[논문]적층형 디지털송수신모듈의 방열특성 분석

윤기철; 김상운; 허재훈; 곽노진; 김찬홍

doi:10.9766/kimst.2019.22.2.249

적층형 디지털송수신모듈의 방열특성 분석
Analysis on Heat Dissipation Characteristics of a Tile-Type Digital Transmitter/Receiver Module 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.2, 2019년, pp.249 - 254

윤기철 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 김상운 (한화시스템(주) 기계설계팀) , 허재훈 (한화시스템(주) 기계설계팀) , 곽노진 (한화시스템(주) 기계설계팀) , 김찬홍 (국방과학연구소 제3기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

A Digital Transmitter/Receiver Module(DTRM), which is an essential part in active phased-array radar systems, generates a high heat density, and needs to be properly cooled for stable operation. A tile-type DTRM that is a stacking structure of multi-layer components was modeled with simplification and heat dissipation characteristics of the DTRM model were studied using computational fluid dynamics(CFD) simulations. Most of the heat was dissipated by the heat conduction through the cold plate, but the heat transfer by the forced convection on top of the DTRM also was found to play an important role in the thermal management. Under the given conjugated heat transfer environment, the DTRM was confirmed to secure a stable operating temperature range.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The Computational Fluid Dynamics(CFD) simulation model. A) A DTRM on two cold plates, B) A cross section of DTRM
그림 Fig. 2. Components of DTRM in each layer. A) 1^st layer, B) 2^nd layer, C) 3^rd layer, D) 4^th layer
표 Table 1. Heat generation rate of the primary heat sources and the applied thermal pad thickness
그림 Fig. 3. Temperature distributions inside/outside the DTRM under natural convection(NC, left) and forced convection(FC, right) conditions
표 Table 2. Properties of the materials used in CFD simulations
그림 Fig. 4. Temperature distributions of the cold plates and A) 3^rd layer & B) 4^th layer of DTRM under natural convection(NC, left) and forced convection(FC, right) conditions
그림 Fig. 5. Maximum temperatures of the primary chips under natural convection(NC) and forced convection(FC) conditions
그림 Fig. 6. Heat removal rate of coolant/air under natural convection(NC) and forced convection(FC) conditions
그림 Fig. 7. Convergence results of FPGA average temperature with respect to A) the element number and B) iteration number

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

지배방정식 및 수치해석기법에 대한 보다 자세한내용은 FloEFD Technical Reference를 통해 확인 가능하다. 본 연구에서는 이상기체(공기) 및 비압축성(냉각액) 유동의 정상상태 해를 계산하였다.

제안 방법

FloEFD External analysis의 외기유동 조건은 (ambient temperature and pressure: 25 ℃, 101325 Pa)과 같이 입력되었다. DTRM 외부 공기 유동에 의한 추가 냉각효과를 분석하기 위해 DTRM에평행하도록 공기 유동을 형성하였으며, 공기 유속은 0m/s(자연대류)와 3 m/s(강제대류) 두 가지 경우로 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 냉각액(EGW55)과 냉각판 및 DTRM 하우징(Al6061)의 물성치는 Table 2와 같다.
1과 같다. DTRM은 총 4개의 층으로 구성되며, 내부는 주요 발열원 및 열전도 경로 등을 포함하도록 단순화하였다. 보수적 해석 및 편의성을 위해 기판은 일부를 제외하고는 모델에 반영하지 않았다.
각 냉각판은 두 개의 냉각채널(18 mm × 18 mm)을 포함하며, 두 냉각판에 하나의 DTRM이 걸쳐 있는 형태로 모델링하였다.
각 하우징의 접촉면, DTRM과 냉각판 접촉면,HPA/DRA와 하우징 접촉면 사이의 열접촉저항은 일반적인 접촉 상황에서의 알루미늄-알루미늄 열접촉저항인 8.8×10-5 K·m2/W을 적용하였다[7].
복합 열전달 해석을 위한 해석 조건은 아래와 같다. 냉각액은 Ethylene Glycol(55 %)과 물(45 %)이 혼합된EGW55로써 냉각판내 냉각채널을 통해 동일한 방향으로 흐르도록 모사하였다. 냉각액 공급 온도는 25 ℃, 유량은 0.
주요 발열원들의 발열량 및 thermal pad 적용 두께를 Table 1과 같이 정리하였다. 발열량은 데이터시트 및 실험에 의해 확인된 각 소자별 소모전력과 효율을 고려하여 산정하였다. 발열량 산정시 고려한 효율은 DRA1(35 %)을 제외한 증폭소자(HPA, DRA2/3,LNA1/2/3)의 경우 50 %, DC-DC 85 %, 그 이외 구성품(TR/IC, FPGA, OPTIC IC)은 10 %를 적용하였다.
발열원과 하우징의 양호한 접촉을 위하여 접촉면에 thermal pad를 적용하였으며, 해석 시 thermalpad의 두께(t)와 열전도도(k)에 상응하는 열저항(R ″ = t/k)을 접촉면의 열접촉저항으로 부여하였다.
복합열전달 해석을 통해 고밀도 발열소자를 다수포함하는 DTRM의 냉각특성을 분석하였다. DTRM에서 발생하는 대부분의 열(약 95 % 이상)은 냉각판에의한 열전도로 냉각되었으며, 외부 유동에 의한 냉각효과는 DTRM 2^nd ~ 4^th layer에 국한되었다.
본 논문에서는 실제 적용 가능한 형태의 적층형(tile형) DTRM과 금속냉각판을 단순화하여 모델링 하였으며, 레이다 운용환경에서의 예측 발열량을 고려하여 DTRM과 금속냉각판의 복합열전달 해석을 통해 DTRM의 방열특성을 분석하였다.
자연대류 및 강제대류 시 외부 공기에 의한 냉각량과 냉각액에 의한 냉각량을 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 6과 같다. 냉각액의 입/출구 온도차로부터 냉각액에 의한 냉각량이 계산되며, 나머지 열은 외부 공기에의한 냉각량으로 고려되었다.

대상 데이터

DTRM 외부 공기 유동에 의한 추가 냉각효과를 분석하기 위해 DTRM에평행하도록 공기 유동을 형성하였으며, 공기 유속은 0m/s(자연대류)와 3 m/s(강제대류) 두 가지 경우로 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 냉각액(EGW55)과 냉각판 및 DTRM 하우징(Al6061)의 물성치는 Table 2와 같다. 각 하우징의 접촉면, DTRM과 냉각판 접촉면,HPA/DRA와 하우징 접촉면 사이의 열접촉저항은 일반적인 접촉 상황에서의 알루미늄-알루미늄 열접촉저항인 8.

이론/모형

본 연구에서의 복합 열전달 해석은 상용 ComputationalFluid Dynamics(CFD) 소프트웨어인 FloEFD 16.1을 통해 수행되었다. 유체의 유동/열 해석을 위해 FloEFD에서 사용되는 일반적인 형태의 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식은 각각 식 (1) ~ (3)과 같다.
추가적으로, 난류 유동에서는 난류 운동에너지 및 소산률에 대한 수송 방정식(k-ε 모델)이 이용된다.

성능/효과

5 W/m²·K)의 30 % 수준으로 확인되었다. 강제대류의 경우에는 약 5.0 % 정도의 발열량이 외부 공기에 의해 냉각되었으며, 이는 DTRM2^nd ~ 4^th의 발열량 총합 108.8 W의 약 20 %에 해당하는 값으로 방열에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다. 더욱이, 다수의 DTRB가 대형 안테나를 구성하는 경우, 발열원 군집에 의한 온도 상승이 예상되며, DTRB 상층부의 효율적인 방열이 중요한 설계요소일 것으로 판단된다.
DTRM에서 발생하는 대부분의 열(약 95 % 이상)은 냉각판에의한 열전도로 냉각되었으며, 외부 유동에 의한 냉각효과는 DTRM 2^nd ~ 4^th layer에 국한되었다. 강제대류하에서 전체발열량의 약 5%만이 냉각 공기에 의해 냉각되었으나, 그 냉각량은 DTRM 2^nd ~ 4^th layer 총발열량의 약 20 %에 해당하는 양으로 외부 유동은DTRM 냉각에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다. 냉각판에 의한 전도와 냉각 공기에 의한 강제대류 열전달에 의해 적층형 구조의 DTRM이 60 ℃ 이내의 안정적인 온도에서 동작할 수 있음을 확인 하였다.
강제대류하에서 전체발열량의 약 5%만이 냉각 공기에 의해 냉각되었으나, 그 냉각량은 DTRM 2^nd ~ 4^th layer 총발열량의 약 20 %에 해당하는 양으로 외부 유동은DTRM 냉각에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다. 냉각판에 의한 전도와 냉각 공기에 의한 강제대류 열전달에 의해 적층형 구조의 DTRM이 60 ℃ 이내의 안정적인 온도에서 동작할 수 있음을 확인 하였다. 방열 측면에서 적층형 DTRM의 능동위상배열 레이더 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
즉, 외부 유동에 의한 추가 방열 효과는 1^stlayer까지는 거의 미치지 않고 2^nd ~ 4^th layer에 국한되는 것을 확인하였다. 또한, DTRM 1st layer에 위치하는 발열소자들은 매우 높은 발열량을 갖지만 금속냉각판에 의한 우수한 냉각효율로 인해 안정적인 온도범위로 분포하는 것을 확인하였다.
8 ℃ 낮게 온도가 형성되었다. 또한, Fig. 4-A)와 같이 8개의 T/RIC는 배치되는 위치에 따라 온도 편차가 형성되었으며, 자연대류와 강제대류 모두 약 5.5 ℃의 온도편차가 확인되었다. 이는 열전도 경로에 기인한 것으로, 바깥쪽 하우징까지의 전도 열저항의 크기에 영향을 받는 것으로 이해할 수 있다.
냉각판에 의한 전도와 냉각 공기에 의한 강제대류 열전달에 의해 적층형 구조의 DTRM이 60 ℃ 이내의 안정적인 온도에서 동작할 수 있음을 확인 하였다. 방열 측면에서 적층형 DTRM의 능동위상배열 레이더 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
자연대류 시 전체 발열량 대비 약 2.5 % 정도만이 외부 공기에 의해 냉각되었으며, 평균 열전달계수는 약 4.8 W/m2·K으로 강제대류 평균 열전달계수(15.5 W/m2·K)의 30 % 수준으로 확인되었다.
즉, 외부 유동에 의한 추가 방열 효과는 1st layer까지는 거의 미치지 않고 2nd ~ 4th layer에 국한되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동위상배열 레이다 안테나의 특징은 무엇인가?	능동위상배열(Active phased array) 레이다의 안테나는 다수의 디지털송수신모듈(Digital Transmitter/ReceiverModule, DTRM)로 구성되어 전자적으로 빔조향 및 빔형성이 가능하므로 고정형 안테나 구조로 운용이 가능하다[1]. 따라서 기계식 빔조향 레이다 안테나에 비해 기계 구조가 단순하며 상대적으로 낮은 RCS(RadarCross Section) 특성을 갖는다.
	DTRM은 어떤 영역에서 중요한가?	능동위상배열 레이다 안테나의 핵심 구성품 중 하나인 DTRM은 반도체 기반의 TRM으로써 송신용 고출력 증폭기(High Power Amplifier, HPA)와 수신용 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA) 등 고밀도 발열 소자를 포함한다. 따라서 방열 설계가 시스템 신뢰성 확보 측면에서 대단히 중요하다. 냉각공기에 의한방열 방식만으로는 능동위상배열 레이다 안테나의 열적 신뢰성 확보가 어려우므로 많은 경우에 냉각판에 의한 열전달 방식이 병행된다[2-5].

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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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