Thermal Performance Analysis of Composite PCM-based Heat Sink Applicable to Electronics Device Thermal Management = 전자 소자 열 관리를 위한 복합 PCM 기반 방열판의 열적 성능 분석

국문 초록 (Abstract)

반도체 소자의 소형화는 열유속 밀도의 증가를 초래하며, 이에 따라 신뢰성과 성능 확보를 위한 효과적인 열 관리가 핵심적인 과제가 된다. 상변화 물질(Phase-Change Materials, PCMs)은 용융 과정에서 거의 일정한 온도를 유지하며 열을 흡수함으로써 온도 피크를 완충할 수 있다. 본 연구에서는 니켈 폼/PCM 복합 방열판의 열적 성능을 실험적으로 평가하였다. 먼저, 공극률 95%의 니켈 폼에 RT-44HC를 함침한 복합체(PCM 체적분율 (\psi_{PCM} = 0.6–0.8)를 대상으로 실험을 수행하였다. 이어서 RT-35HC와 RT-54HC를 (\psi_{PCM} = 0.6) 및 0.8 조건에서 적용한 두 번째 구성을 조사하였다. 열유속 0.8–2.4 kW/m² 조건에서 90분 동안의 충·방열 사이클 동안 접합부 및 베이스 온도를 측정하였다.
주요 결과는 다음과 같다. RT-44HC를 (\psi_{PCM}= 0.6)으로 적용한 경우, 충열 종료 시 베이스 온도는 PCM을 포함하지 않은 니켈 폼 대비 18.6% 감소하였다. (\psi_{PCM})을 0.6에서 0.8로 증가시키면 추가로 11.6%의 온도 저감 효과가 나타났다. 복합체의 유효 열전도도는 순수 PCM 대비 최대 수 배까지 크게 증가한 반면, 잠열은 약 23% 감소하여 열전도도–열용량 간의 상충 관계가 존재함을 확인하였다. 복합체의 방열 과정은 PCM이 없는 니켈 폼에 비해 지연되었으나, 방열판 온도는 안전 운전 범위 내에 유지되었다. PCM 종류 간 비교 결과, RT-35HC–니켈 폼 구성에서 (\psi_{PCM} = 0.8)일 때 가장 큰 최대 온도 저감 효과를 보였으며, 1.6 kW/m² 조건에서 24.9%의 온도 감소와 함께 65 °C 한계 기준 허용 운전 시간을 3.84배 연장하였다. 동일한 체적분율에서 RT-54HC는 2.4 kW/m² 조건에서 최대 온도를 21.4% 저감하였다.
종합적으로, 니켈 폼/PCM 복합 방열판은 충·방열 과정 모두에서 온도 피크를 효과적으로 억제하고 안전 운전 시간을 연장하는 것으로 나타났으며, 시험된 구성 중에서는 (\psi_{PCM}= 0.8)의 RT-35HC가 가장 우수한 성능을 보였다. 본 결과는 PCM–폼 복합체가 차세대 전자 패키징을 위한 실용적인 냉각 솔루션임을 입증하며, 향후 시스템 통합 전략 수립에 유용한 기초 자료를 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Miniaturization of semiconductor devices increases heat flux densities, making effective thermal management critical for reliability and performance. Phase-change materials (PCMs) can buffer peaks by absorbing heat at near-constant temperature during melting. This work experimentally evaluates nickel-foam/PCM composite heat sinks. First, a 95%-porosity nickel foam embedded with RT-44HC (PCM volume fractions 𝜓𝑃𝐶𝑀 = 0.6–0.8) is tested. A second configuration investigates RT-35HC and RT-54HC at 𝜓𝑃𝐶𝑀 = 0.6 and 0.8. Junction/base temperatures are monitored under heat fluxes of 0.8–2.4 kW/m2 over 90-minute charging and discharging cycles. Key findings are as follows: With RT-44HC at 𝜓𝑃𝐶𝑀 = 0.6, the base temperature at the end of charging decreases by 18.6% compared with the foam only. Increasing 𝜓𝑃𝐶𝑀 from 0.6 to 0.8 yields an additional 11.6% reduction. The composite’s effective thermal conductivity increases substantially (up to folds over pristine PCM) with a concomitant 23% decrease in latent heat, reflecting a conductivity–capacity trade-off. Discharging of the composite is delayed relative to foam without PCM, yet sink temperatures remain within safe limits. Across PCMs, the RT-35HC– nickel-foam configuration at 𝜓𝑃𝐶𝑀 = 0.8 achieves the largest peak-temperature reduction—24.9% at 1.6 Kw/m2, and extends the allowable operating time by 3.84 times at a 65 °C limit. RT-54HC at the same fraction reduces peak temperature by 21.4% at 2.4 kW/m2. Overall, nickel-foam/PCM heat sinks effectively suppress temperature peaks and prolong safe operating windows during both charging and discharging, with RT-35HC at 𝜓𝑃𝐶𝑀 = 0.8 delivering the best performance among the tested configurations. These results support PCM–foam composites as practical cooling solutions for advanced electronic packaging and inform future integration strategies. Keywords: Heat sink; Thermal management; Metallic foams; Phase change materials

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1 1
• Introduction 1
• 1.1 Problem Statement 1
• 1.2 Background and Motivation 2
• 1.3 Heat Sink and PCMs 3
• 1.4 Objectives 4
• CHAPTER 2 6
• Literature Survey 6
• 2.1 Thermal Management Challenges in Modern Electronics 6
• 2.2 PCMs for Passive Thermal Management 8
• 2.2.1 Classification and Selection Criteria 8
• 2.2 Limitations of Pristine PCMs 9
• 2.3 Strategies for Thermal Conductivity Enhancement 9
• 2.3 Form-stable Composite PCMs 12
• 2.3.1 Metallic Foams as Heat Transfer Enhancers 12
• 2.3.2 Carbon- and Graphite-Based Foams 13
• 2.3.3 Gradient and Structured Porous Media 13
• 2.3.4 Hybrid and Multi-Enhancement Strategies 14
• 2.3.5 Key Trade-Offs and Practical Considerations 15
• 2.4 Identification of Optimal Configurations 15
• 2.4.1 Sensitivity of Foam Porosity and Pore Density 16
• 2.4.2 Sensitivity of PCM Fraction 17
• 2.4.3 Sensitivity of Foam Material 18
• 2.4.4 DNN-based Analysis and Configurational Strategies 19
• CHAPTER 3 21
• Methodology of Research 21
• 3.1 Methodology and Considerations 21
• 3.2 Assumptions 23
• 3.3 Utilization of Results 24
• CHAPTER 4 25
• Experimental setup 25
• 4.1 Components Details 25
• 4.1.1 Configuration and Setup 25
• 4.1.2 DC Power Supply 26
• 4.1.2 Data Acquisition System 27
• 4.1.3 Plate Heater 27
• 4.1.4 Thermocouples 28
• 4.1.5 Heat Sink 28
• 4.2 Heat Sink Configurations 28
• 4.3 Location of Temperature Points 30
• 4.4 Uncertainty Analysis 31
• 4.5 Validation of Experimental Setup 33
• 4.6 Experimental Procedure 34
• CHAPTER 5 37
• Materials and Characterization 37
• 5.1 Metallic Foams 37
• 5.2 Phase Change Materials 38
• 5.3 Scanning Electron Microscopy (SEM) Analysis 40
• 5.4 Differential Scanning Calorimetry 44
• 5.5 Thermogravimetric Analysis (TGA) 45
• CHAPTER 6 48
• Performance of PCMs within Nickel Foam 48
• 6.1 Effect of PCM within Nickel Foam 48
• 6.2 Effect of PCM Fraction 50
• 6.3 Effective Thermal Conductivity and Latent Heat 53
• 6.4 Temperature Distribution 55
• 6.5 Comparison Based on Previous Research 56
• CHAPTER 7 59
• Heat Transfer and Liquid Fraction of PCMs 59
• 7.1 Effect of Composite PCMs on Junction Temperature 59
• Critical Temperature Points 64
• 7.2.1 Charging Cycle 64
• 7.2.2 Discharging Cycle 67
• 7.3 Liquid Fraction of PCM 70
• 7.4 Heat Transfer Analysis 73
• 7.4.1 Composite PCMs 73
• 7.4.2 Heat Dissipation to the Ambient 75
• 7.5 Effectiveness of the Heat Sink 77
• CHAPTER 8 79
• Deep Learning for Thermal Performance Optimization 79
• 8.1 Data Visualization 80
• 8.2 Physics-Informed Features Selection 86
• 8.2.1 Hyperparameter Tuning 87
• 8.2.2 Developing the Optimal Model 89
• 8.2.3 Performance Evaluation of the Developed Model 91
• 8.2.4 Data Correlation and Model Explanation SHAP Values 92
• CHAPTER 9 95
• Conclusion and Future Prospects 95
• 9.1 Conclusion 95
• 9.2 Future Prospects 97
• BIBLIOGRAPHY 99