세라믹 써멀 페이스트: 무엇이며, 어떻게 작동하고, 언제 사용해야 할까요?

세라믹 열전도 페이스트 — 엔지니어링 표준 용어는 다음과 같습니다. 세라믹 충진 열전도 그리스 또는 세라믹계 열전도성 화합물 — 더 넓은 범주에 속합니다 열 전도성 그리스 및 관련 열 인터페이스 재료(TIM)는 열 발생 부품과 열 방출 표면 사이의 미세한 공극을 메웁니다. 이 글에서는 열 설계 엔지니어와 전기차/에너지 저장 장치 구매팀을 위한 재료 선택 결정 사항을 다룹니다.

이 문서는 일반 소비자용 PC 게임 조립, 데스크톱 CPU 쿨러 장착 절차 또는 소매 제품 비교에는 적용되지 않습니다.

대부분의 경우 전기적 비전도성이 시스템의 필수 제약 조건이고 열전도율 요구 사항이 세라믹 성능 한계 범위 내에 있다면(이 범위는 대부분의 전기차 배터리 모듈의 간극 충진 요구 사항을 충족하지만 SiC 및 IGBT 스위칭 애플리케이션에 필요한 요구 사항에는 미치지 못함), 세라믹 충진 TIM이 일반적으로 적절한 선택입니다. 그러나 열유속 밀도가 세라믹 충진재가 감당할 수 있는 한계를 초과하는 경우에는 일반적으로 부적절한 선택입니다.

세라믹 써멀 페이스트란 무엇인가

세라믹 충진 열전도 그리스는 실리콘 또는 고분자 담체 매트릭스 내에 무기 세라믹 입자가 분산된 열전도성 그리스(TIM)의 한 종류입니다. 일반적인 세라믹 충진제로는 알루미나(Al₂O₃), 질화붕소(BN), 산화아연(ZnO) 등이 있으며, 입자 형태 및 함량에 따라 열적 및 전기적 특성에 각기 다른 영향을 미칩니다.

세라믹 성능이 종류에 따라 어떻게 비교되는지 이해하기 다양한 종류의 써멀 페이스트 전도도 범위부터 살펴보면, 대부분의 세라믹 충전 제형의 경우 약 1~4 W/m·K이며, 질화붕소 함량이 높거나 하이브리드 다중 충전제 시스템의 경우 최적화된 제형 조건에서 5~6 W/m·K에 근접하는 것으로 보고되었습니다.

세라믹 충전재가 열 전달 경로를 형성하는 방법

세라믹 충전재 입자는 입자 함량, 크기 분포 및 형태에 따라 퍼콜레이션 네트워크 형성을 통해 그리스 내 열전도도를 향상시킵니다. 충전재 농도가 충분하면 입자들이 인접한 입자들과 접촉하게 됩니다. 이는 일반적으로 세라믹 재료의 주요 열 전달체인 포논을 부품 표면에서 방열판으로 전달하는 연속적인 사슬을 형성합니다.

알루미나는 적당한 전도성을 제공하며, 질화붕소나 은계 충전재에 비해 상대적으로 저렴한 재료비를 자랑합니다(단, 배합 및 시장 가격에 따라 달라질 수 있음). 질화붕소는 방향성 열 성능과 우수한 전기 절연성을 제공합니다. 산화아연은 입자 크기를 조절하면 더 높은 충진 밀도를 얻을 수 있어, 알루미나 또는 질화붕소가 주요 전도성 물질로 사용되는 하이브리드 충전재 배합에 유용하게 사용될 수 있습니다.

세라믹 충진 열전도 그리스의 일반적인 열전도율은 대략 ~ 1–4 W/m·K, 높은 질화붕소 함량 또는 하이브리드 다중 충전 시스템을 사용하면 유사한 결과를 얻을 수 있다고 보고되었습니다. 5–6 W/m·K 최적화된 제형 조건 하에서, 제형 개발자는 분산성을 저하시키고 습윤성 저하로 인한 열 저항성을 증가시키지 않고는 필러 함량을 임의로 늘릴 수 없습니다.

이 범위는 엔지니어가 세라믹 TIM을 적용하기 전에 평가해야 하는 성능 상한선을 정의합니다. 여기에 언급된 열전도율 값은 업계 일반적인 범위를 나타내며, 특정 제품의 성능은 제형에 따라 달라지므로 공급업체에서 제공하는 목표 적용 조건에서 검증된 TDS 데이터와 비교하여 확인해야 합니다.

하지만 열전도율 상한선은 선택 기준의 절반에 불과하며, 나머지 절반은 충전재 시스템의 전기적 특성에 달려 있습니다.

전기적 비전도성: 특성 및 한계

세라믹 충전 열전도성 물질(TIM)의 전기적 비전도성은 충전재의 화학적 조성 및 배합 순도에 따라 달라지는 실제적이고 정량화 가능한 재료 특성입니다. 알루미나 또는 질화붕소 충전 열 그리스의 체적 저항은 일반적으로 특정 범위 내에 있습니다. 10¹²–10¹⁴ Ω·cm 건조한 주변 환경 조건에서 테스트합니다. 평가 대상 제품에 대한 공급업체의 기술 데이터 시트(TDS)와 특정 값을 대조하여 확인합니다. 이를 통해 세라믹 TIM은 일반적인 측정 조건에서 단순히 금속 기반 대안보다 "전도성이 낮은" 것이 아니라 전기적으로 절연체임을 알 수 있습니다.

트루모니 그룹은 2006년 설립 이후 56개국 이상에서 열 관리 인증을 지원해 왔으며, 전기차 배터리 모듈 및 전력 전자 장치 프로그램 전반에 걸쳐 열전도성 물질(TIM)의 고장 모드를 평가해 온 경험을 바탕으로, 명시된 재료와 실제 공급된 재료 간의 저항률 불일치가 초기 설계 검토 단계에서 과소평가되는 위험 요소로 반복적으로 나타나는 것을 확인했습니다. 발표된 전력 모듈 고장 분석에서도 TIM 저항률 불일치가 특히 페이스트 이동이 활선 도체 영역에 도달하는 어셈블리에서 고장의 근본 원인으로 확인되었습니다. 검증된 저항률 데이터가 있는 세라믹 TIM과 제3자 전기적 특성 평가가 부족한 "비전도성" 화합물 간의 차이는 실제 설계 위험을 초래합니다. 비전도성은 마케팅 문구가 아니라 명시된 매개변수입니다. 전기적으로 민감한 어셈블리에 TIM을 지정하기 전에 항상 공급업체 데이터시트에 명시된 실체 저항률 값을 요구하십시오.

엔지니어들이 비교하고 있습니다 열 그리스 대 열 페이스트 분류 체계에서는 흔히 모든 "비전도성" 라벨을 동일하게 취급하지만, 이러한 구분은 일반적인 틈새 메우기 용도보다 고밀도 전력 모듈 어셈블리에서 훨씬 더 중요합니다.

은, 구리 또는 인듐 입자를 사용하는 금속 기반 열전도성 접착제(TIM)는 일반적으로 배합에 따라 6~12W/m·K에 달하는 높은 열전도율을 제공하여 세라믹 기반 접착제로는 감당할 수 없는 대부분의 전력 모듈 접합부-케이스 간 열전도율 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 이러한 높은 열전도율에는 단점이 있습니다. 금속 기반 TIM은 전기 전도성을 가지므로 페이스트 이동, 과다 도포 또는 기계적 변위로 인해 노출된 패드, 핀 또는 트레이스 사이에 단락이 발생할 수 있습니다. 고밀도 멀티칩 전력 모듈 및 IGBT 어셈블리에서 이러한 단락 위험은 세라믹 기반 TIM이 설계상 방지하는 것과는 대조적입니다.

비전도성은 다음과 같은 경향이 있습니다. 엄격한 엔지니어링 제약 조건 이러한 조건에서는 선호도라기보다는 오히려 다음과 같은 경향이 있습니다.

• 페이스트 도포 영역 내에 노출된 도체 영역이 존재합니다.
• 전력 모듈 기판의 형상이 본드 패드를 완전히 절연시키지는 않습니다.
• 전기차 배터리 모듈의 BMS 회로 기판에는 신호 레벨 트레이스 근처에 페이스트를 도포해야 합니다.
• 다이와 페이스트 사이에 물리적 장벽이 없는 고밀도 멀티 다이 패키징

열적 및 전기적 매개변수를 모두 고려하면 다른 TIM 범주와의 비교 결과가 더욱 명확해집니다.

세라믹 vs. 금속계, 탄소계 및 실리콘계 열전도성 물질

금속계, 탄소계 및 실리콘계 열전도성 그리스와는 달리, 세라믹 충진 열전도성 그리스는 산업 및 전기차 분야에서 제품 선택을 결정하는 네 가지 주요 엔지니어링 요소에 걸쳐 특정 성능 범위를 나타냅니다. 아래 표의 모든 값은 업계 일반적인 범위이며, 제품 배합에 따라 변동될 수 있습니다.

열순환에 의한 TIM 변위(펌핑 아웃)와 오일 누출은 서로 다른 두 가지 장기적인 고장 메커니즘이므로 별도로 평가해야 합니다. 위의 위험 등급은 일반적인 배합을 기준으로 한 상대적 비교이며, 절대적인 위험 수준은 접착층 두께, 열순환 속도 및 기판 표면 거칠기에 따라 달라집니다. 탄소 기반 전도도 범위는 CNT/그래핀 강화 배합에 대해 발표된 값을 나타내며, 특정 제품의 기술 데이터 시트(TDS)와 대조하여 확인해야 합니다.

이 네 가지 차원은 선택의 폭을 좁혀줍니다. 아래의 의사결정 매트릭스는 이러한 차원을 실행 가능한 선택 기준으로 변환합니다. 갭 패드 열 전도성 상변화 또는 패드 대체재가 관련 있는 경우 고려 사항.

세라믹 서멀 페이스트는 언제 사용해야 하고, 언제 교체해야 할까요?

시스템 조건에 전기적 절연이라는 엄격한 제약 조건이 포함되고 열전도율 요구 사항이 1~6 W/m·K 범위 내에 있는 경우, 특정 제품 매개변수가 적용 요구 사항에 부합하는지 검증하는 조건 하에 세라믹 충진 열전도성 물질(TIM)이 일반적으로 적절한 선택입니다.

다음과 같은 경우 세라믹 충전 TIM을 선택하십시오:

• 열전도율 요구사항은 1~6 W/m·K 범위 내에 있으며, 접합부 온도 예산에 따라 확인됩니다.
• 노출된 도체가 서로 가까이 위치하기 때문에 전기적 비전도성은 설계 시 반드시 고려해야 할 중요한 제약 조건입니다.
• 본 적용 분야는 재작업 접근이 제한적이거나 불가능한 밀봉된 장기 사용 수명 배포를 포함합니다.
• 진동이나 열 순환이 발생하는 작동 환경에서는 TIM(열전도성 물질)의 비이동성 및 안정적인 거동이 요구됩니다.
• 규제 또는 안전 기준에 따라 TIM 층의 체적 저항률이 검증되어야 합니다.

다음과 같은 경우 다른 TIM 카테고리를 선택하세요.

• 계면에서의 열유속 밀도는 6 W/m·K 이상의 열전도율을 요구합니다.
• 조립 공정은 상변화 물질과 호환되는 제어된 접합 압력을 사용합니다. 써멀패드 선택 일반적으로 압축 하에서 더 나은 접착선 제어를 제공하는 기준입니다.
• 이 애플리케이션은 비용 최적화된 실리콘 전용 열전도성 물질(TIM)이 열적으로 충분한 소비자용 하드웨어에 사용됩니다.
• 시스템 아키텍처는 모든 도체를 TIM 적용 영역으로부터 완전히 격리하여 절연 제약을 제거하고 금속 기반 TIM을 사용하여 최대 전도성을 구현할 수 있도록 합니다.
• 열 패드 또는 상변화 필름은 주어진 조립 공차 스택에 대해 도포형 그리스보다 더 나은 공정 제어 기능을 제공합니다.

이 매트릭스는 출발점의 틀일 뿐입니다. 모든 선택 결정은 특정 제품의 기술 데이터 시트(TDS)를 기준으로 확인하고, 실제 조립 과정에서 열 저항 측정을 통해 검증하며, 적용 가능한 인증 요건에 부합하는지 검토해야 합니다.

이 표에서 다루지 않는 것은 세라믹 TIM이 사용 수명 동안 어떻게 작동하는지입니다. 이는 산업 및 전기차 적용 분야 모두에서 별개이면서 마찬가지로 중요한 문제입니다.

산업용, 전기차용 및 에너지 저장 장치 구축의 장기적 안정성

제형 수준에서 산업용 및 자동차용 세라믹 TIM은 일반적으로 다양한 범위에서 작동합니다. -40°C ~ +125°C 표준 실리콘 기반 화학 조성 하에서, 일부 고온 제형은 담체 폴리머 및 충전재의 호환성에 따라 +150~175°C까지 확장될 수 있습니다. 온도 범위에 대한 주장은 공급업체의 기술 데이터 시트(TDS)를 통해 확인해야 합니다. 펌프아웃과 오일 블리드아웃은 서로 다른 두 가지 장기적인 고장 메커니즘이므로 별도로 평가해야 합니다. 펌프아웃 위험은 담체 점도, 접착층 두께 및 열 순환 조건에 따라 달라지는 반면, 오일 블리드아웃 위험은 제형에 따라 다르며 일반적으로 오일 분리 특성이 제어된 고품질 세라믹 TIM에서 최소화됩니다.

어떤 경우든 전기차 배터리 열 관리 장기간 사용이 요구되는 산업 분야의 경우, 초기 열전도율뿐 아니라 열 순환 안정성 데이터가 공개된 TIM을 지정하는 것이 적절한 구매 관행입니다.

결론

전기차 배터리 모듈 인증 및 산업용 전력 전자 프로그램 전반에서 가장 흔한 사양 오류는 열전도율을 잘못 선택하는 것이 아니라, 세라믹 열전도 페이스트를 최종 선정하기 전에 전기 저항률 매개변수를 명시하고 검증하지 않는 것입니다. 공급업체로부터 측정된 체적 저항률 데이터를 요구하고, 시스템의 절연 요구 사항과 비교하여 확인한 후, 생산 전에 조립된 상태에서 검증하십시오. 이러한 엄격한 절차를 통해 신뢰할 수 있는 열 설계를 보장하고, 적절한 스트레스 조건을 기다리다 현장에서 발생하는 고장을 방지할 수 있습니다.

상하이 자오퉁 대학교를 비롯한 여러 연구 개발 파트너와 협력하는 국가 하이테크 기업으로서, 저희 엔지니어링 팀은 56개국 이상에서 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 산업용 전력 전자 프로그램 관련 업무를 수행하고 있습니다. 전기차 또는 산업용 전력 분야에 사용되는 세라믹 열전도성 물질(TIM) 선정과 관련된 프로젝트가 있으시다면, 저희 웹사이트를 통해 문의해 주십시오. 열 인터페이스 재료 특정 애플리케이션에 대해 논의하려면 엔지니어링 페이지를 방문하십시오.

자주 묻는 질문