전력 전자 장치에 사용되는 열 인터페이스 재료는 전력 반도체와 방열판 또는 냉각판 사이의 불완전한 접촉면을 통해 열을 전달합니다. 이러한 재료를 선택하는 것은 시스템 전체를 고려해야 하는 중요한 결정이며, 단순히 데이터시트의 가장 높은 수치를 찾는 것이 아닙니다. 평평해 보이는 두 표면도 실제로 접촉하는 면적은 극히 일부분에 불과합니다. 나머지 틈에 갇힌 공기는 열전도율이 약 0.025 W/m·K로 매우 낮기 때문에, 이를 대체할 더 나은 재료가 필요합니다. 고출력 전자 장치에 대한 한 학술지에서는 정상 상태 열유속이 150~200 W/cm²에 달하고, 순간적인 과도 열유속은 400 W/cm²를 넘는다고 보고하고 있습니다. 이러한 높은 열유속에서는 다른 모든 층이 아무리 잘 설계되었더라도 얇고 접촉면이 불량한 인터페이스가 온도 상승에 결정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 아래 섹션에서는 인터페이스의 역할, 열전도율만으로는 판단하기 어려운 이유, 사용 가능한 재료 계열, 그리고 간격, 절연, 경화 및 조립 방법이 최적의 재료를 결정하는 요인에 대해 다룹니다.
전력 전자 스택에서 열 인터페이스 재료의 역할은 무엇일까요?
전력 모듈 스택에서 열전도성 소재(TIM)는 조립 과정에서 물리적 특성이 아닌 조립 과정에서 자유롭게 제어할 수 있는 유일한 층입니다. 열은 다이에서 발생하여 칩 접착층, 기판(대개 직접 접합된 구리층), 베이스플레이트를 거쳐 방열판 또는 액체 냉각판으로 전달됩니다. 모듈이 조립되면 각 층의 재질과 형상은 고정됩니다. 하지만 베이스플레이트와 냉각판 사이의 접합부는 다릅니다. 이 접합부는 조립 과정에서 채워지며, 저항은 충전 상태에 따라 달라집니다. 이 접합부는 가변적이고 제어가 제대로 되지 않는 경우가 많기 때문에 전체 열 전달 경로에 큰 영향을 미칩니다. 그 영향의 정도는 스택 구성에 따라 다르므로, 가정하기보다는 측정을 통해 확인해야 합니다.
접촉면은 접촉 저항이 실제 금속 대 금속 접촉 면적에 비례하기 때문에 중요합니다. 가공된 표면은 이러한 접촉 면적을 거의 제공하지 않습니다. 표면 거칠기, 납땜으로 인한 변형, 클램핑 패턴 등은 미세하거나 거시적인 공극을 남깁니다. 열전도성 물질(TIM)은 이러한 공극을 채워 열이 공기 중에 정체되는 대신 고체 재료를 통해 전달되도록 합니다. 따라서 동일한 전력 모듈이라도 공극을 채우는 재료와 그 방식에 따라 발열량이 현저히 달라질 수 있습니다. 부하 상태에서 케이스 또는 접합부 온도를 측정하여 이러한 효과의 크기를 직접 확인해 보십시오.
높은 전도도만으로는 접합부 온도를 낮출 수 없는 이유
가장 높은 전체 열전도율을 추구하는 것은 비용을 과도하게 지출하면서도 목표 온도에 도달하지 못하는 흔한 방법입니다. 접합부에 도달하는 열전도율은 전체 접합부의 열 저항을 나타냅니다. 이 저항은 재료의 열전도율뿐만 아니라 접착층 두께와 접촉 저항에도 크게 좌우됩니다. 열전도율이 높은 페이스트를 너무 두껍게 도포하면 적절한 재료를 사용했을 때보다 성능이 떨어질 수 있으며, 마찬가지로 압착력에 의해 제대로 밀착되지 않는 딱딱한 패드도 문제가 될 수 있습니다.
접합선 두께는 간과하기 쉬운 중요한 요소입니다. 그리스는 압력을 가하면 수십 마이크론 두께까지 얇게 도포할 수 있습니다. 반면, 갭 패드는 고르지 않은 계면을 메우기 위해 몇 배 더 두껍게 유지해야 하며, 저항은 대략 그 두께에 비례하여 증가합니다. 고출력 모듈의 경우, 접합 저항을 낮추는 것이 일반적인 목표이며, 흔히 1.0 K·cm²/W 미만으로 언급됩니다. 하지만 이 수치는 표준값이 아니라 실제 조건에 따라 달라지는 값입니다. 이 수치는 단순히 가장 높은 W/m·K 값을 읽는 것이 아니라, 재료의 특성과 적용 분야를 실제 갭에 맞춰 조정함으로써 달성할 수 있습니다. 단순히 겉보기 전도도만으로는 실제 조립체의 성능을 예측할 수 없으므로, 설치 후 저항이나 부하 시 측정된 케이스 온도로 결과를 검증해야 합니다.
전력 전자 장치에 사용되는 TIM 제품군 및 그 장단점
각 TIM 제품군은 열 성능과 간극 허용 오차, 전기적 특성 및 재작업성 사이에서 균형을 이룹니다. 따라서 적합한 제품군은 전도도 사양보다 인터페이스에서 먼저 결정됩니다. 유형 및 특징 겹치는 부분이 충분히 많기 때문에 일반적으로 선택은 헤드라인 전도율보다는 간격과 조립 방식에 따라 결정됩니다. 표는 선택에 영향을 미치는 치수를 기준으로 제품군을 비교하기 위한 일반적인 조건별 범위를 제공합니다.
| 팀 가족 | 전체 전도도(W/m·K) | 열 흐름 방향 | 일반적인 접착선/간격 | 전기 절연체인가요? | 재작업 가능? | 전력 전자 분야에 가장 적합합니다. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 써멀 그리스/페이스트 | ~2~10점 (향상된 등급은 더 높음) | 평면 관통 | 압력 하에서 수십 마이크론 | 학년에 따라 다릅니다 | 제한적임; 지저분하고, 펌프아웃 위험이 있음 | 평평하고 단단히 고정된 모듈-냉간판 접합부 |
| 갭 패드 | ~1–5 | 평면 관통 | 수 밀리미터에서 수 밀리미터까지 | 사용 가능한 절연 등급 | 예 | 간격이 고르지 않으면 조립 압력이 낮아집니다. |
| 상변화 물질 | 학년에 따라 다릅니다 | 평면 관통 | 얇고, 전환 부분 위쪽에서 자체적으로 수평을 유지합니다. | 학년에 따라 다릅니다 | 반영구적 | 낮고 반복 가능한 저항이 요구되는 고출력 평면 접합부 |
| 갭 필러(분배형) | ~1–4 | 평면 관통 | 간격에 맞춰집니다 | 학년에 따라 다릅니다 | 치료 후에는 제한적입니다. | 크거나 불균등한 공차 |
| 열전도성 접착제 | ~1–4 (전문 분야별 등급은 더 높음) | 평면 관통 | 얇음에서 중간 정도 | 학년에 따라 다릅니다 | 아니요 — 구조적 결합 | 구조적 접착이 필요한 경우 |
| 흑연/탄소 필름 | 평면 내 값은 높고, 수직 방향 값은 낮습니다. | 평면 내 확산 | 매우 얇음 | 종종 전기 전도성을 띤다 | 보통 | 측면 확산이 도움이 되는 얇고 평평한 관절 |
설치 후 접합부 저항은 접합 온도를 결정하는 주요 지표입니다. 이러한 제품군 전반에 걸쳐 공통적으로 보고되는 값이 없으므로, 전도율 열은 대략적인 참고치로 간주하고 설치 후 저항값을 확인해야 합니다. 그리스와 상변화 물질은 평평하고 단단히 고정된 접합면에 적합하며, 얇은 접착선을 형성하고 하중 하에서 낮은 저항을 유지합니다. 패드와 도포형 갭 필러는 갭이 크거나 불규칙하고 클램핑력이 제한적인 경우에 사용됩니다. 이들은 모듈에 스트레스를 주지 않고 공간을 채울 수 있는 유연성을 제공하는 대신 전도율을 다소 희생합니다. 접착제 계열 재료는 접합부가 하중을 견뎌야 하는 경우 구조적 접착력이나 진동 내성을 제공하지만, 재작업성은 떨어집니다.
TIM을 인터페이스에 맞추는 방법: 간격, 평탄도, 조립 응력 및 자동화
인터페이스의 간격과 평탄도를 기준으로 선택을 시작하십시오. 이 두 가지 요소는 전도성을 비교할 가치가 생기기 전에 재료가 필요로 하는 적합성을 결정합니다. 수십 마이크론 이내의 간격을 유지하고 단단히 고정된 접합부에는 얇은 그리스나 상변화 필름이 적합합니다. 휘어진 베이스 플레이트나 허용 오차가 큰 적층 구조에는 고압 없이도 밀착되는 갭 패드 또는 도포형 갭 필러가 필요합니다. 명목상의 설계값이 아닌 실제 간격과 그 변동을 측정하십시오. 명목상의 설계값이 아닌 실제 측정값을 사용해야 합니다. 명목상의 설계값은 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
조립 과정에서 발생하는 응력은 아무리 좋은 재료라도 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 강성이 높고 전도성이 뛰어난 패드는 대형 SiC 또는 IGBT 모듈에 상당한 힘을 전달할 수 있습니다. 이 힘이 기판을 휘게 하거나 열 사이클 동안 솔더 접합부를 피로 파괴할 만큼 충분한지는 모듈 구조와 클램프 설계에 따라 다릅니다. 공급업체에 압축-변형 데이터를 요청하고, 실제 기계 설계에서 가할 수 있는 힘과 비교하여 고려해야 합니다. 전도성이 낮더라도 유연한 소재를 사용하는 것이 더 안정적인 선택일 수 있습니다.
자동화 방식은 대량 생산에서 재현성이 유지되는 재료를 결정합니다. 분배형 갭 필러와 스텐실 인쇄 그리스는 자동화 라인에 적합하며, 제품별 접착선 정밀도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 수작업으로 패드를 부착하는 방식은 정밀도를 다소 희생하는 대신 툴링이 더 간단합니다. 숙련된 기술자가 수작업으로 잘 부착한 재료라도 대량 생산 환경에서는 편차가 클 수 있으므로, 사용 전에 제품별 접착선 또는 저항 데이터를 통해 부착 방식을 검증해야 합니다. 계면, 갭, 절연, 공정 등 모든 요소를 고려할 때, 전도도 순으로 정렬하는 것이 아니라 이러한 제약 조건들을 우선순위로 정하여 선택의 타당성을 확보해야 합니다.
열순환 조건에서의 전기 절연, 경화 및 신뢰성
인터페이스의 전기적 역할을 먼저 결정해야 합니다. 이는 특정 재료군을 배제하는 데 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. TIM(열전도성 물질)이 활선 베이스플레이트와 접지된 쿨러 사이에 위치하여 절연을 제공하는 경우, 충분한 절연 여유를 가져야 합니다. 절연 등급은 일반적으로 수 kV/mm의 유전 강도를 갖도록 설계됩니다. 사용 가능한 수치는 특정 제품 및 두께에 따라 다르므로 데이터시트를 확인해야 합니다. 스택의 다른 부분에서 절연이 처리되는 경우, 금속이 첨가된 재료나 흑연 재료와 같은 전기 전도성 재료를 사용할 수 있습니다. 이 경우 설계 문제는 이러한 재료가 주변 트레이스와 간섭하지 않도록 하는 것입니다.
경화 및 접착 특성에 따라 접합부의 사용 가능 여부가 결정됩니다. 비경화성 그리스, 젤, 패드는 모듈을 재작업하거나 교체할 수 있도록 해줍니다. 열전도성 접착제는 경화되어 진동에 강한 구조적 결합을 형성하지만, 접착제 종류에 따라 접합부를 손상시키지 않고는 재작업이 불가능한 경우가 많습니다. 접착력이 필수적인 경우에만 경화형 재료를 선택하십시오. 경화형 재료는 수리, 보증 처리, 생산 라인 재작업에 영향을 미치기 때문입니다.
열 사이클에 대한 신뢰성은 초기 측정값이 아무리 양호하더라도 실제 사용 환경에서는 문제가 될 수 있는 부분입니다. 그리스는 반복적인 팽창과 수축으로 인해 접합부에서 재료가 빠져나가면서 펌프 아웃되거나 건조될 수 있습니다. 패드는 압축 변형이 발생할 수 있으며, 열팽창 계수가 일치하지 않으면 박리 또는 기포가 발생하여 시간이 지남에 따라 저항이 증가할 수 있습니다. 이러한 문제들이 얼마나 빨리 발생하는지는 재료의 화학적 성질, 클램프 압력, 접착선, 부품이 노출되는 온도 범위 및 사이클 프로파일에 따라 달라지므로, 이러한 문제들을 확정적인 것이 아니라 검증해야 할 위험 요소로 간주해야 합니다. ASTM D5470은 특정 조건에서 정상 상태 열 전달 및 열 저항을 측정하는 공통 기준을 제공합니다. 하지만 이 표준은 노화를 재현하지 않으므로, 전력 전자 장치가 실제로 노출되는 온도에서의 펌프 아웃 및 열 사이클 데이터와 함께 사용해야 합니다.
전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 팩의 셀-냉각액 경로 전체에 열전도성 물질(TIM) 적용
전기차 또는 에너지 저장 시스템(ESS) 팩에서 열전도성 물질(TIM)은 하나 이상의 열 경로에 존재하며, 이러한 경로는 단일 직렬 연결 방식이 아닙니다. 배터리 셀은 자체 인터페이스를 통해 열을 방출하여 냉각판 또는 냉각 구조로 전달합니다. 즉, 셀에서 TIM을 거쳐 냉각판으로 열이 전달됩니다. 전력 전자 장치는 별도의 열 경로를 형성하며, 반도체 접합부는 패키지와 베이스 플레이트를 통해 열을 전달하고, TIM을 통과하여 방열판 또는 냉각판으로 열을 방출합니다. 트랙션 인버터와 IGBT 또는 SiC 모듈은 배터리 셀과 냉각재 사이에 필수적인 층이 아닙니다. 이들은 동일한 냉각 구조에서 병렬 부하로 작동합니다. 적절하게 선택된 두 인터페이스는 팩의 작동 주기 동안 자체 경로의 저항을 허용 범위 내로 유지합니다.
인터페이스 형태는 위치에 따라 다르므로 추측하지 말고 실제 패키지 및 장착 상태를 확인해야 합니다. 단단히 고정된 파워 모듈 베이스 플레이트는 평평하고 정밀하게 제어된 접합부를 가질 수 있으며, 이러한 경우 얇은 그리스 또는 상변화 필름을 사용하면 효과적입니다. 배터리 측 전자 장치 및 제어 보드는 종종 불규칙한 간격을 가지므로 압축 가능한 갭 필러 및 패드를 사용하는 것이 적합하지만, 실제 조립품에서 평탄도, 클램핑 및 간격을 확인해야 합니다. 각 인터페이스와 해당 쿨러를 최적으로 매칭하는 것이 팩 전체의 냉각 효율을 좌우하는 핵심입니다. 아무리 정밀하게 가공된 콜드 플레이트라도 접합부가 두껍거나 빈 공간이 있으면 제 기능을 하지 못하기 때문입니다. Trumonytechs는 배터리 팩 및 전력 전자 장치 냉각을 위한 열 인터페이스 재료와 이에 맞는 액체 콜드 플레이트를 개발합니다.; TIM 솔루션을 살펴보세요 냉각 부품과 결합되는 틈새 충전재, 패드 또는 분사 재료를 정확하게 맞춰야 합니다. 이러한 원칙은 차량용 인버터부터 시작하여 전력 전자 장치가 있는 모든 곳에 적용됩니다. 데이터센터용 에너지 저장 배터리 팩, 여기서 재료의 특성은 단일 전도도 수치보다 듀티 사이클과 갭 변화에 의해 더 크게 결정됩니다.
결론
전력 전자 장치의 열 인터페이스 재료를 선택할 때는 데이터시트가 아닌 인터페이스를 기준으로 결정해야 합니다. 후보 물질을 추려내기 전에 다음 네 가지 제약 조건을 설정하십시오. 간격 및 간격 변화, 기계 설계에서 허용하는 체결력, 접합부의 절연 필요성, 그리고 내구성 유지 여부입니다. 이러한 제약 조건을 통해 후보군을 좁힌 다음, 전도율을 기준으로 최종 선택을 결정하십시오. 높은 W/m·K 등급을 목표로 삼는 것은 함정입니다. 접합부가 실제로 느끼는 것은 접합선 두께, 접촉 저항, 그리고 사이클링 성능이기 때문입니다. 실제 부하 시의 설치 저항 또는 케이스 온도를 측정하여 선택의 타당성을 확인하십시오. 마지막으로, 일반적인 수명 수치가 아닌, 정의된 사이클 횟수, 온도 범위, 체결 조건 및 고장 기준에 따라 팩의 수명 동안 그리스의 펌프 아웃 성능을 검증해야 합니다.
자주 묻는 질문
IGBT 모듈에 써멀 패드나 써멀 그리스가 필요한가요?
모듈 이름이 아닌 접합부에 맞는 제품을 선택하십시오. 열 그리스는 얇은 접합선까지 도달하기 때문에 평평하고 단단히 고정된 IGBT 베이스플레이트에 적합합니다. 열 패드는 간격이 고르지 않거나 고정력이 제한적인 설계에 적합합니다. 그리스는 접합면이 잘 맞물릴 때 저항을 낮추는 반면, 패드는 전도성을 다소 희생하는 대신 유연성이 뛰어나고 더 쉽고 반복적으로 설치할 수 있습니다.
SiC 전력 모듈에 실제로 필요한 열전도율은 얼마인가요?
실제로 유용한 목표는 단일 전도도 수치가 아니라 낮은 접합부 저항을 달성하는 것입니다. 접합선 두께와 접촉 저항이 더 중요한 경우가 많기 때문입니다. 고출력 모듈의 경우, 접합부 저항이 약 1.0 K·cm²/W 미만인 것이 일반적인 목표입니다. 이는 재료의 적합성과 적용 분야를 실제 간극에 맞춰 조정함으로써 달성할 수 있는 조건 의존적인 목표이며, 단순히 가장 높은 W/m·K 값을 가진 제품을 구매하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
고출력 모듈에 그리스 대신 상변화 물질을 사용할 수 있을까요?
대부분의 경우 그렇습니다. 상변화 물질은 전이 온도 이상에서 연화되어 얇고 저항이 낮은 접착층을 형성하기 때문에 고출력 평면 접합부에 자주 사용됩니다. 수작업으로 도포하는 그리스는 제품마다 접착력이 일정하지 않을 수 있지만, 상변화 필름은 보다 일관된 접착층을 유지할 수 있습니다. 단, 이는 사용하시는 제품과 공정에 따라 확인해야 합니다. 단점은 이 필름이 반영구적이며 제대로 작동하려면 평평하고 단단히 고정된 접합면이 필요하다는 것입니다.
열 인터페이스 접합선의 두께는 얼마나 되어야 할까요?
두께가 두꺼워질수록 저항이 증가하므로, 모든 틈새를 채우면서도 접합면에서 허용하는 가장 얇은 접착층을 목표로 해야 합니다. 그리스나 상변화막은 평평한 접합면에서 압력을 받으면 수십 마이크론 두께까지 형성될 수 있지만, 틈새가 고르지 않으면 더 두꺼운 패드나 틈새 충전재를 사용해야 합니다. 명목상의 값에 의존하기보다는 접합면 전체에 걸쳐 실제 틈새를 측정하십시오.
전력 전자용 열전도성 물질(TIM)은 전기적으로 절연되어야 합니까?
인터페이스 자체가 활선 베이스플레이트와 접지된 쿨러 사이의 절연을 제공하는 경우에만 해당 인터페이스는 인가 전압 및 두께에 대한 유전 여유를 갖춘 절연체여야 합니다. 스택의 다른 부분에서 절연이 처리되는 경우에는 전기 전도성 재료를 사용할 수 있지만, 이 경우 설계 시 인접한 도체와의 간섭을 피해야 합니다.
추가 자료
- 고출력 전자 장치의 열 관리를 위한 열 인터페이스 재료의 최근 발전 동향 — 동료 평가를 거친 논문(Micromachines, NCBI PMC 경유). 위의 재료 상충 관계를 설명하는 데 사용된 고출력 열유속 수치 및 전도율 범위를 뒷받침합니다.
- 첨단 열전도성 물질(TIM)은 고출력 밀도 열 문제를 해결하는 데 도움을 줍니다. — 산업 기술 매체(Electronic Design). 최신 전력 전자 모듈의 전력 밀도 증가에 대응하기 위한 열 인터페이스 재료의 활용에 대한 배경 설명.
