한국산학기술학회논문지 Vol. 1, No. 7, pp. 1459-1464, 29 대용량알루미늄브레이징히트싱크개발에관한연구 이영림 1*, 황순호 1, 전의식 1 1 공주대학교기계자동차공학부 A Study on Development of Large-capacity Aluminum Heat Sinks Brazed with a Batch Furnace Young Lim Lee 1*, Soon Ho Hwang 1 and Euy Sik Jeon 1 1 Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju National University 요약최근들어고전력및고성능전자제품시장이확대됨에따라대용량알루미늄히트싱크의수요가급증하고있다. 이를위해고효율의브레이징히트싱크가선호되고있지만, 기존의대기연속로에서는불충분한가열과모재금속의서로다른두께때문에생산이사실상불가능하다. 따라서, 본연구에서는브레이징히트싱크개발을위하여새로운인덱스배치로및브레이징공정을최적화하였다. 또한, 개발된브레이징히트싱크에대하여용착효율및인장응력실험도수행하였다. 끝으로브레이징히트싱크와실리콘히트싱크의열저항에대한실험을통하여수치해석결과와비교검증하였다. Abstract Recently demand for large-capacity aluminum heat sinks has been increased as market for high power electricity expands and high-performance electronic products develop. While the brazed heat sinks are in particular preferred, it is almost impossible to manufacture them with an atmospheric continuous furnace due to insufficient heating rate and various thickness of the parent metals. Therefore, a new index batch furnace is developed and the process variables are optimized. Then, brazing efficiency and tensile stress are obtained for brazed parts of the heat sinks. Finally experiment as well as numerical analysis has been performed to compare thermal efficiency of the brazed heat sinks with that of the silicone-bonded heat sinks. Key Words : Large-capacity heat sink, Brazing, Batch furnace, Numerical analysis 1. 서론 대용량알루미늄브레이징히트싱크는대전력시장의확대및제품의고성능화에따라단순압출및가공에서전열면적증대및열저항을없앤브레이징형태로의전환이필요하게되었다. 현재사용되는대기연속로는 3 kg이하의알루미늄열교환기및.5 mm 이하의박판튜브와박판방열핀을접합하는용도로사용하는데이를이용하여대용량히트싱크를제작하는데는여러가지어려움이따른다. 먼저, 대기연속로에서는대형히트싱크의접합에충분한열량확보가어렵고베이스판과방열핀의두께차로인한소요열량분배에어려움을가지고있다. 일부저중량히트 싱크는외부히터를통한예열, 연속로승온및구동속도저하등을통하여생산하고있으나생산성및품질확보가힘들다. 또한대기연속로는승온및하온시많은시간이필요하고 2 까지예열하는것도 3분이상소요되어생산성향상이불가능한실정이다. 더구나현재사용되는대기연속로공정에는예열및운반에따른플럭스 (flux) 비산으로먼지및분진등환경유해요인이발생하여작업자의기피요인이되고있다. 따라서, 대용량히트싱크를위한배치 (batch) 형식의브레이징시스템이개발될경우대형알루미늄브레이징히트싱크생산의당면문제점을해결할수있을뿐만아니라고부가가치를창출할수있다. 한편, Nocolok 브레이징은플럭스용액을접합부분전 * 교신저자 : 이영림 (ylee@kongju.ac.kr) 접수일 9 년 4 월 1 일수정일 9 년 6 월 29 일수정일 9 년 7 월 22 일 1459
한국산학기술학회논문지제 1 권제 7 호, 29 면에도포하여질소가스를충전한불활성분위기에서가열하여접합하는방법이다. 그림 1에전형적인클래드 (Clad) 금속과플럭스및베이스금속이브레이징되는공법을나타내었다. 브레이징및히트싱크에관해서는지금까지방대한연구가이루어졌으나대용량알루미늄브레이징히트싱크에관한연구는아직초기단계이다. 먼저, Shin[1] 은브레이징로를사용하여브레이징플럭스의종류에따른도포법등에대한연구를실시하였다. Jung 등 [2,3] 은첨가원소의변화를통한알루미늄모재와의내식성검사를통한진공브레이징및비부식성플럭스브레이징에대한연구를수행하였다. 임병문등 [4] 은염수분무환경에서알루미늄의부식생성물이내식성에미치는영향에대해발표하였다. Kim 등 [5] 은히트싱크핀피치 (fin pitch) 및핀두께에따른방열성능에관해연구하였고, Kim[6] 등은자연대류와강제대류인경우에열저항특성및히트싱크높이에따른방열특성을발표하였다. 그림 2에전형적인연속로와본연구에서개발할배치로 (batch furnace) 의개략도를나타내었다. 배치로에서는진공챔버를이용하여질소사용량을감소시키고예열과정없이한번에브레이징할수있다. 따라서, 본연구에서는이러한대형브레이징히트싱크생산을위한배치로를개발하고공정변수최적화를이룩하고자한다. 또한, 생산된대용량알루미늄브레이징히트싱크의접합부용착효율및인장강도를평가하고실리콘본딩히트싱크와의비교를통해알루미늄히트싱크의열성능을평가하고자한다. 끝으로본딩히트싱크와브레이징히트싱크의접촉저항을알아보기위하여수치해석을수행하고자한다. Brazing temperature 6-62 O2 concentration 1, PPM 이하 Duration time 18sec - 3sec [ 그림 1] Nocolok 브레이징의개념도 (a) continuous type (b) batch type [ 그림 2] NB 로의개략도 2. 실험및수치해석방법 2.1 브레이징로온도곡선실험 대용량브레이징히트싱크의생산성을향상하기위하여배치로의공정변수중가장중요한가열공정의온도최적화실험을수행하였다. 한시간이내에가열, 브레이징및냉각까지마칠수있도록하기위하여다음과같은승온곡선을구상하였고실제열전대를사용하여온도측정및접합부브레이징검사를통하여최적화된승온곡선을도출하였다. 그림 3은 1시간이내에대용량브레이징히트싱크를생산하기위하여구상한기본온도곡선을보여준다. 브레이징이약 6 정도에서약 3~5분동안발생할수있도록온도곡선의기울기를조절하였다. T( ) 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 Time(min) [ 그림 3] 인덱스배치로의초기온도곡선 2.2 대용량히트싱크접합부특성실험 광학현미경을사용하여브레이징한부분의접합분석과필릿 (fillet) 형상을관찰하였다. 또한, 용착효율을구하기위해서브레이징된시료를 5등분하여절단하고핀의접합면적을조합하여구하였다. 접합부의인장강도를알아보기위하여배치로를사용하여두개의시편을 L*W*H 기준으로 12 19.9.9mm 와 12 19.9 1.9 mm를가공한후인장시험기를사용하 146
대용량알루미늄브레이징히트싱크개발에관한연구 여인장시험을진행하였다. 이때램 (ram) 의속도는 1 mm/min으로설정하였다. 2.3 대용량히트싱크열성능실험 대용량히트싱크에일정한열유속을가하기위하여니크롬선을사용하였다. 가변전압조절기를통해방열량을조절하였는데 45V의전압을니크롬선에가하였다. 열전대는 K 타입을사용하여히트싱크의베이스와핀의높이에따라부착하여온도변화를측정하였다. 강제대류인경우를고려하였으며팬 (fan) 을이용하여공기속도를조절하며브레이징형및실리콘본딩 (silicone bonding) 형히트싱크의온도변화를각각측정하였다. 2.4 대용량히트싱크수치해석 실험과수치해석에사용된브레이징형과본드형대용량히트싱크의제원을그림 4에나타내었다. 5 개의핀들이 3 mm의깊이로베이스금속 (base metal) 에박혀있으며.6 mm의두께및 47 mm의길이를가지고있다. 온도는정상상태 (steady state) 로가정하여해석하였고주변온도는 25 이다. 온도경계조건은가열부분을제외한모든곳에대류열전달조건을주었다. 열유속은약 3.8 을가정하였고대류열전달계수는평판유동을가정하여다음과같이속도에따른 Nu수를구하여사용하였다. 여기서, Pr과 Re는각각 Prandtl 수와 Reynolds 수를나타낸다. 유체의물성치는다음과같은막온도 (film temperature) 에서정의되어진다 [7]. (1) (2) 여기서, 와 은각각핀표면 온도및자유유동온도를나타낸다. 베이스금속의바닥면에열을가하여대용량히트싱크의방열성능을측정하였으며, 브레이징타입과본드타입의열저항을비교하였다. 수치해석을위하여상용화프로그램인 Fluent[8] 를이용하였다. [ 그림 4] 히트싱크의제원 3. 결과및고찰 3.1 브레이징로온도곡선 그림 5는히트싱크더미 (dummy) 에부착된두곳의열전대를통해최적화된온도곡선을보여주고있다. 가열및냉각의 2단계로만이루어져약 1시간이내에예열, 브레이징및냉각까지마칠수있었고실제브레이징이발생하는구간은부착된열전대온도기준약 58~61 사이로확인되었다. 초기온도곡선에서는브레이징이 35 분근처에서발생하도록하였으나가열구간이너무급격하여실제브레이징곡선에서는브레이징이 45분근처에서발생하도록조절하였다. 보통자동차열교환기제작에많이쓰이는대기연속로에서는모재의두께차이로인한접합불량이많이나타나는데배치로에서는충분한가열이가능하므로이러한문제점이사라지게되었다. 브레이징지속시간은약 3-5분정도로써성공적으로대용량히트싱크의제작이가능하였다. Temperature ( ). 6 4 2 1 2 3 4 5 6 Time (min) [ 그림 5] 배치로의최적화된승온곡선 3.2 대용량히트싱크의접합부특성 광학현미경을이용하여접합부를관찰한결과를그림 6에나타내었다. 접합부에는어떠한미세홀이나크랙 (crack) 도관찰되지않아브레이징이성공적으로수행된것을알수있었고필릿형상역시매우양호함을확인할 1461
한국산학기술학회논문지제 1 권제 7 호, 29 수있었다. 용착이얼마나효율적으로일어났는지를알아보기위하여표 1에접착불량률검사결과를나타내었다. 2 개의시료중에 1 개만이 9~95 % 의접착률이었고나머지는모두 95 % 이상의접착률을보여주고있어전체적으로불량률이 5 % 미만으로매우양호함을알수있었다. 그림 7과같은두개의시험편을사용하여인장시험을수행한결과를표 2에나타내었다. 파단강도는평균 13.1 kgf/ mm2로양호한인장강도를얻을수있었다. 파단위치는그림 7에서나타난바와같이, 전시편에걸쳐브레이징접합부가아닌알루미늄모재에서파단이이루어졌다. 그림 8에인장시험시전형적인하중- 변위곡선을나타내었는데최대강도는접합부가아닌모재의파괴가일어날때의인장강도를나타낸다. 5 [ 그림 6] 브레이징접합부광학현미경사진 Load(kgf) 4 3 2 1 12x19.9x.9 mm 12x19.9x1.9 mm 5 1 15 2 25 Displacement(mm) 접착률 (2 개기준 ) [ 표 1] 접착불량률 구분수량품질 9% 이하 9~95% 95% 이상 1 19 불량률 5% (a) 12mm 19.9mm.9mm (b) 12mm 19.9mm 1.9mm [ 그림 7] 시험편 [ 표 2] 인장시험 - 불량합격 Sample No. 최대하중 (kgf) 인장강도 (kgf/ mm2 ) Speed (mm/min) 1 245 13.7 1 2 459 12.5 1 평균 23 13.1 [ 그림 8] 하중-변위곡선 3.3 대용량브레이징히트싱크열성능본연구에서개발된대용량브레이징히트싱크의방열성능을실리콘본딩형히트싱크와강제대류인경우에비교하였다. 같은열량을가하였을때핀베이스평균온도가 1.1 m/s 기준주변온도대비브레이징형과본드형각각 17.2, 18.7 로브레이징형이상대적으로효율적으로열을방출하고있음을알수있다. 이것은본드형에서접착제로사용된실리콘열저항이추가되면서접촉면에서열저항을증가시켰기때문이다. 그림 9에공기속도에따른브레이징형과본드형히트싱크의열저항을나타내었다. 대용량히트싱크이어서 CPU 쿨러등기존히트싱크대비열저항값은매우작았으며브레이징형의열저항이본드형대비약 8 % 정도작음을알수있다. 다음으로히트싱크수치해석을통하여브레이징형대비본드형히트싱크의접촉부분에서추가되는열저항을실험결과와의비교를통하여유추하여보았다. 히트싱크베이스평균온도를기준으로하여얻어진실리콘본딩형의추가열저항은고려되어진공기속도에서전체열저항의약 8 % 내외에해당되어실험결과와일치하고있다. 실리콘접착제의전도율 (k) 은약 1.8 W/m 로써실리콘의접착제의도포면적 (A) 및두께 (t) 가증가함에따라 t/ka만큼전체방열성능을악화시킨다. 그림 1은수치해석을통하여얻어진대용량히트싱 1462
대용량알루미늄브레이징히트싱크개발에관한연구 크의중심부에서전형적인온도분포를보여준다. 브레이징형과실리콘본드형과의온도분포는거의동일하고가열면부근에서등온선의모양은거의원 (circle) 으로써선형성을보여준다..4 4. 결론 본연구에서는대용량알루미늄히트싱크브레이징을위한배치로개발및공정변수최적화를통하여대용량알루미늄히트싱크를개발하고히트싱크의성능을분석하였다. 본연구를통하여얻어진결론은다음과같다. Thermal resistance ( /W).3.2.1 Brazed Silicone bonded.4.6.8 1 1.2 Air flow (m/s) [ 그림 9] 공기속도에따른열저항변화 1) 배치로의온도곡선을단순화된 2단계로최적화하여브레이징시간을투입에서출고까지약 1시간이내로단축하였다. 이것은기존대기연속로에서는불가능한것으로생산성향상에획기적으로기여하였다. 2) 브레이징접합부는어떠한미세홀이나크랙도관찰되지않았고필릿형상도양호한것으로나타났으며접착불량률은 5% 미만으로판명되었다. 인장시험에서도파단이접합부가아닌모재에서발생하여브레이징의양호함을알수있다. 3) 브레이징알루미늄히트싱크는실리콘본딩알루미늄대비접촉열저항을제거하여상대적으로우수한방열성능을보여주고있음이검증되었다. 결론적으로, 본연구에서개발된배치로를활용하여대용량브레이징히트싱크대량양산체제를확립하였고성능검증을통하여대용량히트싱크가필요한대전력분야의고효율히트싱크로사용될수있음을보였다. 하지만히트싱크의설계와선택은성능뿐만아니라가격에의해서도결정되므로신중한접근이필요하다. (a) brazed 참고문헌 (b) silicone-bonded [ 그림 1] 핀 (fin) 형히트싱크의온도분포 [1] Y. S. Shin, "Selection Technology for Brazing Fluxes", Journal of KWS, Vol. 22. No. 5. pp. 412-419, October, 24. [2] J. P. Jung, T. Takemoto and C. S. Kang, "Aluminum Vacuum Brazing in Japan", journal of KWS, Vol. 13, No. 1, pp. 62-72, Mar, 1995. [3] J. P. Jung, T. Takemoto and C. S. Kang, "Non-corrosive Flux Brazing of Aluminum", Journal of KWS, Vol. 13, No. 2, pp. 53-59, Jun, 1995. [4] B. M. Lim, S. H. Hong, J. I. Jeong, J. H. Choi and W. S. Chung, Effect of Corrosion Products of Hot-Dip Al-Cr Steel Sheet on the Corrosion Resistance in Salt Corrosive Environment, J. Kor. Inst. Met. & Mater. Vol. 41, No. 1, 23. [5] C. N. Kim, S. I. Moon, A Numerical Study on the 1463
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