다양한 응용 분야에서 방열판에 대한 최적의 솔루션에 관한 엔지니어링 결정은 비용과 성능에 따라 달라질 수 있습니다. 이론적으로는 성능 요구 사항을 충족하는 가장 저렴한 제품을 얻는 것이 쉬워 보입니다. 실제로 고객은 높은 가격에 직면했을 때 성능 사양을 변경하거나(다른 칩 사용) 일부 성능을 희생(예: 조건에 따라 칩 성능 저하)하는 경우가 많습니다.
이 기사에서는 성능 및 비용 지표에 대해 히트 파이프/증기 챔버를 기반으로 하는 여러 방열판을 비교합니다.
성능: FloTHERM CFD 소프트웨어 패키지를 사용하여 전체 방열판 성능 ΔT를 계산합니다.
비용: 배치 크기가 충분히 크다고 가정하면 하드 금형의 투자 비용은 단가에 반영되지 않습니다. 또한 배치 크기를 늘리면 단위 비용이 낮아지므로 단위 가격은 최저 비용 솔루션(1배, 1.1배 등)에 상대적입니다.
방열판 설계 매개변수
열원 전력: 250와트
열원 크기: 30x30mm
최대 주변 온도: 25도
공기 유량: 분당 40입방피트(CFM)
콘덴서: 스냅 온 핀 크기 115 * 85 * 65 mm
가장 기본적인 디자인부터 시작하여 점차적으로 복잡한 프로세스를 탐구하여 디자인이 성능과 비용에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다.
1. 알루미늄 또는 구리 기반 히트 파이프 히트싱크
U자형 알루미늄 베이스 히트파이프 방열판
이는 히트파이프 라디에이터의 가장 전통적인 디자인입니다. 4개의 U자형 히트 파이프가 알루미늄 또는 구리 베이스에 용접된 후 열원과 접촉됩니다. 열은 먼저 베이스를 통과한 다음 히트 파이프에 도달해야 합니다.
굽힘 외에 다른 2차 작업은 4개의 6mm 히트 파이프에서 수행되지 않았지만 이 예에서 히트 파이프와 베이스 사이의 접촉 영역은 약간 평평합니다.
알루미늄 베이스 히트파이프 라디에이터의 CFD
FloThermal 모델은 방열판 온도가 주변 온도(78.9도 -25도 =기준 최대 온도 - 주변 온도)보다 53.9도 더 높은 것으로 나타났으며, 이 온도를 성능 벤치마크로 사용합니다. 1회로 정의된 비용 벤치마크입니다.
더 높은 성능이 필요한 경우 알루미늄 베이스 대신 구리 베이스를 사용할 수 있습니다. 구리 베이스의 열전도율은 알루미늄 베이스의 두 배이므로 구리 베이스의 성능은 2.3도 향상됩니다. 구리 베이스 디자인은 알루미늄 베이스에 비해 원가가 5% 증가하고, 무게도 약간 증가합니다.
2. 직접 접촉식 히트 파이프 방열판 라디에이터
직접 접촉식 히트 파이프 라디에이터
이 설계는 열원과 히트 파이프 사이의 직접적인 접촉을 허용하므로 열 흡수 베이스와 인터페이스 재료(히트 파이프를 베이스에 고정하는 데 사용되는 납땜)가 필요하지 않습니다. 그러나 필요한 표면 평활도를 얻기 위해서는 히트파이프를 가공해야 합니다(2차 작업).
직접 접촉식 히트 파이프 라디에이터의 CFD
히트파이프와 열원의 직접적인 접촉으로 인해 이번 히트싱크 설계의 성능은 49.3도로 향상됐다. 이는 벤치마크보다 4.6도, 구리 베이스를 사용한 설계보다 2.3도 높은 수치이다. 다만 베이스 가공(히트파이프 매립홈)과 히트파이프 가공이 추가로 필요해 벤치마크 설계 비용의 1.1배(10% 더 비쌉니다)가 든다.
3. U자형 균일온도판 방열판
U자형 균일온도판 방열판
이 솔루션은 4개의 6mm 히트 파이프를 단일 U자형 증기 챔버로 대체합니다. 디자인 측면에서는 직접 접촉식 히트 파이프 방열판과 가장 유사하며, 두 가지 모두 열원 CPU가 2상 구성 요소와 직접 접촉할 수 있도록 해줍니다. 이 설계를 선택할 때 고려해야 할 중요한 사항은 기존의 2피스 설계를 U자 모양으로 구부릴 수 없으므로 방열판 공급업체가 통합 증기 챔버를 제조할 수 있는지 여부입니다.
U자형 균일온도판 방열판의 CFD
직접 접촉형 히트파이프 설계에 비해 VC 히트싱크 솔루션의 성능은 21.5%(11.6도) 향상됐지만 비용은 4.55% 증가에 그쳤다. 그러나 vc 방열판의 벽 두께가 증가함에 따라 방열판 라디에이터의 무게가 약 75g 증가했습니다.
4. 3D 균일한 온도의 판형 방열판
3D 균일한 온도 플레이트 방열판
이 설계에서 열을 흡수하는 바닥 플레이트는 수직 응축기 히트 파이프와 증기 통로를 공유하는 증기 챔버입니다. 제조 단계에서 8개의 개방형 히트 파이프가 개구부가 있는 증기 챔버 플레이트에 납땜됩니다. 증기 챔버는 열원과 직접 접촉하여 XY 평면을 따라 열을 고르게 분배하고 수직 히트 파이프를 통해 핀에 열을 분산시킵니다.
증기 챔버가 포함된 3D 방열판의 CFD
이 디자인은 최고의 성능을 가지고 있지만 비용이 높습니다. 가장 가까운 경쟁사인 U자형 VC 히트싱크 플레이트 디자인과 비교하면 온도는 거의 2도 감소했지만(성능은 4.9% 증가), 가격은 두 배(117% 증가) 올랐습니다.
그러나 이 사례는 3D 증기 챔버 설계의 잠재적 이점을 완전히 강조하지 못했다는 점에 유의해야 합니다. 필요한 바닥 플레이트 크기가 증가함에 따라 이 솔루션과 U자형 증기 챔버 플레이트 설계 간의 성능 차이도 증가합니다.
요약
아래 표는 방열판의 재질이나 2상 구성 요소를 변경하면 상당한 성능 향상을 얻을 수 있음을 보여줍니다. 벤치마크 알루미늄 기반 방열판부터 3D vc 방열판 플레이트 솔루션까지 성능은 17도 향상되었지만 비용은 150% 증가했습니다.
라디에이터 성능 및 비용 비교
열전도율이 더 강한 구리 재질로 베이스를 교체하거나 히트파이프를 열원에 직접 접촉시키면 약 7%-15% 정도의 적당한 성능 향상과 비용 증가(벤치마크 대비)가 가능합니다. .
주어진 애플리케이션 매개변수에 따라 최상의 전체 가치를 지닌 설계는 증기 챔버 방열판일 수 있습니다. 벤치마크 가격보다 15% 비싸지만 성능은 28%(15.2도) 향상됐다.
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