800W에서 1200W 이상에 달하는 고발열 AI 가속기, 전력 반도체 및 고밀도 컴퓨팅 플랫폼 환경에서는 기존의 기성품 방열 솔루션만으로 한계가 있습니다. 높은 종횡비를 갖춘 공랭식 방열판(heat sink)이든, 미세 유로 기반의 직랭식 액체 냉각판(liquid cold plate)이든, 궁극적인 열성능은 열교환 형상을 가공, 성형 및 접합하는 제조 공정의 품질에 의해 결정됩니다.

가공 방식을 잘못 선택하면 접촉 계면 열저항(R_int)이 증가하거나 유로 정체 현상이 발생하며, 반복되는 열사이클 환경에서 구조적 피로 균열이 일어날 수 있습니다. 안정적인 가동이 요구되는 AI 서버(AI server) 환경에서 열로 인한 클록 저하(thermal throttling)를 방지하기 위해서는 각 가공 기술의 공차 범위, 한계치 및 금속학적 특성을 고려하여 설계를 진행해야 합니다.

1. 알루미늄 압출(Extrusion): 가성비가 뛰어난 표준 공정

알루미늄 압출은 대량 생산 시 단가를 낮출 수 있어 공랭식 방열판 제작에 가장 널리 쓰이는 표준 방식입니다. 열전도율이 약 200 W/m-K 수준인 AL6063 알루미늄 빌렛을 450°C~500°C 부근으로 가열한 후, 수천 톤 규모의 유압 프레스를 통해 정밀 금형 다이(Die)로 밀어내 성형합니다.

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 압출 공정 가공 범위 및 물리적 한계                                      │
│ ──► 표준 종횡비(Aspect Ratio): 8:1 ~ 16:1 (일반 양산 수준)             │
│ ──► 고밀도 성형 한계: 최대 24:1 수준 (특수 설계 금형 필요)              │
│ ──► 핀(Fin) 최소 두께: 약 0.8 mm ~ 1.2 mm 이상                          │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

압출 방식은 베이스 플레이트와 핀이 하나의 몸체로 이어져 접합면 열저항이 없다는 장점이 있지만, 금형 자체의 기계적 파손 위험으로 인해 핀 밀도를 무한정 높이기 어렵습니다. 핀 간격을 1.5 mm 이하로 좁혀야 하는 고발열 ASIC이나 AI 서버용 노드 냉각의 경우, 고압 압출 환경에서 얇은 금형 핀 부위가 파손되기 쉽습니다.

2. 스카이빙(Skiving) 기술: 접촉 열저항이 없는 고종횡비 가공

스카이빙은 고정밀 왕복 바이트를 활용하여 순동(C1100, 약 390 W/m-K)이나 순알루미늄(AL1050/AL6063) 단일 블록 표면을 일정한 두께로 깎아 올린 뒤 세워 핀 형상을 가공하는 방식입니다.

바닥판과 방열핀이 분리되지 않은 단일 금속으로 구성되므로 다음과 같은 특성을 가집니다:

계면 접촉 열저항 제로: 베이스와 핀 사이에 솔더링 합금이나 접착제 레이어가 들어가지 않아 열 손실이 발생하지 않습니다.

높은 종횡비 구현: 30:1에서 최대 50:1에 달하는 높은 종횡비를 얻을 수 있으며, 핀 두께는 0.2 mm, 핀 간격은 0.8 mm 수준까지 미세하게 가공할 수 있습니다.

강제 대류에 최적화: 1U에서 4U 크기의 제한된 섀시 높이 안에서 방열 표면적을 극대화할 수 있어 고풍량 랙 서버 쿨러로 널리 사용됩니다.

엔지니어 팁 (Bella Cai):

"40 CFM 이상의 고유량 팬을 장착하는 서버용 스카이빙 방열판을 설계할 때는 핀 상단의 가공 곡률을 세밀하게 점검해야 합니다. TCH Thermal 생산 라인에서는 가공 후 인라인 2차 롤링 및 교정 공정을 거쳐 전체 핀 간격 오차를 ±0.05 mm 이내로 제어함으로써 국소 유동 정체를 방지합니다."

3. 정밀 CNC 밀링 가공: 복잡한 유로 성형 및 시제품 제작

CNC 밀링 및 와이어 방전 가공(Wire EDM)은 초기 시제품 제작과 정밀 유로, 복잡한 3차원 형상을 구현하는 데 핵심적인 가공법입니다.

반도체 다이에 직접 밀착되는 직랭식 액체 냉각판을 제작할 때, 고열유속 칩과 맞닿는 구리 베이스 표면에 다축 CNC 머시닝 센터를 통해 미세 채널(Micro-channel)을 가공합니다:

마이크로 핀 형상: 채널 폭 0.15 mm~0.3 mm, 핀 높이 2.0 mm~5.0 mm 수준의 세밀한 절삭이 가능합니다.

O링 홈 및 체결부 정밀 가공: 100 mm당 0.01 mm 이하의 평면도와 Ra <= 0.4 um 수준의 표면 조도를 확보하여 써멀 인터페이스 소재(TIM)의 접촉 두께(BLT)를 최소화할 수 있습니다.

CNC 밀링은 형상 설계의 유연성이 매우 뛰어나지만, 점성이 높은 무산소동(C10200) 소재를 미세 공구로 가공하면 가공 시간(Takt time)이 늘어납니다. 따라서 양산 환경에서는 진공 브레이징이나 마찰교반용접 등의 결합 기술과 병행하여 생산성을 보완합니다.

4. 스탬핑, 폴딩 및 지퍼 핀(Zipper Fin) 조립 공정

경량화와 핀 집적도를 동시에 확보하기 위해 박판 금속을 성형한 후 베이스에 접합하는 방식도 자주 쓰입니다:

지퍼 핀(Zipper Fin): 고속 프레스 금형을 통해 핀 가장자리에 맞물림 구조를 타공하여 성형합니다. 핀끼리 서로 맞물려 일정한 간격을 유지하므로 조립 공정 시 견고한 형태를 유지합니다.

폴딩 핀(Folded Fin): 한 장의 긴 금속 박판을 주름형 또는 루버 형태로 연속 절곡하여 만듭니다. 히트파이프가 여러 개 배열된 넓은 면적을 커버하기에 적합합니다.

이렇게 제작된 핀 뭉치는 베이스에 홈을 파서 내장한 히트파이프나 베이퍼 챔버 상단에 기상 솔더링(Vapor Phase Soldering)이나 진공 브레이징을 통해 결합됩니다.

5. 진공 브레이징과 마찰교반용접: 직랭식 액체 냉각판의 기밀 접합

소켓당 소비전력이 1000W를 웃도는 고집적 AI 서버 시스템에서는 공랭 방식의 한계(열저항 >0.10 °C/W)로 인해 수냉 전환이 필수적입니다. 수냉 루프는 10년 이상의 가동 수명 동안 단 한 방울의 냉매 누수도 없어야 합니다.

 [1. CNC 미세 유로 베이스 가공] ──► [2. 화학 세척 및 탈지] ──► [3. 진공 브레이징 (<0.0001 mbar)] ──► [4. 8채널 헬륨 기밀 검사]
 (미세 핀 폭: 0.2 mm 수준)          (산화막 및 불순물 제거)       (무플럭스 야금 접합, 공극률 <1%)        (기밀성: 10^-8 mbar*L/s)

진공 브레이징(Vacuum Brazing)

알루미늄 냉각판 부품 사이에 Al-Si 계열 인서트재를 배치하고, 0.0001 mbar(10^-4 mbar) 이하의 고진공 분위기로 감압된 가열로 내부에서 약 590°C~600°C로 가열하여 접합합니다.

무플럭스(Flux-Free) 공정: 화학 플럭스를 전혀 쓰지 않으므로, 잔여 화학물이 냉각수에 용해되어 냉각수 분배 장치(CDU) 루프를 부식시키거나 막히게 할 위험이 없습니다.

높은 접합 신뢰성: 접합면 공극률(Void ratio)을 1% 미만으로 억제하여 10 bar 이상의 급격한 수압 충격에도 피로 파괴가 일어나지 않습니다.

마찰교반용접(FSW)

비소모성 회전 툴을 소재 접합부에 밀어 넣어 마찰열로 금속을 소성 유동시켜 모재를 고체 상태에서 접합합니다.

비교적 단순한 유로를 지닌 알루미늄 냉각판 덮개 접합에 적합하며, 일반 용융 용접 대비 열변형이 적습니다.

6. 방열판 제조 공정별 비교 매트릭스

다음 표는 주요 열관리 부품 가공 기술의 실무 비교 데이터를 정리한 것입니다:

엔지니어 팁 (Bella Cai):

"AI 서버용 액체 냉각 베이스 플레이트를 제작할 때 단순히 공압 누설 테스트만으로 품질을 판정해서는 안 됩니다. TCH Thermal 품질 공정에서는 수침형 초음파 탐상(SAT)으로 접합 내부의 미세 결함을 선별한 후, 생산된 모든 제품을 8채널 자동 헬륨 질량 분석 설비에 투입하여 0.00000001 mbarL/s (10^-8 mbarL/s) 수준의 정밀 기밀성을 전수 검사합니다."

7. 자주 묻는 질문 (FAQ)

주문 제작 방열판에서 단가를 가장 낮출 수 있는 공정은 무엇인가요?

중대량 생산 환경에서 발열 밀도가 높지 않은 조건이라면 알루미늄 압출 공정의 개당 생산 단가가 가장 유리합니다. 반면 소량 시제품을 제작할 때는 금형 비용이 발생하지 않는 CNC 가공이나 스카이빙 공정이 더 경제적입니다.

AI 서버 공랭 환경에서 압출형보다 스카이빙 방열판이 선호되는 이유는 무엇인가요?

스카이빙은 1U, 2U와 같이 높이가 제한된 랙 규격 안에서 핀 밀도와 열교환 면적을 넓히는 데 유리합니다. 금형 파손 제약이 없어 핀 두께를 0.2 mm 수준까지 줄이고 종횡비를 40:1 이상으로 높일 수 있으며, 바닥면과 일체형 구조이므로 계면 접촉 저항이 없습니다.

진공 브레이징 공정은 액체 냉각판의 누수를 어떻게 방지하나요?

화학 플럭스를 일절 쓰지 않고 고진공 챔버 안에서 깨끗하게 접합하므로 용접 찌꺼기나 기공, 갈바닉 부식의 원인 물질이 남지 않습니다. 이를 통해 금속 간 결합이 치밀하게 유지되어 10^-8 mbar*L/s 수준의 헬륨 누설 기준을 안정적으로 충족합니다.

공랭식 방열판에서 액체 냉각판으로 전환해야 하는 기준은 언제인가요?

반도체 표면의 발열 밀도가 100 W/cm2를 초과하거나 칩 단일 소비전력이 800W~1000W 이상으로 올라갈 때입니다. 이 영역에서는 공랭식 방열판의 크기와 팬 소음, 전력 소모가 감당하기 어려울 정도로 커집니다. 칩에 직접 체결하는 직랭식 액체 냉각판을 도입하면 좁은 섀시 공간에서도 칩의 동작 온도를 안전하게 유지할 수 있습니다.

TCH Thermal과 함께하는 맞춤형 방열 하드웨어 제작

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TCH Thermal은 고성능 방열판(히트싱크) 어셈블리, 도면 맞춤형 액체 냉각판, 차세대 AI 서버 열관리 부품 가공을 전문으로 합니다. 정밀 스카이빙 및 다축 CNC 가공부터 무플럭스 진공 브레이징, SAT 초음파 탐상 및 8채널 자동 헬륨 기밀 검사까지, 엄격한 품질 기준을 바탕으로 신뢰성 높은 방열 솔루션을 공급합니다.

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