몽키로 전력 변환하기

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

MOSFET과 같은 스위칭 소자의 경우 발열해소를 위해 HEAT sink를 적용합니다.

스위칭 소자에서 일정 Heatflux가 발생할 경우 열해석을 통해 방열핀의 사이즈가 적절한지 알아보도록 하겠습니다.

대류열전달을 고려하지 않고 Heatsink의 열전도계수만을 고려하여 설계할 경우 대기로 100%의 방열효율을 가진다고 가정한 것이기에 정확하지 않은 결과를 가져오고 이를 위한 안전율을 많이 가져야 하기 때문에 오버스펙을 가진 Heat sink를 적용하게 됩니다.

그렇기에 대류열전달을 고려한 열 해석을 통해 적절한 Heatsink의 선정이 필요합니다.

예시로 다음과 같은 Heat sink에 MOSFET이 2W의 손실이 일정하게 발생한다고 할 때 MOSFET의 온도를 알아보도록 하겠습니다.

1.ANYSY에서 제공하는 3d CAD프로그램을 통해 다음과 같이 모델링 합니다.

2. TIM(Thermal interface material)이 적용된 것을 구현하기 위해 TIM또한 Mosfet이 부착될 곳에 모델링 후

Model~Solution에서 material과 시뮬레이션 조건을 적용합니다.

시뮬레이션에 적용된 material 의 열특성은 다음과 같습니다.

3. mesh 설정

간단한 형상의 열해석이기 때문에 삼각mesh로 진행하였고 계산시간을 줄이기 위해 body sizing을 통해 1mm로 적용하였습니다.

mesh는 열전달이 계산되는 node의 수를 결정짓는 것으로 가로세로의 비율이 일정하고 작은 사이즈의 mesh가 정확하지만 cpu의 spec을 고려해 간단한 삼각메쉬와 큰 사이즈의 mesh를 선정했습니다.

CPU i5 10300H

Ram 16 GB

계산시간은 위와 같은 스펙으로 3시간 정도 걸렸습니다.

2W의 손실이 발생하고 MOSFET과 Heat sink가 맞닿는 면으로만 방열이 발생한다 가정하고 시뮬레이션을 진행하였습니다.

대류열전달 계수 h는 자연대류의 경우로 가정하고 (25W/m^2 k) 진행했습니다.

시뮬레이션 결과

내진설계를 진행할 때 건물에서는 보통 제진을 통해 건물에 기둥(column)과 같은 곳에 구조물을 부착 하여

지진을 견디도록 합니다.

오늘 제가말씀드리고자하는 것은 지진을 견디는 것이 아니라 건물이 지진에 의해 발생하는 공진을 회피하는 방식에 대해 알아보고자 합니다.

<이 포스팅은 2019내진설계 창의공모전 경진대회 최우수상작(충북대학교 기계공학부)을 바탕으로 제작되었습니다>

공진이란?

공진이란 가진주파수가 고유진동수와 일치할 경우 진폭은 무한대로 커져 물체에 파괴를 일으키는 것

고유진동수란?

모든 물체는 고유진동수를 가지고 있고 이는 1차원적으로 볼 경우 질량과 강성과 연관되어 있습니다.

이 때 만약 고유진동수와 같은 물체를 부착하였을 때 아래 계산한것과 같이 공진주파수가 2개로 나뉘어지는 것을 볼 수 있습니다.

이러한 결과는 아래의 실험결과를 통해서도 확인할 수 있습니다.

11HZ의 1차 고유진동수를 가지고있는 3층구조물에 아래와 같은 진동흡수기를 부착하게 되면 다음과 같은 결과가 나오게 됩니다.

 

ANSYS harmonic 해석결과

다음으로는 면진입니다.

면진은 다음과 같은 면진장치로 구조물에 가진이 전해지지 않도록 하는 장치입니다.

ANSYS harmonic 해석결과

 

위 두 제진 및 면진을 같은 scale로 exel로 정리한 결과는 아래와 같습니다

step1 미부착

step2 제진장치 부착

step3 면진장치 부착

전체적인 진폭에서 면진은 이론상 0에 가까운것을 볼 수 있습니다

제진에서 공진주파수가 2개로 나뉘어 진것을 볼 수 있습니다