○ 열전소자는 설치 환경 및 제품 특성에 맞는 조립(설치)방법을 선택해야 하며, 주요 조립방법으로는 클램핑, 에폭시본딩, 솔더링, 마운팅 패드, 열전도 테이프 등이 있다.

1) 중요 고려사항

○ 열전시스템의 조립은 시스템의 성능 및 신뢰성을 좌우하는 중요한 기술로써, 조립을 위한 기본 원칙을 철저히 준수해야 한다.

- 열전소자는 압축모드에서는 높은 기계적 강도를 갖지만 전단강도는 상대적으로 낮다. 따라서 열전시스템(열전소자)은 기계적 하중을 받는 중요한 지지 부재로 사용해서는 안된다.

- 열전시스템 구성요소 내의 모든 계면은 열저항을 최소화하기 위하여 평탄하고, 평행하며 청정한 표면을 가져야 한다. 고전도성의 열계면재료(TIM)를 사용하여 접촉계면에서의 열저항을 최소화 시키도록 한다.

- 표준형 열전소자의 리드와이어는 방열판과 접촉되는 열전소자의 발열면(hot side)에 부착하며, DC 전원의 양극(+, red)은 열전소자의 오른쪽에 연결한다. 열전소자의 흡열면과 발열면을 구별하고 전원 극성 연결의 실수를 줄일 수 있다.

- 냉각 대상체를 주변온도 이하로 냉각시키는 경우에, 주위로의 열손실을 최소화하기 위해 대상체는 최대한 절연(단열)을 시켜야 한다. 대류 손실을 줄이기 위하여 외부 공기의 유입을 차단하며 외부 기구물과의 직접 접촉을 최소화하여 전도 손실을 줄이도록 한다.

- 냉각 대상체를 이슬점(dew point)이하로 냉각시키는 경우에 열전소자의 냉각면에는 수분이 발생(결로, 응축)하며, 열전소자 내부로 침투하여 심각한 열손실을 일으키거나 제품의 고장을 일으키게 된다. 따라서 열전시스템은 열전소자의 둘레 또는 방열판과 대상체의 사이에 RTV 실리콘 등을 이용하여 밀봉처리 하도록 한다.

○ 방열판과 냉각 대상체 사이의 열전달 효과(열저항 감소)를 높이기 위하여 열전소자의 두께는 엄격하게 관리되어야 한다. 특히 하나 이상의 열전소자를 조립하는 경우에는 열전소자의 두께 공차를 ±0.03㎜ 이내로 관리하도록 한다. 하지만 시스템에 하나의 소자를 조립하는 경우에는 ±0.3㎜의 허용 공차를 사용하는 것이 일반적이다.

2) 클램핑 (Clamping)

○ 가장 일반적인 조립방법으로, 열전소자를 사이에 두고 방열판과 냉각대상체를 스크류를 이용하여 고정하는 방법이다. 접합계면에서의 열저항을 줄이기 위하여 방열판 및 냉각대상체는 평탄하게 가공(1㎜/m 이내)하며, 열전소자 간의 두께 편차는 0.06㎜ 이내에 들어오도록 한다.

○ 열전소자의 전면에 걸쳐 균일한 압력이 작용되도록 스크류는 열전소자를 기준으로 대칭패턴으로 체결한다. 스크류를 통한 전도 손실을 줄이기 위하여 스크류는 M3 또는 M4 규격 이하의 스테인리스강 재질을 사용하며, belleville 스프링와셔 또는 split lock 와셔를 사용하면 시스템의 열팽창 또는 수축이 일어나더라도 균일한 압력을 유지하는 데에 도움을 준다.

Fig 1. General washer configuration 

○ 조립 순서는 열전시스템의 접합계면에서 burr, 먼지 등을 제거하고, 열전시스템의 모든 접합계면에는 열전도성 그리스 등의 TIM을 얇게 도포(코팅)한다. 열전소자의 발열면을 먼저 부착하며, 그리스의 두께는 0.02㎜ 이하가 되도록 한다. 조립이 완료되면 접합계면에서 여분의 그리스는 제거한다.

○ 스크류는 열전소자의 성능 저하 또는 파손방지를 위하여 열전소자 전면에 걸쳐서 균일한 압력이 가해지도록 체결하는 것이 중요하며, 토크 스크류드라이버를 이용하여 가운데 위치에서 바깥쪽으로 단계적으로 토크를 증가시키면서 조인다.

○ 접합계면에 도포된 그리스는 클램핑 동안에 일부가 계면에서 빠져나오게 되고, 이로 인해서 스크류가 느슨해지게 된다. 따라서 최소 1시간 후에 적절한 토크가 유지되도록 다시 한번 조여준다.

Fig 2. Clamping assembly 

○ 열전소자의 클램핑을 위한 토크값은 다음과 같이 계산하며, 실제 체결상태를 확인한 후에 토크값을 가감하여 적절한 토크값을 찾도록 한다.

3) 에폭시 접합 (Epoxy Bonding)

○ 제한된 특정 응용분야에 적용되는 방법으로, 고열전도성 에폭시 접착제를 사용하여 대상체 표면에 열전소자를 직접 접착하는 방법이다.

○ 상용 소자의 경우에는 세라믹 기판, 방열판, 냉각대상체의 열팽창계수가 서로 다르기 때문에 대형 소자의 경우에는 권장하는 않으며, 특히 진공 시스템의 경우에는 사용하지 않도록 한다.

○ 열전소자가 설치되는 표면은 기계적 가공 등을 통해 평탄한 표면을 가져야 하지만, 상대적으로 표면 평탄도의 중요성은 낮다. 그리고 다른 접합방법과 마찬가지로 접합 표면은 물리적으로 청정한 상태를 유지해야 한다.

○ 접합 방법은 열전소자의 발열면(hot side)에 에폭시를 얇게 코팅하여 방열판에 먼저 부착하며, 여분의 에폭시는 열전소자에 적절한 하중을 가한 상태에서 앞뒤로 움직여 접합면의 밖으로 빠져나오도록 하여 제거한다.

○ 에폭시의 경화 시간 동안에는 하중을 가하면서 고정되도록 하며, 열경화 타입인 경우에는 열전소자의 최대 동작온도 이하에서 경화시켜야 한다. (상용 모듈의 경우에는 일반적으로 200℃ 이하에서 경화시키며, 열전소자 제조업체의 사양정보를 따르도록 한다. 참고로, 테그웨이 유연열전소자는 100℃ 이내(내부 충진폼의 열분해 온도 이하)의 경화온도에서 작업하여야 한다.)

                                                                                                  Fig 3.  Epoxy bonding                                  Fig 4. Soldering joint                    

4) 솔더링 접합 (Soldering)

○ 열전소자의 외부표면을 금속화처리(Metallizing)하고 열전소자와 대상체(또는 방열판)를 솔더링에 의해 접합하는 방법이다. 솔더링에 의한 열전소자의 과열 및 손상방지를 위해 솔더링 온도에 대한 섬세한 관리가 필요하다.

○ 솔더링 접합은 열전소자에 과도한 응력이 집중되지 않는 부분에 적용되어야 하며, 제품의 구조부재로 사용되지 않는 경우에는 열전소자의 양면을 솔더링 접합시킬 수 있다.

○ 솔더링 접합 과정에서 열전소자의 최대 동작온도를 절대로 초과해서는 안되며, 15X15㎜ 이하의 열전소자에 사용하는 것이 바람직하다.

○ 솔더링되는 접합면은 기계적 가공 등을 통해 평탄한 표면을 갖도록 하며, 접합면의 이물질의 제거 뿐만 아니라 탈지 및 산화물 제거처리가 필요하다. 방열판 등의 접합 표면은 주석(Sn) 처리와 함께 플럭스의 도포가 필요할 수 있으며, 솔더링 과정 동안에 적절한 무게를 가하여 고정시키도록 한다. 솔더링 작업 완료후에는 플럭스 잔여물을 제거한다.

5) 기타 : 마운팅 패드 등

○ 열계면재료(TIM, Thermal Interface Material)의 한 종류로써, 열전도성 그리스를 대신하여 실리콘계 마운팅 패드가 사용되기도 한다.

○ 반도체 부품의 조립 등에 사용되는 마운팅 패드는 계면에서 높은 열저항을 가질 수 있지만, 생산성이 높고 조립 후의 잔여 그리스 제거 등과 같은 청소시간을 줄일 수 있기 때문에 적용범위가 점차 늘어나고 있다.