글쓴이 : SOONDORI
최근 경험했던 어떤 것에 착안한 정리.
“~Power”가 붙은 소자, 수백 mA, 수 A, 수십 A를 취급하는 소자, 심지어 꼬맹이 소자에 있어서도 전류와 온도 상승과 W 등 운용 변수를 잘 가늠하고 적절한 방열 대책을 세우는 것은 매우 중요하다”
■ 소자 절편과 발열 그리고 열의 이동
접합부(Junction) 즉, 반도체 소자의 조각들(P층, N층, 어떤 층, 저런 층… )로부터 발열이 시작된다. 어쨌든 그 안에서 전류가 흐르니까.
그 열은, 1) Die Bonding을 거쳐서 Frame으로 표현된 금속 부에 전달되고, 2) 동시에 Mold로 표현된 플라스틱 껍데기 쪽으로도 전달된다. 3) 열전도도가 금속에 비해 훨씬 작은 플라스틱 몰딩 쪽은 소자의 뒷면 즉, Frame으로 표현된 금속 부보다는 덜 뜨겁다.
그런 경로를 갖는 소자 내부 발열은 적당히 억제되어야 하고 과한 열은 빠르게 배출되어야 함.
그렇게 할 수 없다면?
온도 초과로 소자가 망가진다. 유형물 소자의 겉면이 타는 게 아니라 내부에 있는 반도체 절편에 심각한 열화가 생김.
■ 반도체 소자의 허용 손실
W로 표현되는 ‘허용 손실’, Heat Dissipation은 허용될 수 있는 열 방출(=취급 에너지량)의 크기. 예를 들어 아래 7N9- Power MOSFET 스펙에서,
1) Power Dissipation : P_d
Heat나 Power나… a) 소자 부착용을 겸하는 방열 금속이 완전히 노출된 TO-220 패키지나 아예 덩치가 큰 TO-263의 ‘허용 손실’은 142W까지. 2) 플라스틱으로 몸체를 완전히 감싼 TO-220F/TO-220F1 패키지의 P_d는 48W.
역시 절연 때문에 쓰는 플라스틱 몰딩은 방열 성능을 현격히 감소시키는 부의 효과가 있다. 소자가 혹사당하는 상황에서는 후자가 전자에 비해 많이 부족함. 더 쉽게 고장 난다는 뜻.
2) Junction Temperature : Tj
접합부 또는 Junction으로 표현된 내부 반도체 조각의 온도가 150도를 넘어가면 소자 망실이다. 그 온도는 지속적으로 흐르는 전류, 전압의 크기와 펄스성 제어 시 통전 시간 즉, 취급 에너지의 밀도와 관계가 있음.
3) Junction to Case
반도체 소자 조각과 후면 방열 금속 사이의 열저항으로 당연히 작을수록 좋음. 수치가 높다면 1W당 상승온도가 더 높고 그렇다면 혹사할 때 고장 날 확률은 Up, Up.
그것은 아래 수식을 거쳐 1항에 연결된다.
P_d = (T_j – T_c) ÷ R_thjc(Θ_jc)
위 7N80을 대상으로 계산해보면,
a) TO-220의 경우는 P_d = (T_j – T_c) ÷ R_thjc(Θ_jc) = (150 – 25) ÷ 0.88 = 142W
b) 방열에 취약한 TO-220F는 P_d = (150 – 25) ÷ 2.6 = 48W
■ DIY 세상에서…
1) 본래는 열 전달을 전기의 흐름처럼 바꾸어 생각하고 소자와 방열판 접촉부의 열저항이 얼마이고 방열판이 어떤 조건에서 얼마나 빠르게 열을 공기 중에 방사하는지 등 변수를 가지고 방열판 체적을 계산하지만… DIYer에게는 단서가 없음. 온라인/오프라인 판매자도 모르는 경우가 있음.
그렇다면 뭐… 꿩 대신 닭.
출력이 큰 앰프는 방열판이 크다. 빈티지 기기의 체적과 최대 출력을 기억하고 DIY용 방열판의 체적을 비율로 가늠하면 된다. 더하여, 차가운 공기가 어디로 들어오고 더운 공기는 어디로 빠져나갈 것인지도 상상해보고.
2) 표제부 사진 참고. 산화알루미늄 등 물질과 적당한 유제를 섞은, 회색의 써멀 구리스(Thermal Grease, 또는 써멀 페이스트, 써멀 컴파운드)를 (심각하게 작은) 용기에 넣고 팔고 있다. 너무 조금이라서 처음에는 섭섭했지만, DIY 빈도를 생각하면 대충 1년은 쓸 수 있는 분량일 듯. 품질은 모르겠고… 어쨌든 몇 천 원.
파워 소자 뒷면에 아주 조금 발라주는 정도만 해도 확실히 전/후가 다르다. 소자와 방열판 사이의, 미세하게 비어있는 공간(=전기 흐름으로 바꿔서 생각하면 저항)을 써멀 그리스가 채워주기 때문인데… 쓸모 없는 일반저항 10K오움을 1.1오움으로 바꾼 것과 같고 셀렉터 접점 불량을 전용 용제로 조치한 것과 같다. 그렇게 하면 전류가 더 많이 흐르듯 열도 더 많이 흐른다.
아무튼 키워드는, ‘금속 대 금속, 금속 대 방열 매체의 물리적인 밀착’. 한편으로, 써멀 패드보다 써멀 구리스가 열전달을 더 잘한다는 게 통론. 써멀 패드를 쓸 때도 써멀 구리스로 가필하는 게 좋을 듯.
■ 빈티지 오디오 세상에서…
1) 설계자의 방심
어떤 기기의 뚜껑을 열고 전원부를 바라보았는데… 기판이 갈색으로 또는 아예 까맣게 변한 경우가 있다. 방열 대책이 전무한 조건에서 소자가 장시간 열에 혹사당한 사례. 기판의 동박도 들뜨고, 그렇고 그래서 기분이 나쁨.
당장에 고장 날 것은 아니라지만, 투덜거리면서 가벼운 수준의 방열판이라도 붙여주는 게 좋다.
2) 제조사의 태만
기판 윗면에 방열판 그림이 있으니 분명히 설계자가 방열 대책을 세웠음인데… 엄지 손톱만한 크기의 그, 그, 그 방열판이 없다. 있으라고 했는데 없다는 것은 빼먹었다는 이야기이고 그것은 누군가의 돈벌이나 태만에 기인한 것.
3) 사소한 것에 무심함
손으로 만지면 너무, 너무 뜨거운데 딱히 이렇다 저렇다 말하기는 어려운 경우. 참조 사례로, 누군가에게 어떤 장치를 만들어달라고 했는데 1년만에 고장이 났다. 이유는 전원부 레귤레이터 IC에 붙은 방열판이 생색내기에 그치는, 아주 작은 것이었기 때문에. IC에 붙어서 대롱대롱하는, 있으나 마나한, 그런데 공교롭게도 A/S기간 1년이 지난… 에라이~!
4) 예열과 과열의 차이
반도체 앰프를 점검할 때 10분쯤 예열한다. 진공관은 당연히 그렇고. “미리 열을 가해서 온도를 통상의 수준으로 올리고 쓰세요”일 것인데… 그런 ‘예열’은 확실히 ‘과열’과 다르다. 예를 들어 장기간 과열이 반복되면 대뜸 커패시터 노화가 염려될 수밖에 없음.
그러므로 어떤 조건에서도 절대 과열이 생기지 않도록 PCB 패턴을 여하히 보강하거나 와이어를 붙여서 더 넓은 열 발산 통로를 만들거나 크고 작은 그러면서도 형상이 복잡하여 공기 접촉 면이 넓은 즉, 방열 여유가 있는 방열판을 붙여주거나.
5) 강제 냉각, 먼지 그리고 FAN
다 채널 AV 앰프는 일반 앰프에 비해 회로 밀집도가 높다. 방열판 체적 확대로 도저히 대응이 안 될 때 FAN을 돌리게 된다. 그러면 10년, 20년, 30년쯤 후에는… 베어링 마모에 의한 소음이 문제, 강제 공기흐름을 만들었지만, 먼지 유입 방지대책이 전무하여 문제. 그러므로 가끔 안을 들여다 보고 청소해주는 게 좋겠다.
6) 냉각이 더 중요한 세상
DIYer 수준에 걸맞은 모든 방열 솔루션은 PC 세상에 가 있는 듯. CPU 쿨링을 위해 뭘 쓰고 뭘 쓰고… 테크닉스가 좋아했던 히트 파이프 냉각은 기본.
7) 파워앰프와 프리앰프의 위치
과거의 멋진 팸플릿이나 홍보 기사를 보면 항상 프리앰프가 파워앰프 위에 놓인다. 무거운 것이 아래쪽으로 가는 게 시각적인 안정감을 주기 때문일 것인데…
가정집에서 볼륨을 키워봐야 수 W 수준이라서 넘어가는 것일 뿐, 열을 이동시키는 대류를 생각하면 파워앰프 상면이 허공을 향하는 게 맞다. 프리앰프는 그 밑으로. 그런데 파워앰프의 무게가 엄청나니까 프리앰프 위에 파워앰프를 얹는 것도 정답은 아님. 아예 배치 위치를 분리하거나…
8) 작은 미니급 뚜껑 열기
절반 토막 체적 공간 안에 이것저것을 마구 구겨 넣다 보니까 방열은 후순위. 기능이 많아서 집적도가 높은 일제 미니급 오디오는 뚜껑을 열고 한 번쯤 살펴볼 일이다. 판단 하에 분리 컴포넌트의 위치를 달리해보거나…
9) 장마철 그리고 방치
습기는 전자 제품에 안 좋다. 장마철에… 그간 방치했던 기기는 30분쯤 켜두고 버튼, 셀렉터 등을 조작해주는 게 좋다는 생각. 그에 대한 방증으로 10년 이상 처박아놓은 부품의 리드선은 상태가 몹시 안 좋음. 그냥 금속 면이 썩어가고 있었던 것이다. 무엇 때문에? 물.
글 마무리로… 파워앰프 출력석을 기준으로 한 열 흐름을 정리해보면,
대전류 흐름 → 현물 트랜지스터 플라스틱 몰딩 안에 있는 아주 작고 얇은 반도체 층의 발열 → 소자 금속부로 열 전달 → 써멀 구리스 → 절연용 운모 절편 → 방열판 고정면 → 알루미늄의 열전도 → 발열판 핀(Fin) → 기기 안쪽의 공간 → 공기와 대류 → 기기 외부로 열 방출.
이런 흐름 중 하나에 문제가 생기면 기기가 고장나거나 점진적으로 나빠짐. 상태 변화는 곧 음의 변질이 될 수도 있다.
극단의 상상을 해보면, 기기가 고열에 괜히 고생하는 것을 무시하거나 모르는 채로 수백 만원 짜리 인터케이블을 사는 것은 바보짓이 된다. 반대로 빈티지 기기의 오래된 방열 구조물을 재정비하거나 신품 키트 보드나 기기의 방열 방식을 달리하는 것은 좋은 DIY 소재가 될 수 있겠고.
마지막으로… “열 흡수 = 열 발산”이라는 논리에 따르면 검은색 방열판은 은색 방열판보다 방열 효율이 더 좋다, 검은색은 도색 비용이 들어가니까 1원이라도 비싸다는 점 참고. 기타 색상도 있음.
(내용 추가) 구입 대상 방열판의 체적을 인켈 앰프의 방열판과 출력을 기준으로 적당히 가늠해보는 하는 것보다는 더 좋은, 그러면서도 꽤 간단한 방법. 예를 들어 Fin의 개수가 중요한데 복잡해지니까 그냥 두리뭉실 넘어가고 있다. DIYer에게는 오히려 Nice!
* URL : celsiainc.com/resources/calculators/heat-sink-size-calculator
- A : 데이터 시트에 표기된 P_d 값(W). 소자 운용 안전을 우선한다면… 예를 들어 1.5 정도를 곱해서 입력할 수도 있음.
- B : T_c는 데이터 시트에 표기된 소자 뒷면 방열용 금속부의 온도 Max. = 소자가 버틸 수 있는 운용 온도.
- C : 여름철 최악 조건의 실내 온도
- D : 소자와 방열판이 결박된 상태에서 방열판을 어떻게 냉각할 것인지를 상상한다. D는 자연대류(Natural Convection)에 의한 열이동. 그리고 최악을 우선해서 선택.
자, 희망 체적 250cm^3의 +4배나 되는 1000cm^3짜리 거대 방열판을 쓰라고 한다. 난처한데… 어떻게 하면 될까?
시중에서 흔한, 몇 천 원짜리 Brushless DC FAN을 붙이면 됨. 감각적으로 이 정도는 가능하겠다 싶은 풍속 2.5m/S를 넣어보면… 결과는 대동소이. 그러니까 250m^3 체적의 방열판을 사되 그 옆에서 여러 열 Fin의 방향으로, 열심히 바람을 불어넣으면 된다는 말씀.
