혼합 금속 스웨이지드 히트싱크의 집중 열원 특성화

본 소개 내용은 InterPACK’03®에서 발행한 "Characterization of Mixed Metals Swaged Heat Sinks for Concentrated Heat Source" 의 연구 내용입니다.

Figure 1: Swaging process
Figure 1: Swaging process

1. 개요:

  • 제목: Characterization of Mixed Metals Swaged Heat Sinks for Concentrated Heat Source (혼합 금속 스웨이지드 히트싱크의 집중 열원 특성화)
  • 저자: Ahmed M. Zaghlol, William Leonard and Richard Culham
  • 출판 연도: 2003
  • 발행 저널/학회: Proceedings of InterPACK’03®: International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition
  • 키워드: (논문에 명시되지는 않았지만, 내용 기반으로 유추) 히트싱크, 스웨이징, 열저항, 강제 대류, 구리, 알루미늄, 혼합 금속, 집중 열원 (Heat Sink, Swaging, Thermal Resistance, Forced Convection, Copper, Aluminum, Mixed Metals, Concentrated Heat Source)

2. 초록 / 서론

초록
4가지 히트싱크 조합(전체 알루미늄, 전체 구리, 구리 베이스/알루미늄 핀, 알루미늄 베이스/구리 핀)의 열 성능을 실험적으로 연구. 핀 간격을 기준으로 한 레이놀즈 수 1000~4000 범위에서 수직 풍동 실험. 전체 구리 히트싱크가 가장 낮은 열저항(전체 알루미늄보다 22% 낮음)을 보임. 구리 베이스/알루미늄 핀은 11.4%, 알루미늄 베이스/구리 핀은 전체 알루미늄에 비해 8.5% 성능 향상.

서론
고온 및 열 방출은 전자 시스템 성능을 제한. 히트싱크는 마이크로프로세서 및 전력 전자에 중요. 열 유속 증가로 열전도율이 높은 재료(예: 구리) 필요. 본 논문은 열 확산을 개선하기 위해 혼합 금속 스웨이지드 히트싱크에 초점.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

  • 고온 및 열 방출로 인한 전자 시스템 한계.
  • 마이크로프로세서 및 전력 전자 분야에서 히트싱크 필요성.
  • 고전력 밀도로의 추세.

기존 연구 현황:

  • 압출 히트싱크가 일반적이지만, 형상비에 한계.
  • 본디드 핀 히트싱크는 높은 형상비에 사용.
  • 다이캐스팅은 대량 생산, 저비용 생산에 대한 대안이나, 다공성 문제 존재.
  • 접합 방법에는 열 에폭시(낮은 전도도), 브레이징, 스웨이징 포함.

연구 필요성:

  • 스웨이징 공정을 사용한 혼합 금속 히트싱크 설계 탐구.
  • 히트싱크 열저항 감소, 고전력 응용 분야에서 열 성능 향상.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

  • 강제 대류 하에서 4가지 히트싱크 조합의 열 성능 조사.
  • 혼합 금속 설계의 열저항 비교.

핵심 연구 질문:

  • 강제 대류 하에서 전체 알루미늄, 전체 구리, 구리 베이스/알루미늄 핀, 알루미늄 베이스/구리 핀 히트싱크의 열저항 비교.
  • 핀과 베이스 재료가 열 성능에 미치는 영향.
  • 열전도율이 높은 재료를 베이스 또는 핀으로 사용했을 때의 효과.

5. 연구 방법

연구 설계:

  • 강제 대류 열전달 모드를 사용한 실험 연구.
  • 4가지 히트싱크 설계를 쌍으로 테스트.

데이터 수집 방법:

  • 수직 풍동에 히트싱크 배치.
  • 블록 히터(800W, 베이스 플레이트 10% 면적)를 열원으로 사용.
  • 레이놀즈 수 1000-4000(접근 속도 2-8 m/s)에서 실험.
  • 8개 위치에서 온도 상승 측정.
  • Dantec 열선 풍속계 사용.
  • Dwyer 차압 트랜스듀서 사용.

분석 방법:

  • 온도 측정값으로 열저항 계산.
  • 서로 다른 히트싱크 설계 간 열저항 비교.
  • 핀 간격을 기준으로 한 레이놀즈 수.

연구 대상 및 범위:

  • 4가지 히트싱크 설계: Al Base-Al Fins, Cu Base-Al Fins, Al Base-Cu Fins, Cu Base-Cu Fins.
  • 핀 형상 및 치수는 Table 1 및 Figure 2에 상세.
  • 접합에 "스웨이징" 공정 사용(Figure 1).

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

  • 전체 구리(Cu Base-Cu Fins) 히트싱크가 가장 낮은 열저항.
  • 전체 알루미늄(Al Base-Al Fins) 히트싱크가 가장 높은 열저항.
  • 구리 베이스/알루미늄 핀 히트싱크는 전체 알루미늄보다 11.4% 성능 향상.
  • 알루미늄 베이스/구리 핀 히트싱크는 전체 알루미늄보다 8.5% 성능 향상.

제시된 데이터 분석:

  • Table 2는 전체 알루미늄 히트싱크 대비 열저항 감소율(%)을 보여줌.
  • Figure 7은 핀 간격 레이놀즈 수에 따른 열저항.
  • Figure 8은 핀 간격 레이놀즈 수에 따른 압력 강하.
  • 구리 핀 히트싱크에서 더 작은 핀 간격으로 인해 더 높은 압력 강하 관찰.
Table 2: Thermal resistance comparison of alternative metal heat sinks performance with respect to an all Aluminum heatsink.
Table 2: Thermal resistance comparison of alternative metal heat sinks performance with respect to an all Aluminum heatsink.
Figure 2: Heatsink geometry and dimensions
Figure 2: Heatsink geometry and dimensions
Figure 7: Thermal resistance vs. fin spacing Reynolds Number.
Figure 7: Thermal resistance vs. fin spacing Reynolds Number.
Figure 8: Pressure drop vs. fin spacing Reynolds Number
Figure 8: Pressure drop vs. fin spacing Reynolds Number

그림 목록:

  • Figure 1: Swaging process (스웨이징 공정)
  • Figure 2: Heatsink geometry and dimensions (히트싱크 형상 및 치수)
  • Figure 3: Heat Sink Back-to-Back Configuration (히트싱크 배면 구성)
  • Figure 4: Heat Sink and Heater Plate (히트싱크 및 히터 플레이트)
  • Figure 5: Thermocouple Locations on 10% Coverage Heater Plate (10% 커버리지 히터 플레이트의 열전대 위치)
  • Figure 6: Testing Rig (테스트 장비)
  • Figure 7: Thermal resistance vs. fin spacing Reynolds Number. (핀 간격 레이놀즈 수에 따른 열저항)
  • Figure 8: Pressure drop vs. fin spacing Reynolds Number (핀 간격 레이놀즈 수에 따른 압력 강하)
Heatsink Assembly
Heatsink Assembly

7. 결론:

주요 결과 요약:

  • 전체 구리 히트싱크가 가장 낮은 열저항(22% 감소).
  • 혼합 금속 설계는 전체 알루미늄에 비해 향상된 성능.
  • 10% 커버리지에서는 구리를 베이스 재료로 사용하는 것이 핀 재료로 사용하는 것보다 열 확산에 더 효과적.

연구의 학술적 의의:

  • 혼합 금속 스웨이지드 히트싱크의 성능에 대한 실험 데이터 제공.
  • 다양한 구성에서 구리 사용의 이점을 정량화.

실제적 함의:

  • 고전력 전자 장치의 히트싱크 설계 지침.
  • 스웨이지드 혼합 금속 히트싱크의 장점 입증.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

  • 논문에 명시적인 한계는 없지만, 향후 연구에서 다음을 탐구할 수 있음:
    • 다양한 열원 크기 및 분포.
    • 다른 금속 조합.
    • 핀 형상 최적화.
    • 비용 분석.

8. 참고 문헌:

  • H.W. Chu, C.L. Belady and C.D. Patel, “A Survey of High-performance, High Aspect Ratio, Air Cooled Heat Sinks", 1999 International Systems Packaging Symposium, Jan. 11-13, 1999, San Diego, California, USA.
  • H. Jonsson and B. Palm, “Influence of Airflow Bypass on the Thermal performance and Pressure Drop of Plate Fin and Pin Fin Heat Sinks for Electronics Cooling", Proceedings of Eurotherm Sem. No. 58, Nantes, France, Sept. 24-26, 1997, pp. 44-50.
  • W. Leonard, P. Teertstra, J.R. Culham and A. Zaghlol, "Characterization of Heat Sink Flow Bypass in Plate Fin Heat Sinks", Proceedings of IMECE 2002: International Mechanical Congress and Exposition Nov. 17-22, 2002 New Orleans, Louisiana.
  • Robert W. Messler Jr., Joining of Advanced Materials, Stoneham, MA, 1993.
  • R-Theta Catalogues.
  • Zaghlol, K. Hermann, J. Butler, P. Teertstra, and J.R. Culham, "Forced Convection Heat Transfer for Swaged Mixed Metal Heat sinks," Proceedings of Itherm2002, IEEE Symposium, May 29-June1, 2002, San Diego, California, USA.
  • Zaghlol, W. Leonard, and J.R. Culham, “Characterization of Swaged Mixed Metal Heat sinks," to be presented in APEC 2003, Miami Beach, Florida, February 2003.

9. 저작권:

  • 본 자료는 Ahmed M. Zaghlol, William Leonard and Richard Culham의 논문 "Characterization of Mixed Metals Swaged Heat Sinks for Concentrated Heat Source"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: [Paper Number: InterPack2003-35315]

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Tags: Applications; ,CAD; ,Die casting; ,Heat Sink