컴퓨터 호스트나 백색 가전제품과 같은 특정 전자 기기를 분해할 때 내부 구조에는 항상 금속 블록이 있습니다. 이 금속 블록은 방열판으로, 전자 기기의 전반적인 열 방출에 가장 중요한 부품 중 하나입니다. 방열판이 없으면 축적된 열이 방출되거나 외부 환경과 교환될 수 없습니다.
방열판이란 무엇입니까?
히트싱크는 장비의 작동 열을 방출하여 정상적인 기능을 유지하도록 설계된 장치로, 주로 컴퓨터 CPU 및 GPU(그래픽 카드)와 같은 핵심 부품에 적용됩니다. 냉각 방식에 따라 공랭식, 수랭식, 히트파이프 기술 등 다양한 유형으로 분류됩니다. 주요 소재는 구리와 알루미늄 합금이지만, 그래핀, 열전도성 플라스틱, 세라믹(예: 탄화규소, 질화붕소)과 같은 비금속 소재도 사용됩니다.
열 방출은 열전도, 대류 및 복사의 시너지 효과를 통해 이루어집니다. 제조 공정에는 알루미늄 압출 및 구리-알루미늄 접합과 같은 기술이 포함됩니다. 핀의 설계 및 성형은 열 방출 효율에 직접적인 영향을 미칩니다.
방열판 유형
방열판은 재질과 구조적 형상의 차이로 인해 다양한 종류가 있습니다. 아래에서는 몇 가지 일반적인 방열판 유형을 소개합니다.
접힌 핀 방열판
폴디드 핀은 점진적 스탬핑 방식으로 제작됩니다. 그런 다음 열전도성 에폭시, 브레이징, 용접 또는 이와 유사한 금속 접합을 사용하여 핀을 베이스에 접합하여 방열판을 형성합니다. 폴디드 핀 방열판의 장점은 알루미늄과 구리를 통합하여 특정 용도에 맞게 방열판 성능을 맞춤 설정할 수 있다는 것입니다. 열을 넓은 방열판 베이스에 분산해야 하는 경우, 높은 열전도도를 가진 구리를 사용할 수 있으며, 방열판 핀은 무게와 비용이 낮은 알루미늄으로 제작할 수 있습니다.
스키드 핀 방열판
스카이브드 핀 방열판은 단일 블록 소재(구리 또는 알루미늄)를 사용하고, 고정밀 방열판 스카이빙 공정을 갖춘 특수 스카이빙 기계를 사용하여 고밀도, 고길이, 초장형 핀 구조를 절단합니다. 스카이브드 핀 방열판은 기존 방열판의 두께와 종횡비로 인한 한계를 극복하여 고밀도 핀을 가진 방열판을 제작할 수 있습니다. 핀과 베이스는 "모놀리식"(일체형) 구조로 되어 있습니다. 베이스와 핀이 일체형으로 통합되어 있어 추가적인 열 저항이 발생하지 않습니다. 스카이브드 소재의 고순도 특성과 결합하여 스카이브드 핀 방열판의 효율은 납땜 방열판보다 훨씬 높으며, 열전도율은 압출 프로파일과 비슷한 수준에 도달합니다.
스키빙 공정은 최근 매우 인기를 얻고 있는 마이크로채널 액체 냉각판에 적용되어 열교환을 위한 특정 표면적을 늘리고 대류 열전달 효과를 강화하는 목적을 달성합니다.
스키브드 핀 방열판의 제조 공정 흐름은 다음과 같습니다.
- 원자재 준비: 프로파일은 일반적으로 원자재 절감을 극대화하기 위해 방열판 요구 사항에 따라 선택됩니다.
- 금형/성형: 금형은 제품 치수에 따라 제작되므로 금형 하나당 하나 이상의 제품을 생산할 수 있습니다. 작업은 연속적으로 진행되거나 조각별로 진행될 수 있습니다.
- CNC 가공: 원치 않는 부분을 밀링하여 제거하고, 밀봉 링을 위한 홈을 밀링하는 작업 등이 포함됩니다.
- 스키빙 공정: 스키빙 공정은 CNC 스키빙 기계를 사용하여 실행됩니다.
- 호빙(레벨링): 이 작업은 호빙 머신을 사용하여 완료됩니다.
- 2차 가공: 제품 도면을 기반으로 가장자리 핀을 밀링하고, 중앙에 구멍을 뚫고, 여유 공간을 만들고(회피 절단), 플라이 커팅 표면을 가공하고, 나사 구멍을 가공하고, 패스너 기능(버클 시트)을 만드는 등의 작업이 포함됩니다.
- 표면 처리: 양극산화, 전기 도금 등.
알루미늄 압출 방열판
알루미늄 프로파일 방열판은 미려한 외관, 경량성, 탁월한 열 성능 및 우수한 에너지 절약 효과가 특징입니다. 완성된 알루미늄 프로파일 방열판의 표면은 양극 산화 처리되어 알루미늄의 내식성 , 내마모성 및 미관을 향상시킵니다. 알루미늄 압출 방열판은 일반적으로 고출력 열 부품 및 시스템에 사용됩니다. 이 기술은 금형을 통해 복잡한 핀 구조를 구현할 수 있도록 합니다. 이러한 복잡한 핀은 열 방출 표면적을 크게 증가시키는 동시에 알루미늄 블록 가공에 소요되는 비용과 시간을 절감합니다.
접착 핀 방열판
접합 핀 방열판은 일반적으로 얇은 금속 핀 층을 바닥이나 기판에 접합하는 조립 공정을 사용하여 제조됩니다.
접합 핀 방열판을 제조하는 일반적인 공정 흐름은 다음과 같습니다.
- 준비: 일반적으로 알루미늄이나 구리로 만들어진 바닥과 지느러미는 성공적인 접합 과정을 보장하기 위해 주의 깊게 청소됩니다.
- 접착: 에폭시나 열전사 접착제와 같은 접착 재료를 사용하여 핀을 베이스에 부착합니다. 일반적으로 접착 재료를 베이스에 균일하게 도포하고, 핀을 그 위에 올려놓고 단단히 접착되도록 압력을 가합니다.
- 경화: 접착 재료는 일반적으로 가열이나 자외선(UV)을 통해 경화되어 핀과 바닥 사이에 영구적인 결합을 형성합니다.
- 조립: 방열판에 장착 하드웨어나 인터페이스 소재와 같은 추가 구성 요소가 필요한 경우 이 단계에서 구성 요소를 조정합니다.
지퍼 핀 방열판
이 유형의 히트싱크는 알루미늄 핀과 히트파이프를 통합한 구조입니다. 구조 설계에 따라 알루미늄 핀에 구멍을 뚫고, 지정된 치수의 히트파이프를 삽입한 후 접합 및 용접합니다. 이 방식의 장점은 히트파이프의 상변화 효과를 활용하여 히트싱크의 전반적인 열전달 효율을 높이는 것입니다. 또한, 외부 알루미늄 핀은 단위 부피당 열교환 표면적을 크게 증가시켜 공기 대류 열전달을 통해 열을 외부 환경으로 빠르게 방출합니다.
물론, 여기서 다루지 않은 다른 유형의 방열판도 많이 있습니다. 하지만 위에 언급된 일반적인 유형들은 현대 전자 기기에서 가장 많이 사용되는 유형들입니다.
방열판의 응용
방열판은 항공우주, 전력, 야금, 태양광, 철도 운송, 자동차, 통신 기지국과 같은 대규모 분야부터 칩, 서버, 가전제품, 가전제품과 같은 소형 기기에 이르기까지 어디에나 사용됩니다. 전기가 흐르는 곳이라면 어디든 방열판 보강이 필수적입니다.
특히 현재 가장 중요한 AI 컴퓨팅 서버에서 방열판은 매우 중요한 열 부품입니다. 전체 시스템 냉각 측면에서 방열판의 구조적 무결성과 열 성능은 서버 장치의 장기적이고 안정적인 작동을 결정하는 필수 요소입니다.
액체 냉각판은 액체의 대류 열전달 효과를 이용하여 열원에서 열을 더 빠르게 제거하는 히트 싱크의 반복적이고 업그레이드된 형태로 간주됩니다. 히트 싱크 핀의 구조는 널리 사용되는 마이크로 채널 액체 냉각판과 유사하며, 핀 구조가 훨씬 더 정밀합니다. 핀 사이의 간격은 일반적으로 1mm 미만으로, 정밀 가공 기술에 대한 요구 사항이 매우 높습니다.
히트싱크 재료
주요 소재는 구리와 알루미늄 합금이며, 구리는 고급 열 관리 분야에서 주로 사용됩니다. 알루미늄 합금 방열판은 주로 전력 시스템, 태양광 발전, 자동차, 통신 기지국 등 열 요구 조건은 비교적 낮지만 구조적 무결성과 경량화 요구 조건이 높은 대규모 환경 응용 분야에 사용됩니다. 최근에는 그래핀 기반 알루미늄, 다이아몬드/알루미늄 복합재, 다이아몬드/구리 복합재 등 새로운 금속 복합 소재가 등장했습니다.
방열판 제조
현재 주요 제조 방식은 CNC 가공 과 스키빙입니다. 이러한 방식은 중대형 방열판 생산에 있어 생산 효율성과 비용 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 과도한 금형 요구 사항과 매우 높은 툴링 비용으로 인해 고정밀 마이크로 방열판이나 복잡한 구조의 방열판 가공에는 어려움이 있습니다.
마이크로 채널 액체 냉각판과 같이 채널 간격이 1mm 미만이거나 최대 0.1mm에 달하는 초박형 핀 히트싱크의 경우, 금속 3D 프린팅 기술을 사용해야 합니다. 금속 3D 프린팅 기술은 방열에 최적화된 복잡한 구조를 구현할 수 있어 열 성능 측면에서 획기적인 발전을 이룹니다. 예를 들어, 고급 AI 컴퓨팅 가속 카드용 열 솔루션에서 이 기술은 칩 표면에 밀착되는 등각적이고 비표준적인 구조를 제작할 수 있습니다. 이 기술은 열 교환 면적을 늘리고, 유로 설계를 최적화하며, 유체 혼합을 강화함으로써 고효율 방열을 달성하고, 펌프 전력 소비를 줄이며, 국부적인 과열을 효과적으로 방지합니다.
더욱이, 매우 복잡한 구조를 가진 방열판의 경우, 기존 기계 가공 방식은 번거로운 공구 제작과 준비 과정을 필요로 하여 생산 효율을 낮추고 비용을 증가시킵니다. 금속 3D 프린팅 기술은 이러한 문제를 완벽하게 해결하며, 최근 구리 방열판 프린팅 솔루션 분야에서 상당한 발전을 이루었습니다.
