선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 특정 환경조건에서 소자 수준의 열해석 모델을 구성하여 열해석 모델의 신뢰성을 개선하여, 신호처리부의 방열설계를 하였다. 또한 열해석과 동일 환경조건에서 신호처리부가 운용 시 시간에 따른 각 소자 표면의 온도를 획득하여 해석결과와 비교하여 해석의 신뢰성 검증 및 신호처리부의 열적 신뢰성을 검증하고자 한다.
- 본 논문에서는 특정 환경조건에서 소자 수준의 열해석 모델을 구성하여 열해석 모델의 신뢰성을 개선하여, 신호처리부의 방열설계를 하였다. 또한 열해석과 동일 환경조건에서 신호처리부가 운용 시 시간에 따른 각 소자 표면의 온도를 획득하여 해석결과와 비교하여 해석의 신뢰성 검증 및 신호처리부의 열적 신뢰성을 검증하고자 한다.
- 본 연구에서는 고온조건 및 ESS 시험 조건하에 신호처리부의 열적 안전성을 확보하기 위하여 해석을 통한 방열설계와 온도실험을 수행하였으며, 해석결과 및 실험결과를 비교 분석하여 소자 수준의 해석모델의 정확도와 신호처리부의 열적 안정성을 검증하였다.
제안 방법
- (1) 해석을 통한 분석결과 신호처리부의 열적 안전성을 확보하기 위해서 발열원의 상부 및 하부에 효율적인 방열을 위한 방열블록을 적용하였으며, 방열블록을 통해 소자에서 발생한 열부하를 최소화시켜 주요 소자들의 최고점 온도 및 표면온도가 방열블록 유무에 따라 12.7℃ 이상의 온도차를 가지고 낮게 형성될 수 있도록 설계하였다.
- DSP 소자 및 FPGA 소자등과 같이 상부 방열 구조를 가지면서 온도 마진이 적은 소자의 경우, 방열블록을 상부에 적용하여 소자의 최고점 온도(junction temperature)를 낮출 수 있도록 설계하였고, Regulator 소자와 같이 하부 방열구조를 가지는 소자의 경우, 방열블록을 상부 및 하부에 적용하여 소자의 최고점 온도를 낮출 수 있도록 한다.
- 고온실험과 같이 챔버온도를 55℃로 안정화 시간을 가진 후 온도기록계를 각각의 발열 소자가 55℃로 안정화 되었는지 확인한다.
- 고온운용 조건인 71℃, 60s에서 신호처리부 해석결과 온도 마진으로 확보하고 있으므로 신호처리부의 최대 운용시간을 예측하기 위하여 300s까지의 온도 분포를 확인하였다.
- 고온조건에서 열적 신뢰성을 만족하는 신호처리부 해석 모델이 ESS(Environmental Stress Screening) 시험조건에서도 만족하는지 해석을 통하여 검증 하였다.
- 다수의 발열소자를 포함하는 회로모듈에 대한 효율적인 방열을 위하여 금속 하우징 덮개에 방열블록을 적용하여 소자의 열을 직접 상부 덮개로 방출할 수 있도록 하였다. 상부 덮개의 방열회로 구성은 방열블록과 상부덮개 일체형 구조와 방열블록과 상부덮개 분리형 구조의 열전달 특성을 비교 검토하였으며, 소자와 방열블록 사이의 열저항을 최소화 할 수 있는 분리형 구조에서 방열성능이 향상되는 것을 확인하였다[1].
- 소자수준의 해석모델은 복잡한 형상으로 인하여 최적 격자 생성을 위한 모델 단순화 작업이 필요하다. 모델 단순화 작업 시 Fig. 5와 같이 방열 특성에 지배적인 영향을 줄 수 있는 열용량을 고려하여 실물과 동일한 체적을 유지 할 수 있도록 하우징 및 PCB의 형상을 단순화 하였다.
- 방열구조가 없는 신호처리부의 고온환경 해석결과를 통하여 방열설계 개선점을 도출하였다.
- 본 논문에서는 열해석 도구로 상용 소프트웨어인 Icepak 12.1을 사용하여 천이열해석(transient thermal analysis)을 하였다. 특정 환경에서 짧은 시간동안의 온도변화를 해석을 통해 예측하기 때문에 정확한 해석 모델 구현이 중요하다.
- 상기 기술된 과정을 통해 신호처리부의 열적 안정성을 확보 할 수 있는 방열설계를 하였다.
- 신호처리부의 방열구조는 전도방열에 적합하도록 방열블록과 상부덮개가 일체형으로 설계되어, 실제 유도탄의 운용 조건을 적용하여 장비의 생존을 위해서 반드시 만족해야하는 고온환경시험과 장비의 초기고장을 배제하고, 각 전자 구성품간의 상호작용 시 발생할 수 있는 문제점 및 조립과정에서 발생한 문제점을 사전에 발견하기 위한 초기고장배제시험(Environmental Stress Screening test) 조건을 모두 만족 할 수 있도록 하였다.
- 신호처리부의 온도가 71℃로 안정화되면 신호처리부의 전원과 파형을 입력하여 각 소자들이 동작함에 따른 온도변화를 60초 동안 기록한다. 이때 신호처리부의 열적 안전성을 고려하여 허용온도 마진이 가장 적은 DSP 소자의 표면온도를 온도기록계로 측정하여 실시간으로 확인할 수 있도록 하며, 측정온도가 60초 운용시간 동안 동작 허용온도 이상 올라가는지 확인한다.
- 신호처리부의 온도가 안정화되면 10분 동안 동작시켜 각 소자의 온도 변화를 온도센서를 통해 측정한다. 이때 신호처리부의 열적 안전성을 고려하여 허용온도 마진이 적은 DSP 소자의 표면온도를 온도기록계로 측정하여 실시간으로 확인하고, 측정온도가 10분 후 동작 허용온도 이상 올라가는지 확인한다.
- 10은 시스템 내부 열전대 배치 및 조립 후의 단면에서 열전대의 위치를 보여준다. 이미지에서 각 발열소자들의 온도를 측정할 수 있도록 소자상단 중심에 열전대를 위치 시켰으며, 조립 시 하우징 방열블록면의 열전도성패드(thermal pad)와 발열소자 사이에 열전대 비드가 위치하도록 하였다. 두께가 0.
- 주요 소자에 온도센서가 설치된 신호처리부를 Fig. 9와 같이 항온항습챔버 내부에 위치시키고 챔버 외부의 온도기록계(Data Logger)와 연결하여 PC를 통해 온도변화를 확인 할 수 있도록 하였고, 신호처리부에 최대 운용 파형을 입력해서 각 소자들이 최대 발열량을 가지도록 하였다.
- 챔버온도를 71℃로 유지하고 신호처리부의 내부 측정 소자의 온도가 71℃로 유지 될 수 있도록 안정화 시간을 가진 후 온도기록계를 이용하여 확인한다. 신호처리부의 온도가 71℃로 안정화되면 신호처리부의 전원과 파형을 입력하여 각 소자들이 동작함에 따른 온도변화를 60초 동안 기록한다.
- 특정 환경에서 짧은 시간동안의 온도변화를 해석을 통해 예측하기 때문에 정확한 해석 모델 구현이 중요하다. 해석 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 각 소자의 특성을 반영한 소자 수준의 해석 모델 구현이 필요하며, 이는 해석 S/W에서 제공하는 Macro(IC Packages)를 적용하여 소자 내부의 열전도 특성이 잘 나타날 수 있도록 하였다.
- 해석을 통한 방열설계를 신호처리부 제작에 반영하고, 제작 된 신호처리부가 해석 결과와 같이 열적 안전성을 확보하는지 확인하기 위하여 고온환경 조건 및 ESS 시험 조건에서 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 검토한 신호처리부 조립체는 Fig. 1과 같이 A, B 및 C의 PCB와 하우징 조립체로 구성되며, PCB에 위치하는 주요 발열소자들은 하우징의 방열블록과 접하도록 되어 있다.
이론/모형
- 각 발열소자의 온도측정을 위해 비접촉식 온도 측정 방법을 적용할 경우 발열소자를 포함한 A, B 및 C 보드가 방열블록을 포함한 하우징 내부에 위치하기 때문에 측정이 어렵다. 따라서 대표적인 접촉식 온도 측정 방법인 열전대(thermo-couple)를 사용하였다[4]
성능/효과
- (2) 실험값과 해석값을 비교한 결과 각각의 측정값이 최대 1.3℃ 온도차를 보이는 것을 확인하여 상세 방열 설계모델의 신뢰성을 검증하였으며, 또한 가장 열적으로 취약한 A보드의 DSP소자는 71℃ 고온조건에서 60초 동안 운용 시 약 76℃ 이하의 온도값을 보이며, 허용온도 85℃ 대비 10% 이상의 온도마진을 확보하였다.
- 13과 같다. 600초 운용 시에도 각소자의 온도가 허용온도 내에서 유지되어 열적으로 안정하다는 것을 실험을 통하여 검증하였다.
- 3℃ 이하로 형성되는 것을 알 수 있다. 본 실험을 통하여 시간에 따른 소자의 온도특성이 해석의 측정값과 상당부분 일치하는 것을 알 수 있으며, 해석모델에 대한 신뢰성을 검증 할 수 있다.
- 다수의 발열소자를 포함하는 회로모듈에 대한 효율적인 방열을 위하여 금속 하우징 덮개에 방열블록을 적용하여 소자의 열을 직접 상부 덮개로 방출할 수 있도록 하였다. 상부 덮개의 방열회로 구성은 방열블록과 상부덮개 일체형 구조와 방열블록과 상부덮개 분리형 구조의 열전달 특성을 비교 검토하였으며, 소자와 방열블록 사이의 열저항을 최소화 할 수 있는 분리형 구조에서 방열성능이 향상되는 것을 확인하였다[1].
- 8[W/mK]이며, 값에 대한 신뢰성 검증을 위하여 식(2)에 조건을 대입하여 얻어진 열전도도 값과 비교하였다. 수식을 계산해 얻어진 값은 26.0[W/mK]으로 해석 S/W의 값과 7% 이내의 오차범위에 있는 것을 확인 할 수 있었다.
- 12와 같다. 신호처리부 60초 운용시간 동안 각 소자들은 동작허용온도 범위 내에서 온도상승이 이루어지며, 60초 운용 시에도 열적으로 안전하다는 것을 알 수 있다.
- A, B 및 C 보드에 다수의 동일 소자가 적용 된 경우, 가장 온도 상승이 큰 소자에 대해서 Table 3에 나타내었다. 신호처리부 운용 시 주요 소자들의 온도가 상승하게 되어 A보드를 구성하고 있는 FPGA, DSP, ADC 및 Regulator 소자들에서 동작 허용온도 대비 획득 온도의 마진이 상대적으로 작으며, 신호처리부에서 연산을 하는 DSP 소자의 경우 허용온도인 표면온도 85℃를 초과 상승하는 것을 알 수 있다.
- Table 7에서 시간에 따른 부품별 허용온도 기준이 되는 위치의 온도를 보여주고 있다. 해석결과 고온조건에서 300s까지 운용할 경우 DSP소자에서 허용온도 범위를 넘는 온도를 형성하는 것을 알 수 있다. 따라서 고온조건에서 최대 5분을 넘기지 않도록 운용시간을 정해야 한다.
- 측정온도는 실험결과보다 해석결과에서 높게 형성되었으며, 이는 제품의 열적 안전성을 고려하여 보수적인 해석모델을 구성하였기 때문이다. 해석결과 및 실험결과에서 시간에 따른 DSP 소자 온도 특성을 비교해 보면 해석결과에서 초기 온도상승이 상대적으로 크게 이루어져서 30초까지는 해석과 실험의 온도값 차이가 점차 증가되는 현상을 보이지만 이후 온도상승률이 거의 같아지면서 대략 2.0℃의 온도차를 유지함을 알 수 있다. 또한 초기 온도 차가 0.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.