방열판 베이스 두께와 확산 저항

작성자 BQUQ Engineering Team 검토 BQUQ Quality Engineering 2025년 5월 29일 조회수 ISO 9001:2015 인증 공장

방열판 베이스 두께: 확산 저항 설명

간단한 답변: 방열판 베이스 두께는 확산 저항을 제어합니다. 이는 작은 소스에서 발생한 열을 훨씬 큰 핀 영역으로 강제로 퍼뜨릴 때 발생하는 페널티입니다. 너무 얇으면 베이스가 열을 측면으로 확산하지 못해 외곽 핀이 열을 받지 못하고, 너무 두꺼우면 확산 이득 없이 전도 저항과 질량만 추가됩니다. 알루미늄 베이스에 일반적인 20–40 mm 소스의 경우 최적점은 보통 4–8 mm이며, 구리 베이스는 동일한 확산 성능을 위해 종종 30–50% 더 얇습니다. 올바른 수치는 소스 크기, 베이스 면적, 열유속 및 공기 흐름에 따라 달라지므로 복사하지 말고 계산해야 합니다. BQUQ는 베이스를 ±0.005 mm로 가공하고 맞춤형 방열판을 12 작업 시간 내에 견적합니다.

확산 저항이란 실제로 무엇인가

모든 방열판에는 열 저항 네트워크가 있습니다. 열은 다이 또는 부품에서 나와 열 인터페이스 재료를 통과하고 베이스 플레이트로 들어가 베이스를 통해 측면으로 확산된 다음 핀을 타고 올라가 마침내 공기 중으로 방출됩니다. 대부분의 엔지니어는 핀 스택 크기를 신중하게 정하고 베이스를 수동적인 슬래브로 취급합니다. 여기서 설계가 잘못됩니다.

확산 저항은 열이 소스 바로 위에 있지 않은 핀에 도달하기 위해 베이스 재료를 통해 측면으로 이동해야 할 때 생성되는 추가 저항입니다. 열원이 15 mm × 15 mm이고 방열판 풋프린트가 80 mm × 80 mm라면 베이스 면적의 약 96%가 직접 전도 경로에 있지 않습니다. 열은 측면으로 퍼져 나가야 하며, 이 퍼짐은 공짜가 아닙니다.

따라서 베이스의 총 기여도는 다음과 같습니다:

R_base = R_1D + R_spread

여기서 R_1D는 베이스 두께를 통한 단순 1차원 전도(t / (k × A_source))이고 R_spread는 측면 확산 항입니다. R_1D는 두께에 따라 선형으로 증가합니다. R_spread는 두께가 증가함에 따라 감소하지만 수익 체감이 급격합니다. 최적 두께는 합이 최소화되는 지점이며, 그 최소값은 사람들이 기대하는 것보다 보통 더 평평합니다.

얇은 베이스가 실패하는 이유

25 mm 정사각형 IGBT 풋프린트 아래의 2 mm 알루미늄 베이스는 서류상으로는 효율적으로 보입니다: 짧은 전도 경로, 낮은 질량. 실제로는 베이스가 방열판 모서리로 열을 이동할 수 없습니다. 중앙 핀은 뜨겁게 작동하고 외곽 핀은 차갑게 작동하여 비용을 지불한 유효 핀 면적이 낭비됩니다. 측정된 케이스 온도는 등온 베이스를 가정한 시뮬레이션보다 8–15 °C 더 높을 수 있습니다.

매우 두꺼운 베이스도 실패하는 이유

15 mm 알루미늄으로 가면 질량, 비용, 가공 시간이 추가되고 결정적으로 1D 전도 저항이 추가됩니다. 알루미늄은 약 200 W/m·K로 전도되므로 25 mm 소스 아래 베이스가 1 mm 추가될 때마다 약 0.008 °C/W의 비용이 듭니다. 사소해 보이지만 100 W에서는 순수 손실이 0.8 °C이며, 베이스가 이미 충분히 두꺼우면 추가 확산을 거의 얻지 못합니다.

최적 베이스 두께: 실용적인 표

아래 표는 단일 중앙 소스와 소스 치수의 2.5–4배인 베이스 풋프린트를 가정하여 알루미늄(k ≈ 200 W/m·K) 및 구리(k ≈ 390 W/m·K) 베이스에 대한 지표 최적 베이스 두께를 제공합니다. 이는 사양이 아니라 시뮬레이션의 시작점으로 취급하십시오.

소스 풋프린트	베이스 풋프린트	알루미늄 최적	구리 최적	비고
10 × 10 mm	40 × 40 mm	3–4 mm	2–3 mm	작은 다이, 높은 열유속; 구리 또는 베이퍼 챔버 고려
20 × 20 mm	60 × 60 mm	5–6 mm	3–4 mm	일반적인 전력 모듈
25 × 25 mm	80 × 80 mm	6–8 mm	4–5 mm	일반적인 IGBT / GPU 등급
40 × 40 mm	120 × 120 mm	6–8 mm	4–6 mm	더 큰 소스, 확산 덜 중요
60 × 60 mm	150 × 150 mm	5–7 mm	3–5 mm	소스가 이미 베이스의 많은 부분을 차지

패턴은 일관됩니다: 소스가 베이스에 비해 커질수록 확산은 덜 중요해지고 최적 두께는 낮아집니다. 소스가 작아질수록 확산이 지배적이고 두께가 더 중요해지지만, 그때도 곡선은 빠르게 평평해집니다.

베이스 두께 (Al, 25 mm 소스, 80 mm 베이스)	R_1D (°C/W)	R_spread (°C/W)	총 베이스 R (°C/W)
2 mm	0.016	0.115	0.131
4 mm	0.032	0.062	0.094
6 mm	0.048	0.048	0.096
8 mm	0.064	0.042	0.106
12 mm	0.096	0.038	0.134

4 mm와 6 mm 사이에서 곡선이 얼마나 평평한지 주목하십시오. 이것은 비용 관리에 가장 유용한 통찰력입니다: 넓은 범위 내에서 베이스 두께는 성능을 거의 변화시키지 않으므로 가장 제조하기 쉽고 배송하기 가벼운 두께를 선택해야 합니다 — 가장 보수적으로 들리는 것이 아니라.

재료 선택이 답을 바꿉니다

구리의 열전도율은 알루미늄의 약 두 배이므로 확산 저항이 낮아지고 최적 두께가 더 얇아집니다. 4 mm 구리 베이스는 동일한 풋프린트에서 8 mm 알루미늄 베이스를 능가할 수 있으며, 이것이 구리 베이스 알루미늄 핀 설계가 존재하는 이유입니다.

속성	알루미늄 6063	구리 C11000
열전도율	~200 W/m·K	~390 W/m·K
밀도	2.70 g/cm³	8.96 g/cm³
상대 비용	기준	재료비 3–5배
가공성	우수	양호, 끈적임
일반적인 베이스 용도	대부분의 방열판	고열유속, 협소 공간 설계

트레이드오프는 질량과 비용입니다. 구리 베이스는 동일 부피에서 약 3.3배 무거우므로 알루미늄의 절반 두께인 구리 베이스도 약 1.6배 더 무겁습니다. 무게에 민감한 응용 분야 — 통신 원격 무선 헤드, 드론 전자 장치, 휴대용 기기 — 에서는 이것이 중요합니다. 합금과 열적 거동에 대한 전체 비교는 알루미늄 합금 비교 가이드를 참조하십시오.

구리가 답이 아닐 때

병목이 확산이 아니라 핀-공기 대류라면 구리는 거의 아무것도 사주지 않습니다. 구리는 확산 저항이 총 저항의 의미 있는 부분일 때만 이득입니다 — 일반적으로 소스가 베이스에 비해 작고 핀 스택이 이미 효율적일 때입니다. 핀 저항이 지배적이라면 예산을 더 많은 핀 면적이나 더 나은 공기 흐름에 쓰십시오.

베이스 두께가 나머지 스택과 상호 작용하는 방식

베이스 두께는 단독으로 작용하지 않습니다. 열 저항 네트워크의 중간에 위치하며, 한 요소를 개선하면 다음 병목이 드러날 수 있습니다.

인터페이스 재료

열 인터페이스가 나쁜 두꺼운 베이스는 낭비입니다. TIM 저항이 0.5 °C/W이고 베이스가 0.1 °C/W를 기여한다면 베이스 최적화는 무의미합니다. 인터페이스를 먼저 고치고 그다음 베이스를 고치십시오.

핀 효율

두꺼운 베이스는 가공이나 조립 중에 베이스가 휘지 않고 더 높고 얇은 핀을 사용할 수 있게 합니다. 여기에는 제조 관점이 있습니다: 0.8 mm 핀이 있는 2 mm 베이스는 고정하기 어렵고 변형되기 쉬운 반면, 6 mm 베이스는 압출, 스카이빙 및 CNC 마무리 전반에 걸쳐 평탄도를 유지합니다.

평탄도 및 표면 마감

확산은 베이스가 전체 면적에 걸쳐 실제로 소스와 접촉할 때만 작동합니다. 50 mm에 걸쳐 0.1 mm 오목한 베이스는 확산 이득을 왜소하게 만드는 에어 갭을 만듭니다. 여기서 가공 공차가 중요합니다 — BQUQ는 CNC 가공 형상에서 ±0.005 mm를 유지하며, 평탄도는 방열판 도면에 가정이 아니라 명시적으로 지정됩니다.

생산에서 견디는 설계 규칙

네 개의 생산 라인에서 수천 개의 방열판 프로그램을 거친 후, 몇 가지 규칙이 실제 하드웨어와의 접촉에서 살아남습니다.

1. 소스가 크고 베이스가 작지 않은 한 가공된 알루미늄 방열판의 베이스 두께를 3 mm 미만으로 지정하지 마십시오. 3 mm 미만에서는 평탄도 제어가 지배적인 위험이 됩니다.

2. 알루미늄의 경우 5–6 mm에서 시작한 다음 시뮬레이션하십시오. 모델이 이득을 보이고 제조 경로가 지원하는 경우에만 더 얇게 이동하십시오.

3. 소스 대 베이스 비율이 약 1:4 미만이고 열유속이 약 50 W/cm²를 초과할 때 구리를 사용하십시오.

4. 두께뿐만 아니라 평탄도를 지정하십시오. 0.05 mm 평탄도의 6 mm 베이스는 0.2 mm 평탄도의 8 mm 베이스를 항상 능가합니다.

5. 조립 스택을 확인하십시오. 나사 보스, 장착 러그 및 팬 마운트는 열적 최적과 관계없이 종종 최소 베이스 두께를 강제합니다.

압출 vs 가공 vs 스카이빙 베이스

압출 프로파일은 다이에 의해 고정된 베이스 두께 — 일반적으로 3–8 mm — 를 제공하며 가공 비용이 없습니다. 열적 최적이 그 범위 내에 있으면 압출이 가장 저렴한 경로입니다. 더 두꺼운 베이스, 가공 포켓, 삽입 인서트 또는 구리 슬러그가 필요하면 CNC 가공이 답입니다. 스카이빙 핀 방열판은 그 중간에 있습니다: 베이스는 핀과 동일한 블록에서 형성되어 우수한 핀-베이스 전도를 제공하며 베이스 두께를 지정할 수 있습니다.

대부분의 맞춤형 프로젝트에서 실용적인 경로는: 핀 본체를 압출 또는 주조한 다음 베이스와 장착 형상을 CNC 가공하는 것입니다. 이것이 바로 BQUQ가 하나의 Dongguan 공장에서 실행하는 워크플로우이며, 맞춤형 시제품이 공급망 핸드오프 없이 도면에서 샘플로 이동할 수 있는 이유입니다.

작업 예: 25 mm 소스, 80 mm 베이스, 120 W

2 m/s 강제 공기에서 80 mm × 80 mm 알루미늄 방열판에 25 mm × 25 mm 소스가 있는 120 W 장치를 가정합니다. 핀 스택과 인터페이스가 0.22 °C/W를 기여하고 주변 온도가 40 °C라고 가정합니다.

베이스 두께	베이스 R (°C/W)	총 R (°C/W)	120 W에서 케이스 온도
2 mm	0.131	0.351	82.1 °C
4 mm	0.094	0.314	77.7 °C
6 mm	0.096	0.316	77.9 °C
8 mm	0.106	0.326	79.1 °C
12 mm	0.134	0.354	82.5 °C

4 mm와 6 mm 옵션은 사실상 동일합니다. 2 mm와 12 mm 옵션은 모두 약 4.5 °C 더 나쁩니다 — 반대 이유로. 이것이 베이스 두께 문제의 실용적인 형태입니다: 넓은 고원, 양쪽에 페널티가 있습니다.

BQUQ가 적용하는 제조 고려 사항

베이스 두께 결정은 가공에서 살아남아야 합니다. 도면에 반영할 가치가 있는 몇 가지 사항:

두꺼운 베이스는 응력 완화가 필요합니다. 한쪽 면을 가공한 10 mm 알루미늄 플레이트는 휘어집니다. 거친 가공, 응력 완화, 그다음 정밀 평탄도를 위한 마무리 가공을 지정하십시오.
구리 인서트는 정의된 접합이 필요합니다. 알루미늄 베이스에 압입 또는 납땜된 구리 슬러그는 인터페이스를 추가합니다; 그 인터페이스가 나쁘면 구리 이점을 완전히 잃습니다.
나사 깊이는 베이스 두께를 따릅니다. M3 나사는 알루미늄에서 안정적인 토크를 위해 최소 6 mm 결합이 필요합니다. 4 mm 베이스는 M3 관통 나사를 안전하게 감당할 수 없습니다.
무게는 누적됩니다. 80 mm × 80 mm 베이스에서 4 mm에서 8 mm로 가면 약 69 g의 알루미늄이 추가됩니다. 500개 빌드에서 34 kg의 추가 배송 무게입니다.

BQUQ는 CNC 가공, 금속 스탬핑, 맞춤형 스프링 및 방열판 생산을 하나의 ISO9001 시스템 아래에서 운영하므로 베이스 두께, 핀 형상, 장착 형상 및 마감을 공급업체별로 나누지 않고 함께 견적할 수 있습니다. 유연한 MOQ가 적용되며 견적은 12 작업 시간 내에 발송됩니다.

자주 묻는 질문

Q: 더 두꺼운 방열판 베이스가 열 확산에 항상 더 좋습니까?

A: 아닙니다. 확산 저항은 두께에 따라 감소하지만 1차원 전도 저항은 선형으로 증가하므로 총 베이스 저항에는 최소값이 있습니다. 80 mm 알루미늄 베이스에 일반적인 25 mm 소스의 경우 그 최소값은 약 4–6 mm에 있습니다. 약 8 mm를 넘으면 확산 이득 없이 질량, 비용 및 열 저항이 추가됩니다.

Q: 최적 베이스 두께를 어떻게 계산합니까?

A: Lee 또는 Song 상관 관계와 같은 확산 저항 모델을 사용하거나 실제 소스 풋프린트와 베이스 면적으로 유한 요소 열 시뮬레이션을 실행하십시오. 수계산은 1–2 mm 이내로 제공되며, 최적 근처에서 성능 곡선이 평평하기 때문에 일반적으로 충분합니다. 항상 첫 샘플에서 열전대 테스트로 최종 설계를 검증하십시오.

Q: 알루미늄 대신 구리 베이스를 언제 선택해야 합니까?

A: 열원이 베이스에 비해 작을 때 — 대략 1:4 비율 또는 더 좁을 때 — 그리고 열유속이 높을 때, 일반적으로 50 W/cm² 이상일 때 구리를 선택하십시오. 구리의 더 높은 전도율은 동일한 확산을 위해 더 얇은 베이스를 사용할 수 있게 합니다. 핀-공기 대류가 열 예산을 지배한다면 구리는 의미 있는 이득 없이 비용과 무게를 추가합니다.

Q: 베이스 두께가 방열판 평탄도와 장착에 영향을 미칩니까?

A: 예, 상당히 영향을 미칩니다. 얇은 베이스는 가공, 조립 및 열 사이클링 중에 변형되어 확산 성능을 파괴하는 에어 갭을 만듭니다. 두꺼운 베이스는 평탄도를 더 잘 유지하고 장착 하드웨어를 위한 더 깊은 나사를 허용합니다. 알루미늄에서 M3 나사의 경우 안정적인 결합을 위해 최소 6 mm의 베이스가 필요합니다.

Q: 첫 시제품에 대해 BQUQ가 권장하는 베이스 두께는 무엇입니까?

A: 20–30 mm 소스가 있는 대부분의 알루미늄 방열판의 경우 5–6 mm에서 시작하고 평탄도를 명시적으로 지정하십시오 — 일반적으로 접촉 면적에 걸쳐 0.05 mm. 그 두께는 깨끗하게 가공되고, 평탄도를 유지하며, M3 장착을 지원하고 열적 최적 근처에 있습니다. BQUQ는 맞춤형 베이스를 12 작업 시간 내에 견적하며 두 번째 반복에서 두께를 조정할 수 있습니다.

방열판 베이스 두께: 확산 저항 설명

방열판 베이스 두께: 확산 저항 설명