[논문]대용량 알루미늄 브레이징 히트싱크 개발에 관한 연구

이영림; 황순호; 전의식

doi:10.5762/kais.2009.10.7.1459

대용량 알루미늄 브레이징 히트싱크 개발에 관한 연구
A Study on Development of Large-capacity Aluminum Heat Sinks Brazed with a Batch Furnace 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.7, 2009년, pp.1459 - 1464

이영림 (공주대학교 기계자동차공학부) , 황순호 (공주대학교 기계자동차공학부) , 전의식 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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최근들어 고전력 및 고성능 전자제품 시장이 확대됨에 따라 대용량 알루미늄 히트싱크의 수요가 급증하고 있다. 이를 위해 고효율의 브레이징 히트싱크가 선호되고 있지만, 기존의 대기 연속로에서는 불충분한 가열과 모재금속의 서로 다른 두께 때문에 생산이 사실상 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 브레이징 히트싱크 개발을 위하여 새로운 인덱스 배치로 및 브레이징 공정을 최적화하였다. 또한, 개발된 브레이징 히트싱크에 대하여 용착효율 및 인장응력 실험도 수행하였다. 끝으로 브레이징 히트싱크와 실리콘 히트싱크의 열저항에 대한 실험을 통하여 수치해석 결과와 비교 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently demand for large-capacity aluminum heat sinks has been increased as market for high power electricity expands and high-performance electronic products develop. While the brazed heat sinks are in particular preferred, it is almost impossible to manufacture them with an atmospheric continuous furnace due to insufficient heating rate and various thickness of the parent metals. Therefore, a new index batch furnace is developed and the process variables are optimized. Then, brazing efficiency and tensile stress are obtained for brazed parts of the heat sinks. Finally experiment as well as numerical analysis has been performed to compare thermal efficiency of the brazed heat sinks with that of the silicone-bonded heat sinks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 생산된 대용량 알루미늄 브레이징 히트싱크의 접합부 용착 효율 및 인장 강도를 평가하고 실리콘 본딩 히트 싱크와의 비교를 통해 알루미늄 히트싱크의 열성능을 평가하고자 한다. 끝으로 본딩 히트싱크와 브레이징 히트싱크의 접촉저항을 알아보기 위하여 수치해석을 수행하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 대형 브레이징 히트싱크 생산을 위한 배치로를 개발하고 공정 변수 최적화를 이룩하고자 한다. 또한, 생산된 대용량 알루미늄 브레이징 히트싱크의 접합부 용착 효율 및 인장 강도를 평가하고 실리콘 본딩 히트 싱크와의 비교를 통해 알루미늄 히트싱크의 열성능을 평가하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 대형 브레이징 히트싱크 생산을 위한 배치로를 개발하고 공정 변수 최적화를 이룩하고자 한다. 또한, 생산된 대용량 알루미늄 브레이징 히트싱크의 접합부 용착 효율 및 인장 강도를 평가하고 실리콘 본딩 히트 싱크와의 비교를 통해 알루미늄 히트싱크의 열성능을 평가하고자 한다. 끝으로 본딩 히트싱크와 브레이징 히트싱크의 접촉저항을 알아보기 위하여 수치해석을 수행하고자 한다.
본 연구에서는 대용량 알루미늄 히트싱크 브레이징을 위한 배치로 개발 및 공정 변수 최적화를 통하여 대용량 알루미늄 히트싱크를 개발하고 히트싱크의 성능을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

온도 경계 조건은 가열 부분을 제외한 모든 곳에 대류열전달 조건을 주었다. 열유속은 약 3.8 kW/m²을 가정하였고 대류 열전달계수는 평판 유동을 가정하여 다음과 같이 속도에 따른 Nu수를 구하여 사용하였다.
6 mm의 두께 및 470 mm의 길이를 가지고 있다. 온도는 정상 상태(steady state)로 가정하여 해석하였고 주변 온도는 25℃이다. 온도 경계 조건은 가열 부분을 제외한 모든 곳에 대류열전달 조건을 주었다.

제안 방법

1) 배치로의 온도 곡선을 단순화된 2단계로 최적화하여 브레이징 시간을 투입에서 출고까지 약 1시간 이내로 단축하였다. 이것은 기존 대기 연속로에서는 불가능한 것으로 생산성 향상에 획기적으로 기여하였다.
열전 대는 K 타입을 사용하여 히트싱크의 베이스와 핀의 높이에 따라 부착하여 온도 변화를 측정하였다. 강제 대류인 경우를 고려하였으며 팬(fan)을 이용하여 공기 속도를 조절하며 브레이징형 및 실리콘 본딩(silicone bonding)형 히트싱크의 온도 변화를 각각 측정하였다.
광학 현미경을 사용하여 브레이징한 부분의 접합 분석과 필릿(fillet) 형상을 관찰하였다. 또한, 용착효율을 구하기 위해서 브레이징된 시료를 5등분하여 절단하고 핀의 접합 면적을 조합하여 구하였다.
다음으로 히트싱크 수치해석을 통하여 브레이징형 대비 본드형 히트싱크의 접촉 부분에서 추가되는 열저항을 실험 결과와의 비교를 통하여 유추하여 보았다. 히트싱크 베이스 평균온도를 기준으로 하여 얻어진 실리콘 본딩형의 추가 열저항은 고려되어진 공기 속도에서 전체 열저항의 약 8 % 내외에 해당되어 실험 결과와 일치하고 있다.
대용량 브레이징 히트싱크의 생산성을 향상하기 위하여 배치로의 공정 변수 중 가장 중요한 가열 공정의 온도 최적화 실험을 수행하였다.
광학 현미경을 사용하여 브레이징한 부분의 접합 분석과 필릿(fillet) 형상을 관찰하였다. 또한, 용착효율을 구하기 위해서 브레이징된 시료를 5등분하여 절단하고 핀의 접합 면적을 조합하여 구하였다.
베이스 금속의 바닥면에 열을 가하여 대용량 히트싱크의 방열 성능을 측정하였으며, 브레이징 타입과 본드 타입의 열저항을 비교하였다. 수치 해석을 위하여 상용화 프로그램인 Fluent[8]를 이용하였다.
본 연구에서 개발된 대용량 브레이징 히트싱크의 방열 성능을 실리콘 본딩형 히트싱크와 강제대류인 경우에 비교하였다. 같은 열량을 가하였을 때 핀 베이스 평균온도가 1.
가변 전압 조절기를 통해 방열량을 조절하였는데 45V의 전압을 니크롬선에 가하였다. 열전 대는 K 타입을 사용하여 히트싱크의 베이스와 핀의 높이에 따라 부착하여 온도 변화를 측정하였다. 강제 대류인 경우를 고려하였으며 팬(fan)을 이용하여 공기 속도를 조절하며 브레이징형 및 실리콘 본딩(silicone bonding)형 히트싱크의 온도 변화를 각각 측정하였다.
용착이 얼마나 효율적으로 일어났는지를 알아보기 위하여 표 1에 접착 불량률 검사 결과를 나타내었다. 20 개의 시료 중에 1 개만이 90～95 %의 접착률이었고 나머지는 모두 95 %이상의 접착률을 보여주고 있어 전체적으로 불량률이 5 % 미만으로 매우 양호함을 알 수 있었다.
접합부의 인장강도를 알아보기 위하여 배치로를 사용하여 두 개의 시편을 L*W*H 기준으로 120×19.9×0.9mm 와 120×19.9 ×1.9 mm를 가공한 후 인장시험기를 사용하여 인장시험을 진행하였다.
한 시간 이내에 가열, 브레이징 및 냉각까지 마칠 수 있도록 하기 위하여 다음과 같은 승온 곡선을 구상하였고 실제 열전대를 사용하여 온도 측정 및 접합부 브레이징 검사를 통하여 최적화된 승온곡선을 도출하였다. 그림 3은 1시간 이내에 대용량 브레이징 히트싱크를 생산하기 위하여 구상한 기본 온도 곡선을 보여 준다.

대상 데이터

대용량 히트싱크에 일정한 열유속을 가하기 위하여 니크롬선을 사용하였다. 가변 전압 조절기를 통해 방열량을 조절하였는데 45V의 전압을 니크롬선에 가하였다.

이론/모형

베이스 금속의 바닥면에 열을 가하여 대용량 히트싱크의 방열 성능을 측정하였으며, 브레이징 타입과 본드 타입의 열저항을 비교하였다. 수치 해석을 위하여 상용화 프로그램인 Fluent[8]를 이용하였다.

성능/효과

2) 브레이징 접합부는 어떠한 미세 홀이나 크랙도 관찰되지 않았고 필릿 형상도 양호한 것으로 나타났으며 접착 불량률은 5% 미만으로 판명되었다. 인장 시험에서도 파단이 접합부가 아닌 모재에서 발생하여 브레이징의 양호함을 알 수 있다.
용착이 얼마나 효율적으로 일어났는지를 알아보기 위하여 표 1에 접착 불량률 검사 결과를 나타내었다. 20 개의 시료 중에 1 개만이 90～95 %의 접착률이었고 나머지는 모두 95 %이상의 접착률을 보여주고 있어 전체적으로 불량률이 5 % 미만으로 매우 양호함을 알 수 있었다.
3) 브레이징 알루미늄 히트싱크는 실리콘 본딩 알루미늄 대비 접촉 열저항을 제거하여 상대적으로 우수한 방열 성능을 보여 주고 있음이 검증되었다.
그림 5는 히트싱크 더미(dummy)에 부착된 두 곳의 열전대를 통해 최적화된 온도곡선을 보여 주고 있다. 가열 및 냉각의 2단계로만 이루어져 약 1시간이내에 예열, 브레이징 및 냉각까지 마칠 수 있었고 실제 브레이징이 발생하는 구간은 부착된 열전대 온도 기준 약 580～610℃ 사이로 확인되었다. 초기 온도 곡선에서는 브레이징이 35분 근처에서 발생하도록 하였으나 가열 구간이 너무 급격하여 실제 브레이징 곡선에서는 브레이징이 45분 근처에서 발생하도록 조절하였다.
본 연구에서 개발된 대용량 브레이징 히트싱크의 방열 성능을 실리콘 본딩형 히트싱크와 강제대류인 경우에 비교하였다. 같은 열량을 가하였을 때 핀 베이스 평균온도가 1.1 m/s 기준 주변온도 대비 브레이징형과 본드형 각각 17.2, 18.7℃로 브레이징형이 상대적으로 효율적으로 열을 방출하고 있음을 알 수 있다.
결론적으로, 본 연구에서 개발된 배치로를 활용하여 대용량 브레이징 히트싱크 대량 양산 체제를 확립하였고 성능 검증을 통하여 대용량 히트싱크가 필요한 대전력 분야의 고효율 히트싱크로 사용될 수 있음을 보였다. 하지만 히트싱크의 설계와 선택은 성능뿐만 아니라 가격에 의해서도 결정되므로 신중한 접근이 필요하다.
그림 9에 공기 속도에 따른 브레이징형과 본드형 히트싱크의 열저항을 나타내었다. 대용량 히트싱크이어서 CPU 쿨러 등 기존 히트싱크 대비 열저항 값은 매우 작았으며 브레이징형의 열저항이 본드형 대비 약 8 % 정도 작음을 알 수 있다.
광학 현미경을 이용하여 접합부를 관찰한 결과를 그림 6에 나타내었다. 접합부에는 어떠한 미세 홀이나 크랙(crack)도 관찰되지 않아 브레이징이 성공적으로 수행된것을 알 수 있었고 필릿 형상 역시 매우 양호함을 확인할 수 있었다.
그림 7과 같은 두 개의 시험편을 사용하여 인장시험을 수행한 결과를 표 2에 나타내었다. 파단강도는 평균 13.1 kgf/㎟로 양호한 인장강도를 얻을 수 있었다. 파단위치는 그림 7에서 나타난 바와 같이, 전 시편에 걸쳐 브레이징 접합부가 아닌 알루미늄 모재에서 파단이 이루어졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 연속로에서 대형 히트싱크의 접합은 어떤 어려움을 갖는가?	5 mm 이하의 박판 튜브와 박판 방열 핀을 접합하는 용도로 사용하는데 이를 이용하여 대용량 히트싱크를 제작하는 데는 여러 가지 어려움이 따른다. 먼저, 대기 연속로에서는 대형 히트싱크의 접합에 충분한 열량 확보가 어렵고 베이스 판과 방열핀의 두께 차로 인한 소요열량 분배에 어려움을 가지고 있다. 일부 저중량 히트싱크는 외부 히터를 통한 예열, 연속로 승온 및 구동속도 저하 등을 통하여 생산하고 있으나 생산성 및 품질 확보가 힘들다.
	Nocolok 브레이징이란?	한편, Nocolok 브레이징은 플럭스 용액을 접합부분 전면에 도포하여 질소 가스를 충전한 불활성 분위기에서 가열하여 접합하는 방법이다. 그림 1에 전형적인 클래드 (Clad) 금속과 플럭스 및 베이스 금속이 브레이징되는 공법을 나타내었다.
	대용량 알루미늄 히트싱크 브레이징을 위한 배치로 개발 및 공정 변수 최적화를 통하여 대용량 알루미늄 히트싱크를 개발하고 히트싱크의 성능을 분석한 결과는 어떠한가?	1) 배치로의 온도 곡선을 단순화된 2단계로 최적화하여 브레이징 시간을 투입에서 출고까지 약 1시간 이내로 단축하였다. 이것은 기존 대기 연속로에서는 불가능한 것으로 생산성 향상에 획기적으로 기여하였다. 2) 브레이징 접합부는 어떠한 미세 홀이나 크랙도 관찰되지 않았고 필릿 형상도 양호한 것으로 나타났으며 접착 불량률은 5% 미만으로 판명되었다. 인장 시험에서도 파단이 접합부가 아닌 모재에서 발생하여 브레이징의 양호함을 알 수 있다. 3) 브레이징 알루미늄 히트싱크는 실리콘 본딩 알루미늄 대비 접촉 열저항을 제거하여 상대적으로 우수한 방열 성능을 보여 주고 있음이 검증되었다.

참고문헌 (8)

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B. M. Lim, S. H. Hong, J. I. Jeong, J. H. Choi and W. S. Chung, "Effect of Corrosion Products of Hot-Dip Al-Cr Steel Sheet on the Corrosion Resistance in Salt Corrosive Environment", J. Kor. Inst. Met. & Mater. Vol. 41, No. 10, 2003.

상세보기
C. N. Kim, S. I. Moon, "A Numerical Study on the Heat Transfer of Extruded Heat Sink", The Journal of Materials Science and Technology. Vol. 11, pp. 27-32, 1998.
J. H. Kim, J. H. Yun, C. S. Lee, "An Experimental Study on the Thermal Resistance Characteristics for Various Types of Heat Sinks", International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, v.14 n.8, pp. 676-682, 2002.
Frank P. Incropera and David P. DeWitt, "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 4th Edition, Wiley, New York, 1996
Fluent, Version 6.1, fluent, Inc., Lebanon, NH 2005

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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