전자기기 내부에서 발생하는 열을 적절히 제어하지 않으면 성능 저하, 제품 수명 단축, 심지어 폭발이나 화재로 이어질 수 있습니다.
PCB에 실장된 반도체 부품(IC, 트랜지스터 등) 및 커패시터, 저항 등의 소자들은 사용가능한 온도가 지정되어 있고, 이 온도를 넘게 되면 동작을 멈추거나 부품이 파괴될 수 있습니다. 그러므로, 사양에 규정하는 온도 이내에서 작동하도록 하는 방열 조치가 필요합니다.
특히, 기술이 발전할수록 반도체의 소형화 및 고집적화(선폭감소 등)로 발열이 증가되고 있는데다가, PCB 상에 고밀도로 실장되기 때문에 발열이 적은 다른 부품으로 열이 전이되므로 PCB 전체의 온도가 상승하는 연쇄효과가 발생하기 때문에 방열 및 열 제어는 매우 중요한 이슈입니다.
또한, 리튬 이온 배터리 등 일부 고성능 2차 전지는 작동 중 과열되기 쉬우며 이는 화재나 폭발의 원인이 되기도 하므로, 기준치 이내의 온도를 유지하도록 방열 조치가 필요합니다. 방열은 열원(heat source)에서 발생한 열을 열계면체(thermal interface material)를 통해 방열판(heatsink)으로 전달하여 대기 중으로 복사(radiation)하는 것이며, 열계면체와 방열판의 소재와 성능, 원활한 공기 흐름을 위한 방열 설계 등이 중요한 요소입니다.
칩셋이나 시스템이 열로 인해 오작동하는 것을 방지하기 위하여, 해당 열원(Heat Source)에 방열판(Radiator; Heatsink)을 부착하여 온도를 낮추는데, 이 때 열원과 방열판 사이에서 원활한 열의 이동(Heat Transfer)을 돕는 물질이 바로 열전도체입니다.
열(Heat)은 전도, 대류, 복사를 통하여 이동합니다.
일반적인 방열 방식은 이 원리를 이용한 것인데, 칩셋에 열전도체와 방열판을 부착했다면, 열전도체를 통한 “전도”와 방열판을 통한 “복사”, 그리고 방열판 주위의 덥혀진 공기로 인한 “대류”가 열을 이동시키는 방법이 됩니다.
열원과 방열판 사이에서 원활하게 열이 전달되도록 하기 위해서 열전도체가 가져야 할 몇 가지 조건은 아래와 같습니다
대표적인 열전도체인 “실리콘 써멀패드(Silicone Thermal Pad)”는 칩셋이나 PCB 등에 부착하고 그 위에 방열판을 눌러 밀착시켜 사용하기에 적당한 소재입니다. 실리콘 특유의 밀착성과 쿠션성으로 에어갭을 줄이는데 탁월합니다. 다만, 단열재인 실리콘에 열전도성 세라믹 분말을 넣어 만들었기 때문에 열전도율이 그다지 좋지 않습니다. 보통 구리의 열전도율이 385 W/mK, 알루미늄이 205 W/mK인데 비하여, 써멀패드는 1~5 W/mK 정도이므로 열이 거의 통하지 않는다고 느껴질 정도이나, 밀착성이 좋아 두께를 얇게 적용하면 효과적이며, 열전도체 시장에서 가장 많이 사용되는 방열소재 중 하나이기도 합니다.
열원 자체가 넓고 발열부가 한 쪽으로 치우쳐져 있는 경우에 열전도체가 열을 빨리 분산(확산; Spread)시켜 열전도체 전체 면적을 이용하여 열을 이동시키는 것이 효율적입니다. 히트스프레더는 상부의 방열판으로 열을 전달하는 수직 열전도율은 써멀패드와 대등하거나 약간 높은 반면, 수평 열전도율는 써멀패드보다 월등히 높아서 핫스팟을 분산시키고 열을 확산하는 능력이 매우 뛰어난 소재를 말합니다. 예를 들어, 그라파이트 시트의 열전도도는 수직으로 약 5~8 W/mK, 수평으로 400~800 W/mK 정도입니다.
열전도체의 종류는 매우 다양한데 대표적인 것들의 용도 및 장단점 나열하면 아래와 같습니다.
실리콘에 열전도성 세라믹 분말(알루미나, BN 등)을 넣어 굳힌 것으로, 일반적으로 두께는 0.5~10 mm 정도, 열전도도는 1~5 W/mK 정도가 많이 사용됩니다. 양쪽면에 끈적한 점성이 있어서 피착물에 부착이 용이합니다.
0.1~0.3 mm 정도로 얇은 써멀패드로서 박형 모바일 기기 등에 사용할 수 있습니다.
밀봉한 그라파이트 시트로 내열성 심재를 감싼 형태로서, 하부에는 열전도성 양면테이프가 부착되어 있어 열원에 쉽게 부착할 수 있습니다. 써멀패드와는 달리 하부의 열이 열전도체 전체를 통과하지 않고, 열전도성 외피를 통해서만 전도시키므로 외피의 수평 열전도율이 높을수록, 외피가 두꺼울수록(열이 지나가는 통로가 클수록) 높은 특성을 나타냅니다. 그라파이트 파티클이 떨어지는 것을 막기 위하여 박형 필름으로 외부를 감싸고 있습니다.
