Vacuum Rheocasting Heat Sinks with Significantly Improved Performance

1. 개요

• 제목: Vacuum Rheocasting Heat Sinks with Significantly Improved Performance
• 저자: M. Hartlieb, J.-C. Tawil, S. Bergeron, F. Niklas
• 발행 연도: 2023
• 발행 학술지/학회: NADCA (North American Die Casting Association) Die Casting Congress & Tabletop

2. 연구 배경

다양한 산업 분야(전기 자동차, 통신, 전자 등)에서 방열판의 수요 및 성능 요구사항이 크게 증가하고 있다. 방열판의 주요 요구사항은 열전도도이나, 순수 알루미늄은 열전도도가 높지만 주조가 어렵고 강도가 낮다는 한계가 있다.

일반적인 다이캐스팅 합금은 100~130 W/mK의 열전도도를 가지며, 영구금형(PM) 합금 A356-T6는 약 150 W/mK, 6000계열 압출형은 160~200 W/mK의 열전도도를 갖는다. 실리콘 함량을 낮추면 열전도도는 증가하지만, HPDC(High Pressure Die Casting)에서 얇고 복잡한 형상(냉각 핀 등)을 주조하는 능력이 감소한다. 열전도도 외에도 방열판은 냉각 매체로의 열 전달을 위해 최대한 넓은 표면적이 필요하다.

이를 위해 설계자들은 가능한 한 길고 얇은 핀을 최대한 많이 배치하고 냉각 매체의 난류를 극대화하는 구성을 원한다. 다이캐스팅은 단일 주조 부품으로 얇고 복잡한 형상을 경제적으로 제작할 수 있으므로 PM 주조 또는 압출에 비해 이러한 방열판 설계에 필수적인 이점을 제공한다.

3. 연구 목적 및 연구 질문

• 연구 목적: 고진공 레오캐스팅(Comptech 공정)을 사용하여 방열판의 성능을 크게 향상시키는 다이캐스팅 방식을 제시하고, 다양한 산업 분야에 적용 가능한 개선된 경제적이고 지속 가능한 솔루션을 제공하는 것.
• 핵심 연구 질문: 고진공 레오캐스팅(Comptech 공정)을 통해 열전도도 180 W/mK 이상 및 항복강도 80 MPa 이상을 달성하는 방열판을 제작할 수 있는가?
• 연구 가설: 고진공 레오캐스팅 공정과 최적화된 합금 조성 및 열처리를 통해 기존 다이캐스팅 방열판보다 열전도도와 기계적 성질이 향상된 방열판을 제작할 수 있다.

4. 연구 방법론

• 연구 설계:
  • 실험계획법(Design of Experiments)을 사용하여 Rheocool® 합금 사양 내에서 Si, Mg, Fe, Mn의 함량과 열처리가 기계적 특성 및 열전도도에 미치는 영향을 조사했다.
• 데이터 수집 방법:
  • 25~45%의 고체 분율을 사용하는 Comptech 레오캐스팅 기술을 사용하여 시편을 제작했다.
  • 150~300°C에서 열처리를 수행하고, 상온, 50°C, 100°C에서 열전도도를 측정했다. 항복강도, 인장강도, 연신율 등 기계적 특성도 측정했다.
• 분석 방법:
  • 실험 결과를 통계적으로 분석하여 최적의 합금 조성 및 열처리 조건을 도출했다.
• 연구 대상 및 범위:
  • Rheocool® 합금을 사용하여 다양한 Si, Mg, Fe, Mn 함량과 열처리 조건에 따른 열전도도와 기계적 특성을 분석했다.

5. 주요 연구 결과

• 핵심 발견사항:
  • Si 함량을 낮추고(1.8%), Mg을 적절히 첨가(0.26%)하며 T5 열처리를 통해 100°C에서 180 W/mK 이상의 열전도도와 80 MPa 이상의 항복강도를 달성했다.
  • Sr 첨가는 고온에서 열전도도 향상에 도움이 되지 않았다.
  • Mn 첨가는 열전도도를 감소시켰다.
  • 주조 공정에서 게이트(gate)와의 거리도 열전도도에 영향을 미쳤다 (Figure 2).
• 통계적/정성적 분석 결과:
  • Figure 3과 Figure 4는 Si 함량, Mg 첨가, 열처리의 열전도도 및 항복강도에 대한 영향을 보여준다.
  • Figure 5는 다양한 합금 조성의 항복강도를 비교한다.
  • 실험 결과는 고체 분율, 설계, 게이트 위치, 열처리 등 여러 요인에 따라 달라진다.
• 데이터 해석:
  • 저 실리콘 합금(1.8% Si)을 사용하고 Mg를 적절히 첨가하여 열처리하면 100°C에서 180 W/mK 이상의 열전도도와 80 MPa 이상의 항복 강도를 충족하는 방열판을 제작 가능하다.
  • 3.5% Si 합금도 최적화된 열처리 및 조성을 통해 요구 성능을 만족시킬 수 있다.
• Figure List and Description:
  • Figure 1: 평행 핀과 각도가 있는 핀을 가진 방열판 설계의 비교. 각도가 있는 핀은 냉각 매체의 난류를 증가시켜 냉각 성능을 향상시킨다.
  • Figure 2: Stenal Rheo1 합금과 Rheocool® 합금(Alloy D)의 열확산율과 열전도도 비교. 게이트와의 거리에 따른 영향도 보여준다.
  • Figure 3: 합금의 Si 함량이 항복강도와 열전도도에 미치는 영향을 보여주는 그래프. Mg 또는 Cu 첨가와 열처리의 효과도 나타낸다.
  • Figure 4: 다양한 Rheocool® 합금의 열전도도를 온도별로 비교한 그래프. 열처리의 영향도 보여준다.
  • Figure 5: 다양한 Rheocool® 합금의 항복강도를 비교한 그래프.

6. 결론 및 논의

본 연구는 고진공 레오캐스팅(Comptech 공정)을 사용하여 열전도도와 기계적 성질이 우수한 방열판을 제작하는 방법을 제시했다. 최적화된 합금 조성(저 Si, 적절한 Mg 함량)과 열처리를 통해 100°C에서 180 W/mK 이상의 열전도도와 80 MPa 이상의 항복강도를 달성할 수 있음을 확인했다.

이러한 방열판은 복잡한 형상과 얇은 핀을 포함할 수 있으며, 100% 재활용 알루미늄으로 제작 가능하다. 본 연구는 방열판 설계 및 제조에 대한 중요한 시사점을 제공하며, 특히 고성능 방열판이 필요한 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.

그러나 게이트 위치 등의 주조 공정 변수와 열처리 조건이 열전도도와 기계적 특성에 영향을 미치므로, 최적화된 설계 및 제조 공정을 위해서는 설계자와 주조 전문가 간의 긴밀한 협력이 필요하다.

7. 향후 연구 제언

본 연구는 특정 합금 조성과 제조 공정에 집중하였으므로, 다양한 합금 조성 및 주조 공정 변수에 대한 추가 연구가 필요하다. 또한, 장기간 사용 환경에서 방열판의 내구성 및 신뢰성에 대한 연구가 필요하다. 다양한 냉각 매체(공기, 액체)에 대한 방열판 성능 평가도 추가 연구 과제이다.

마지막으로, 다양한 응용 분야에 대한 최적화된 방열판 설계 및 제조 공정에 대한 추가 연구가 필요하다.

8. 참고문헌 요약

1. Belov, I., Payandeh, M., Jarfors, A. E. W., Leisner, P., & Wessén, M. (2016). Effect of fillets on heat transfer in a Rheocast aluminum heatsink. 2016 17th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), 1-6. doi: 10.1109/EuroSimE.2016.7463320
2. Lafors, A., Zheng, J., Chen, L., & Yang, J. Recent advances in Commercial Applications of the Rheometal Process in China and Europe.
3. Hartlieb, M., Jansson, P., & Zetterström, S. (2021). High Vacuum Rheocasting for the Production of Large, Ultra-Thin-Walled Telecom Castings with High Thermal Conductivity. NADCA Transactions 2021.
4. Payandeh, M., Belov, I., Jarfors, A. E. W., & Wessén, M. (2016). Effect of Material Inhomogeneity on Thermal Performance of a Rheocast Aluminum Heatsink for Electronics Cooling. Journal of Materials Engineering and Performance, 25(5).
5. Ólafsson, P., Sandström, R., & Karlsson, Å. (1997). Comparison of experimental, calculated and observed values for electrical and thermal conductivity of aluminium alloys. Journal of materials science, 32(19), 4383-4390.

저작권 및 참고 자료

본 자료는 M. Hartlieb 외의 논문 "Vacuum Rheocasting Heat Sinks with Significantly Improved Performance"을 기반으로 작성되었습니다.

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