방열의 기본 설계법

[쿨]

방열의 기본 설계법

반도체를 사용할때 신경써야 할 부분이 방열 설계입니다．여기에서는 기본적인 방열설계법을 정리했습니다．

 방열의 기본은 열저항

방열판은 반도체의 발열을 외기로 옮기고 반도체 접합부의 온도를 일정 온도 이하로 유지하는 작용을 합니다． 방열성을 좋게하기 위해 가능하면 표면적이 넓게 되도록 복잡한 구조를 하고 있습니다．방열판을 어느 정도 크기로 하면 좋을지를 결정하는 것은대단히 복잡한 문제입니다. 통상 방열판의 방열을 생각할때 열저항의 개념을 사용합니다．이것은 단위가 「℃／W」로 표시되며 물체에 １ 와트의 열을 가했을 때 상승온도를 나타냅니다. 여기서 반도체를 방열하기 위한 방열판을 생각했을 때 열저항은 아래 그림과 같이 표시됩니다．

 

그림에서 보듯이 반도체 내부의 접합부가 열발생 원천이기 때문에 이것을 출발점으로하여 반도체 케이스, 열전도체，방열판，주위온도의 순으로 열이 전달되지만 각각의 물체마다 열전도 특성이다른데 이것을 열저항이라 합니다.
반도체의 접합부에서 발생한 열이 대기로 전도 되려면 이 열저항을 직렬로 거처야 하기 때문에 그림과 같이 표현 할 수 있습니다．
이 그림으로부터 반도체로의 발열양과 케이스까지의 열저항을 알면 필요한 방열판 열저항의 필요 최대치가 구해지기 때문에 이것보다 열저항이 작은 방열판을 사용하면 충분한 방열을 할 수 있는 것입니다.

여기에서 접합부의 온도는 최대 １５０℃ 라고 되어있지만 이것은 최대허용값이기 때문에 이것의 ８~ ９０％이하로 여유를 주고 설계해야 합니다. 또한 반도체와 방열판의 접촉부 열저항은 반도체를 직접 방열판에 부착시키면 대체로０.6 ℃／Ｗ 정도이며 부착면에 실리콘 글리스를 도포하고 부착하면 0.4 ℃／Ｗ정도로 작아집니다．여기에 절영을 위해 열전도성 절연시트를 삽입 한다면 접촉 열저항이 포함되어 ２∼３℃／Ｗ 정도로 됩니다.

예를 들면 기본적인 ３ 단자 레귤레이터 전원의 설계를 생각하면 레귤레이터부의 발열양이 ４W로 케이스까지의 열저항이 ４℃／Ｗ , 절연시트 부분을 ３℃／Ｗ , 접합부 온도를 １５０℃ 로부터 １０％의 여유를 보고 주위온도를 50℃ 로 하면

　　Rf ＋３＋４　＜　（１５０ × 0.9 － ５０）／４ ＝ ２１
　　Rf　＜　１４

라는 결과가 나옵니다. 물론 정확히 계산하려면 좀더 복잡해지지만 이렇게 열저항을 계산해도 열저항이 얼마나 되는지 명기한 방열판을 찾가 쉽지 않기 때문에 이정도로 계산해도 좋을 것 같습니다. 이렇게 하여 구해진 값보다 열저항이 작은 방열판을 구하면 되며 아래와 같은 표를 참고합니다.

밑그림은 알루미늄 판의 면적과 열저항의 대략적으로 표시한 것으로  1.5 ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ의 ３ 종류에 관하여 각각 면적과 열저항의 관계를 그래프화 한 것입니다．

알미늄판의 열저항

방열판의 특성

방열기와 장치내 환경 조건의 차이는 매우 많은 불확정 요소를 포함하고 있으며 방열판의 대표적인 특성에는 다음과 같은 것이 있습니다.

• 방열판의 방열량은 방열 Fin(날개)의 표면적과 방열 Fin의 표면온도와 주위온도의 차에 비례합니다.
   
• 방열판의 표면은 흑색이 방열 효과가 큽니다.
   
• 방열 Fin이 수직 방향이 되도록 취부하여 사용하는 것이 좋습니다. 메이커에서 제공하는 데이터는 수직방향 취부조건입니다.
   
• 반도체와 방열핀 사이가 밀착성이 좋지 않으면 방열 효과가 떨어집니다.
   
• 방열판에 충분한 공기의 자연대류가 이루어지지 않으면 방열 성능이 떨어 집니다.
   
• Fan으로 강제 공냉하면 방열량은 2~3배 증가 합니다.

대표적인 방열판

또한 아래표는 시판되느 대표적인 방열판의 열저항 값입니다．이러한 형상으로부터 다른 방열판의 형상을 비교해 대강의 목표를 세웁니다

외관 사진	치수（W×H×Dｍｍ	열 저항（℃／W）
	16 × 25 ×16	２６.4 (at 50℃)
	23 × 25 × 17	２０.5 (at 50℃)
	40 × 15 × 40 40 × 20 × 40 40 × 25 × 40 50 × 20 × 50 60 × 20 × 60 80 × 20 × 80	８.8 ６.8 ５.2 ５.2 ４.3 ２.6
	소켓과 팬 부착형	０.35 ∼０.47

방열판에 관한 자료가 필요한분은 방열판 제조업체의 사이트를 방문해 보시기바랍니다.  각종 방열판의 형상과 열저항등 많은 도움이 되리라 생각됩니다.

• 서울금속 : 방열판 및 케이스
• 대흥기업 : 각종 방열판 제조