알루미늄 다이캐스팅을 이용한 열 관리: 합금표에 나와 있지 않은 정보

전자 엔지니어들로부터 제게 가장 자주 들어오는 질문은 바로 이런 내용입니다. "A380을 주문했는데, 부품을 재설계하지 않고 열 성능을 향상시킬 수 있을까요?"

때로는 그렇습니다. 때로는 합금 선택에 해답이 있을 수 있으며, 변경하는 데 비용이 전혀 들지 않습니다. 때로는 형상이 병목 현상을 일으키고 합금을 바꿔도 해결되지 않을 수 있습니다. 금형 제작에 착수하기 전, 또는 열적 결함에 대해 다이캐스팅 업체를 탓하기 전에 이 두 가지 경우를 명확히 구분하는 것이 이 글의 핵심입니다.

알루미늄 다이캐스팅이 열 관리 분야에서 지배적인 위치를 차지하는 이유는 무엇일까요?

주조 알루미늄은 지난 30년간 방열판 및 열 하우징의 기본 소재로 사용되어 왔으며, 그 이유는 분명합니다. 알루미늄의 밀도는 2.7g/cm³로 강철의 7.8g/cm³에 비해 낮습니다. 이는 방열판이 움직이는 부품에 부착되거나 무게로 운송될 때 중요한 요소입니다. 열전도율은 합금에 따라 92~130W/m·K 범위에 있으며, 구리의 385W/m·K에는 미치지 못하지만 대부분의 강제 공기 순환 및 자연 대류 방식에는 충분합니다. 또한 주조 공정은 일체형 핀 배열, 보스 및 장착부를 한 번에 거의 최종 형상으로 생산할 수 있어, 접합 또는 압출 방식의 핀 솔루션에서 발생하는 조립 비용과 접촉 저항을 줄여줍니다.

무엇 다이캐스팅 S압출 성형이나 기계 가공 빌릿 방식과 비교했을 때 다이캐스팅의 가장 큰 장점은 단일 공정으로 부품 전체에 걸쳐 핀의 높이, 간격, 두께를 다양하게 조절할 수 있다는 점입니다. 압출 성형 방열판은 길이 방향으로 단면이 균일합니다. 반면 다이캐스팅 방열판은 가장 온도가 높은 부품 영역에는 높은 핀을, 열 방출량이 낮은 영역에는 낮은 핀을, 직선형 핀이 들어갈 수 없는 모서리 부분에는 핀 형태를 적용할 수 있습니다. 이러한 기하학적 설계의 자유로움은 금형 제작 후 추가 비용 없이 누릴 수 있습니다.

합금 문제

위 차트는 일반적인 다이캐스팅 공정에서 접하게 되는 합금들을 보여줍니다. A380은 가장 널리 사용되는 합금으로, 주조성이 좋고 강도도 적당하며 모든 다이캐스팅 업체에서 구할 수 있습니다. 열전도율은 약 96W/m·K로 많은 용도에 적합하지만 탁월한 수준은 아닙니다. A383과 ADC12도 비슷한 수준입니다. A360은 열전도율이 약 113W/m·K에 달하는데, 이는 A380보다 구리 함량이 낮기 때문입니다. 구리를 첨가하면 열전도율은 감소하고 강도는 향상됩니다.

A413은 주목할 만한 예외적인 합금입니다. 약 11~13%의 실리콘 함량을 갖는 공융점 조성 덕분에 표준 다이캐스팅 합금 중 최고의 유동성을 자랑하며, 이는 낮은 사출 온도에서도 얇은 핀을 안정적으로 채울 수 있음을 의미합니다. 또한, 예상과는 달리 높은 실리콘 함량에도 불구하고 열전도율이 약 130W/m·K에 달하여 A380보다 높습니다. 그 이유는 공융 미세구조 때문입니다. 공융 또는 공융점에 가까운 조성의 실리콘은 조대한 1차 결정이 아닌 미세하게 분포된 네트워크를 형성하며, 이러한 네트워크는 A380이나 A383의 혼합 미세구조보다 열을 더 효율적으로 전달합니다.

실질적인 의미는 다음과 같습니다. 애플리케이션에서 열 성능이 매우 중요한 요소라면, 동일한 형상에서 A380 대신 A413을 사용하면 금형 변경이나 재설계 없이, 그리고 최소한의 비용 차이로 열전도율을 약 35% 향상시킬 수 있습니다. 단점은 인장 강도가 A413이 약 290MPa로 A380의 317MPa보다 낮고, 경도도 약간 떨어진다는 것입니다. 하지만 구조 부재가 아닌 방열판 하우징의 경우, 이러한 절충은 일반적으로 허용 가능한 수준입니다.

합금 차트에서 알 수 없는 것은 실제 열 저항이 어디에서 발생하는지입니다. 일반적인 다이캐스팅 방열판 어셈블리에서 접합부와 주변 환경 사이의 열 저항은 대략 다음과 같이 구성됩니다. 소자와 베이스 플레이트 사이의 열 인터페이스 재료가 상당 부분을 차지하고, 베이스 플레이트의 확산 저항이 또 다른 부분을 차지하며, 핀의 대류 저항이 나머지를 차지합니다. 열 인터페이스 재료가 지배적인 요소인 경우(특히 인터페이스 접합선 두께 제어가 제대로 되지 않은 경우) 합금을 변경해도 큰 변화는 없습니다. 인터페이스 문제를 먼저 해결해야 합니다.

핀 형상: 실제 작업이 이루어지는 곳

위 다이어그램의 기하학적 매개변수는 이론적인 최적값이 아닌 실제 다이캐스팅 한계를 나타냅니다. 핀 두께가 1.5mm 미만이면 진공 보조 장치 없이 표준 고압 다이캐스팅에서 안정적으로 충전하기 어렵습니다. 금속 전면이 핀 끝에 도달하기 전에 냉각되어 콜드 셧이나 쇼트샷이 발생합니다. 핀 피치가 3mm 미만이면 플래시가 발생하여 주조 후 세척이 어려워집니다. 드래프트 각도가 1° 미만이면 배출 시 드래그 마크가 생기고 핀이 손상됩니다.

이러한 제한 조건 내에서 열 설계자가 조절할 수 있는 주요 요소는 핀 높이와 핀 간격입니다. 핀 높이를 높이면 표면적이 선형적으로 증가하여 냉각 효과가 향상되지만, 높은 핀에 경계층이 형성되어 핀 끝 부분의 공기 온도가 핀 표면 온도와 거의 같아지는 지점까지만 효과가 있습니다. 일반적인 팬 속도인 2~5m/s의 강제 공기 냉각 방식에서는 핀 높이가 약 35~40mm를 넘으면 냉각 효과가 감소하기 시작합니다. 공기 속도가 한 자릿수 낮은 자연 대류 방식에서는 유효 핀 높이가 더욱 짧아지므로, 일반적으로 핀 높이보다는 핀 간격을 늘려 부력에 의한 공기 흐름이 핀 사이를 실제로 흐르도록 하는 것이 적절한 해결책입니다.

직선형 핀과 핀형 핀 중 어떤 것을 선택할지는 공기 흐름 방향에 따라 결정됩니다. 공기 흐름 방향과 일치하는 직선형 핀은 핀 표면에서 낮은 압력 강하와 높은 대류 계수를 생성합니다. 하지만 이러한 방열판은 공기 흐름이 실제로 직선으로 정렬되어야 합니다. 예를 들어 수평 덕트 흐름에 맞춰 설계된 방열판을 횡류가 발생하는 섀시에 설치하면 성능이 크게 저하됩니다. 핀형 핀은 모든 방향에서 공기 흐름에 대응할 수 있습니다. 즉, 어떤 방향에서 오는 자연 대류에도 잘 작동하며, 불규칙하거나 난류가 발생하는 강제 공기 흐름 환경에서도 견딜 수 있습니다. 다만, 동일한 표면적에서 압력 강하가 더 크다는 단점이 있는데, 이는 방열판을 여러 부품에 공유하는 경우 중요한 요소가 됩니다.

베이스 플레이트 두께: 아무도 제대로 지정하지 않는 변수

핀 아래쪽의 베이스 플레이트는 단순히 구조적인 역할만 하는 것이 아니라, 집중된 열원에서 발생한 열을 전체 핀 배열로 측면으로 분산시키는 역할을 합니다. 베이스 플레이트가 너무 얇으면 중심부에서 가장자리까지 온도 차이가 커져 바깥쪽 핀의 열 분산 효과가 미미해집니다. 반대로 너무 두꺼우면 무게만 늘어나고 주조 과정이 복잡해지면서 그에 상응하는 효과를 얻지 못하게 됩니다.

열 확산 계산은 열원 면적과 베이스 면적의 비율 및 베이스 전도도(베이스 두께에 열전도율을 곱한 값을 베이스 면적으로 나눈 값)에 따라 달라집니다. 방열판 베이스의 30~40%를 덮는 일반적인 전력 전자 모듈의 경우, A380 또는 A413 재질의 4~6mm 두께의 베이스 플레이트를 사용하면 적절한 열 확산이 가능합니다. 베이스 면적의 10% 미만을 덮는 단일 고출력 트랜지스터와 같은 집중된 점 열원의 경우, 효과적인 열 확산을 위해서는 더 두꺼운 베이스, 더 높은 열전도율을 가진 삽입물(베이스에 압착 또는 주조된 구리 슬러그), 또는 부하가 알루미늄에 도달하기 전에 분산되도록 장착 풋프린트를 의도적으로 설계하는 방법이 필요합니다.

구리 삽입 옵션은 생소하게 들릴 수 있지만 고출력 자동차 인버터 방열판에서는 일반적인 관행입니다. 금형에 포켓을 설계하고, 사출 전에 이 포켓에 구리 덩어리를 넣은 다음 알루미늄으로 감싸줍니다. 이렇게 하면 열전도율이 높은 부분의 열점에서는 96W/m·K에서 385W/m·K로 급격히 증가하는 반면, 부품의 나머지 부분은 알루미늄으로 유지됩니다. 이 방식은 공정 단계를 하나 추가하고 정밀한 맞춤과 접착에 주의를 기울여야 하지만, 평평한 알루미늄 베이스에 비해 열 성능 향상 효과가 상당합니다.

도면에 무엇을 명시해야 할까요?

다이캐스팅 업체에 전달되는 방열판 도면은 일반적으로 기계적 치수와 표면 마감을 명시합니다. 하지만 문제가 되는 방열판 도면은 대개 다음 세 가지를 빠뜨린 경우가 많습니다.