몽키로 전력 변환하기

정류기와 다이오드를 이용한 다이오드 정류기의 정의는 다음과 같습니다.

먼저 다이오드 정류기의 다이오드에 대해 알아보도록 하겠습니다.

반파 정류회로

다이오드를 이용한 정류회로 중 하나인 반파정류회로 입니다.

양의 주기는 출력하고 음의 주기는 차단하는 정류기로 주기에 따른 특성은 다음과 같이

나타낼 수 있습니다.

다음으론 전파 정류 회로입니다.

전파 정류회로

전파정류회로는 양의 주기와 음의 주기 모두 출력하는 정류기로 주기에 따른 특성에 따라

다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

다이오드 4개를 를 통해 다이오드 1,4 다이오드 2,4이

전파정류 회로의 경우 음의 주기도 출력하기 때문에 실효값은 반파 정류회로에 비해 2배를 나타냅니다.

[문제1]

핀(Fin)봉의 지름 D = 25 mm이고 열전도계수 k =60 W/m-K

벽온도 Tw = 200도 핀은 벽에 수직으로세워져 있으며 벽은 단열두께

L_insulation = 200 mm인 단열재로 단열되어 있다.

본 핀봉의 단열으로부터 벗어나는 지점의 온도 To 는 화상등의 안전을 위하여

최대온도 T_max = 100oC아래에서 유지되어야 한다. 대기온도 T_∞ = 25도이고, 대류열전

달계수 h = 15 W/m2․K. 핀봉이 길이 Lo 로 드러나 있고 그 끝인 핀팁(Fin tip)은 단열되어

있다. L_o 가 200 mm일 경우 To < 100도 이여야 한다는 조건을 만족하는가?

사진 설명을 입력하세요.

이문제를 수식으로 풀면 다음과 같이 풀이됩니다

sol)

이 문제는 다음과 같은 가정하에

1. steady state(정상상태 즉 시간에 따라 변하지 않는 열의 이동이 끝난상태)

2. constant thermal conductivity( 열전도도 K가 시간온도에 따라 변하지 않는다 가정)

3. fin end insulated(핀끝 단열조건으로 핀끝으로는 열의 이동이 발생하지 않는다)

4. contact thermal resistance = 0(접촉열저항이 없는 상태(실제로는 존재하지만 무시))

5. ignore radiant heat transfer(복사열전달은 무시)

앞선 포스팅에서 표를보면 핀 끝이 단열된 상태에서의 열전달과 열저항에 대해알 수 있습니다.

이 문제는 Energy conservation에 따라 heat transfer rate가 어느지점에서나 일정함을 이용해 fin의 효율과

저항 열전도율을 통해 T_0를 구하고 100도가 넘는지를 확인하는 문제입니다.

fin의 단열된부분의 열저항

핀의 단면적

핀끝 단열시 핀효율

핀온도(T_0)

100도가 넘으므로 위험합니다.

다음포스팅에서는 Ansys를 통한 결과와 비교해보도록 하겠습니다.

먼저 Engineering data에서 비슷한 conductivity를 가진 물질을 찾아 조정해 주었습니다.

아래에서 conductivity는 20으로 맞추어 주고 4번에 추가해 줍니다.

이후 model에서 손잡이모양을 모델링 한 후 재료를 아까 만들어놓은 물질로 변경해 줍니다.

(저는 개인적으로 모델링할 때 solidworks가 편해서 solidworks에서 모델링 후 step파일로 import했습니다.)

이후 mesh를 생성할때에는 sweep 으로 지정해 주었습니다.

sizing을 통해 적절한 사이즈를 생성해 주면 됩니다.

(규칙적이고 이쁜 mesh가 더 정확한 결과가 나옵니다.)

initial temperature과 손잡이 시작부분의 온도를 지정해 줍니다.

 

실제로는 손잡이 중간의 온도가 약 78도로 단열된 핀끝으로 가정하고 풀었을때와 큰 차이가 있는것을 확인할 수 있습니다.

이러한 원인으로는 실제로 이러한 손잡이를 핀끝이 단열된 fin으로 가정한것과 형상이 굽어있는것도 영향이 있다고 생각합니다.

모두가 알듯이 반도체는 Single crystal 실리콘을(FZ,CZ method) 이용하여 반도체 8대 공정을 통해 실리콘에 회로를 만듬으로서 Chip을 만들게 됩니다.

8대공정 중 Wiring & Packaging에서

chip외부와의 전기적 통신을 위해 초기엔 실제 Wire를 이용해 배선작업을 했지만 이후에 solder ball을 이용한 Flip chip방식 요즘은 Tunnel을 뚫어 chip을 배치하는 방식을 사용하지만 주류를 이루고있는 Flip chip방식에 대해 설명하자면 Flip chip은 반도체와 PCB와 연결을 하려했는데 Chip의 사이즈가 작아 PCB에 바로 장착하기엔 무리가 있습니다. (Solder ball을 작게 만들기 어렵기 때문에)그렇기에 중간에 substrate를 이용해 chip과 PCB를 연결합니다.

위의 그림을 보면 알 수 있듯이 실리콘말고도 여러 재료들이 사용됩니다.

이러한 chip에는 수많은 트렌지스터가 장착되어 회로의 전기적신호를 ON/OFF 하는데 이 과정에서 필연적으로 발열이 발생하고 있고 이 발열을 해결하고자 SIC(실리콘카바이드),GAN(질화갈륨) 등의 신소재를 사용하지만 이 또한 단위면적당 트렌지스터의 증가로인해 높은 Heat flux의 문제점을 가지고 있습니다.

이로인해 발생하는 문제는 여러재료가 사용되기에 서로다른 CTE(열팽창계수)로 인한 lift off 현상으로 인해 신뢰성의 저하문제가 있기 때문에 여러 방열기술의 적용이 필요합니다.

그렇기에 반도체공정에서 Packaging의 열해석이 필수적으로 필요한데 오늘은 이러한 Packaging의 열해석을 Ansys를 통해 한번 해보고자 합니다.

단위[mm,w,s]

먼저 Geometry에서 20x20x1사이즈의 pure silicon pad형상을 만들어 보았습니다.

실제반도체의 경우는 복합소재의 사용과 Packaging으로 인해 많이 다르지만 형상과 재료에 대해 정확히 모르기 때문에 이렇게 진행하도록 하겠습니다.

저는 Steady State thermal과 Transient Thermal 해석을 진행하였는데

Steady state는 에너지 방정식에서 시간의 변화를 고려하지 않은 방식으로 열전달의 경로가 중요하지 않고 열전달이 모두 끝난 상태를 해석하는 방식입니다.

위의 식을 보면 쉽게 이해할 수 있습니다.

(fin 휜 설계 열전달[Heat transport]#1전도 Conduction 포스팅 참조)

CPU라고 가정하였을 때 국민 써멀구리스로 불리는 MX-4가 8정도 하므로 대류열전달 계수를 8로 가정하고

가열부의 Heat flux는 제 노트북의 TDP(Thermal Design Power) 가 45이므로 가열부의 Heat flux를 45로 가정하고 해석을 진행했습니다.

(실제로 Chip의 내부에서 열이 발생하여 열전도 방향을 위아래옆으로 다 전달되지만 isothermal transfer로 가정하여 옆을 통한 열전달이 없도록 옆 4면에 단열조건을 추가 )

위의 결과에서 온도를 보면 알다시피 Steady state이기 때문에 Step을 나누어 놓아도 모두 같은 온도를 나타내었습니다.

이후 같은 방식으로 Transient Thermal해석을 진행하여 시간에 따른 변화를 알아보도록 하겠습니다.

결과를 보면 500초까지 측정하였는데

최저온도가 22도 최고온도가 24.2도인것을 볼 수 있습니다 위의 steady state의 경우 30.625도이기 때문에 linear 하게 증가한다고 가정한다면 열평형까지 약 2500초정도 소요됨을 예측할 수 있습니다.

이전에 진행하였던 실리콘의 열전도해석에서 잘못된 점들이 있어 수정합니다.

1.Pure Si 의 thermal conductivity가 Ansys에서 제공하는 값이 잘못되었습니다

(140->1.3 [W/m*C])

그렇기에 위의 결과는 140(W/m*C) 의 재료에 45W의 열원이 있을 때 1차원 열전도에서의 열분포라고 보면 되고

아래의 결과는 1.3W/m*C의 실리콘의 열전도 해석이라 보시면 됩니다.

결과

{Steady state}

Transient Thermal