조 경로입니다. 압출 프로파일은 길이에 맞게 절단되고 장착 기능 및 케이블 진입점을 위해 가공됩니다. 제약 조건은 단면이 압출 축을 따라 균일해야 한다는 것입니다. Z 방향의 변형이 필요한 기능은 보조 가공을 통해 추가해야 합니다. 외부에 핀이 있는 직사각형 또는 원통형 인클로저와 같이 기본적으로 각기둥형 하우징의 경우 압출은 열적 측면과 비용 측면 모두에서 거의 항상 최적의 공정입니다.

다이 캐스팅

ADC12 또는 A380 합금을 사용한 압력 다이캐스팅은 압출로는 얻을 수 없는 3차원 하우징 형상을 생성하며, 높은 치수 반복성과 연속 생산을 위한 최소한의 2차 가공을 제공합니다. 고실리콘 주조 합금의 열전도율 저하(~96W/m·K 대 6063의 경우 ~200W/m·K)는 핀 표면적을 늘리거나 정상 상태에서 더 높은 작동 온도를 수용하여 보상해야 합니다. 하우징 형상이 열적 최적화보다는 기계적 또는 IP 등급 요구 사항에 따라 결정되는 응용 분야의 경우 일반적으로 다이캐스팅이 적절한 프로세스입니다. 다이캐스팅의 최소 벽 두께는 알루미늄의 경우 약 1.5~2.0mm입니다. 핀 종횡비는 구배 각도 문제 없이 약 5:1로 제한됩니다.

CNC 가공

빌렛 6061-T6 또는 6063-T5의 가공 방열판 하우징은 가장 높은 기하학적 자유도를 제공하고 압출과 동일한 고전도성 합금을 사용합니다. 이는 프로토타입, 소량 생산 및 결합 표면에 매우 엄격한 치수 공차가 필요한 응용 분야에 대한 표준 접근 방식입니다. 대량 생산 단가는 압출이나 다이캐스팅보다 훨씬 높지만 기계 가공을 통해 스카이브 핀 및 밀링 핀 배열을 포함한 핀 형상을 허용하여 압출이나 캐스팅이 생산할 수 있는 것 이상의 핀 밀도와 종횡비를 달성합니다. 특히 스카이브 핀 가공은 40:1 이상의 종횡비로 0.2mm만큼 얇은 핀을 생산할 수 있어 자연 대류 냉각의 이론적인 한계에 접근하는 표면적 밀도를 달성합니다.

제조 공정 비교

방열판 하우징의 열 설계 원리

효과적인 방열판 하우징 설계에는 핀 표면적을 최대화하는 것뿐만 아니라 접합부에서 주변까지 전체 열 저항 체인을 관리해야 합니다. 체인의 각 단계는 저항에 기여하며 가장 약한 링크는 다른 단계가 얼마나 잘 최적화되었는지에 관계없이 달성 가능한 접합 온도에 대한 제한을 설정합니다.

열 저항 체인

방열판 하우징 내부에 장착된 구성 요소의 경우 열 경로는 접합 → 구성 요소 패키지 → 열 인터페이스 재료(TIM) → 하우징 베이스 → 하우징 핀 → 주변 공기로 진행됩니다. 총 접합부-주변 열 저항(θ _자 )는 이 체인의 모든 저항의 합입니다. 잘 설계된 방열판 하우징에서 지배적인 저항은 일반적으로 알루미늄과 공기 사이의 경계면인 핀 표면의 대류 저항입니다. 증가된 핀 표면적, 최적화된 핀 간격 또는 강제 대류를 통해 저항을 줄이면 접합 온도가 가장 크게 향상됩니다.

부품과 하우징 베이스 사이의 열 인터페이스 재료는 흔히 과소평가되는 저항원입니다. 표준 상변화 TIM 패드의 열전도도는 약 3~6W/m·K입니다. 프리미엄 흑연 시트는 10-15 W/m·K에 도달합니다. 열 그리스를 잘 도포하면 충분한 클램핑 압력에서 8~12W/m·K를 달성할 수 있습니다. 열악한 TIM을 사용하면서 고전도성 하우징 재료를 지정하는 것은 하우징 형상이 관련되기 전에 접합부-케이스 단계에서 성능을 제한하는 일반적인 설계 오류입니다.

자연 대류 대 강제 대류 핀 형상

방열판 하우징 핀 형상은 설치 환경의 공기 흐름 방식과 일치해야 합니다. 팬이 없는 부력에 의한 공기 흐름인 자연 대류는 밀폐형 또는 IP 등급 인클로저의 기본 가정입니다. 자연 대류에서 최적의 핀 간격은 일반적으로 다음과 같습니다. 6~12mm 수직 핀의 경우; 간격이 좁을수록 인접한 핀의 경계층이 병합됨에 따라 핀 채널을 통한 공기 흐름이 증가하기보다는 감소하는 굴뚝 효과가 생성됩니다. 자연 대류 하에서 핀 높이는 동일한 효과로 제한됩니다. 즉, 약 50~75mm보다 큰 핀은 채널을 통해 공기 온도가 상승함에 따라 수익이 감소하기 시작합니다.

강제 대류(팬 냉각식 엔클로저)가 있는 하우징의 경우 강제 흐름이 부력과 관계없이 채널을 통해 속도를 유지하기 때문에 핀 간격을 2~4mm로 줄이고 핀 높이를 크게 늘릴 수 있습니다. 플레이트 핀이 아닌 핀 핀 배열은 공기 흐름 방향에 덜 민감하고 입구 공기 각도가 핀 방향과 완벽하게 정렬되지 않을 때 잘 작동하기 때문에 강제 대류 방열판 하우징에 종종 지정됩니다.

표면 마감 및 방사율

복사는 자연 대류 환경, 특히 고온에서 방열판 하우징의 열 방출에 크게 기여합니다. 가공된 알루미늄 표면의 방사율은 약 0.05~0.10으로 사실상 열악한 라디에이터입니다. 하우징 표면을 양극산화 처리하면 방사율이 증가합니다. 0.80~0.90 이는 일반 LED 드라이버 전력 수준에서 순수 알루미늄 마감에 비해 정상 상태 작동 온도를 5~15°C 낮출 수 있습니다. 블랙 아노다이징은 아노다이징 제품군 내에서 가장 높은 방사율을 제공합니다. 투명 아노다이징 처리는 시각적 영향을 줄이면서 순수 알루미늄에 비해 약간의 개선을 제공합니다. 또한 분말 코팅은 높은 방사율(0.85~0.95)을 제공하고 실외 등급 하우징의 내식성을 추가적으로 향상시킵니다.

IP 등급, 밀봉 및 열 성능 균형

밀봉된 방열판 하우징(IP54, IP65, IP67 이상 등급)은 기본적인 열 설계 장력을 제공합니다. 먼지와 습기로부터 전자 장치를 보호하는 밀봉 요구 사항은 내부 구성 요소의 대류 냉각을 위해 공기가 인클로저에 유입되는 것을 방지합니다. 밀봉된 하우징 내부에서 발생하는 모든 열은 하우징 벽을 통해 전도되어 외부 표면에서 소산되어야 합니다. 이는 열 설계 문제를 내부 공기 흐름 관리에서 하우징 벽의 전도성 저항을 최소화하고 외부 대류 및 복사 표면을 최대화하는 것으로 전환합니다.

밀봉된 방열판 하우징의 경우, 하우징 베이스에 부품을 직접 열 접착 — 하우징 내부의 스탠드오프에 안착되는 PCB에 부품을 장착하는 대신 — 전도 경로의 열 인터페이스 수를 대폭 줄입니다. LED 모듈, MOSFET 및 기타 고방산 구성 요소는 TIM 및 클램핑 나사를 사용하여 하우징 베이스 내부의 가공된 패드에 직접 장착되는 경우가 많으며, 접합부에서 패키지를 거쳐 TIM을 거쳐 하우징 벽으로 그리고 외부 핀까지 짧은 전도 경로를 설정합니다.

개스킷 재료 선택은 인터페이스의 밀봉 신뢰성과 열 성능 모두에 영향을 미칩니다. 실리콘 개스킷은 실외 전자 장치의 일반적인 온도 범위(-40°C ~ 85°C)에서 압축 영구 변형 특성을 유지하며 높은 온도에서도 가스를 배출하지 않습니다. 압축된 섬유 또는 폼 개스킷은 비용이 저렴하지만 시간이 지남에 따라 더 큰 압축 이완을 나타내므로 열 순환에 영향을 받는 설치에서 IP 등급 무결성이 저하될 수 있습니다. 실외 환경의 방열판 하우징의 경우 쇼어 A 경도가 40~60인 실리콘 개스킷이 표준 사양을 나타냅니다.