power module 나사를 조이는 순서가 thermal contact를 바꾸는 이유
네 개의 나사를 모두 지정 torque로 조였는데 조립품마다 module 온도가 달라진다. 나사 끝의 최종 숫자가 같으면 조립 과정도 같았다고 생각하기 쉽다. Module Screw Sequence는 그 숫자에 도착하는 동안 baseplate가 어떻게 놓이고, interface에 하중이 어떻게 전달되는지를 다룬다.
나사를 조이면 screw의 축력이 module을 heatsink 쪽으로 누른다. 그러나 torque의 일부는 thread와 접촉면의 마찰에 쓰인다. 같은 torque라도 screw, washer, heatsink 재료와 표면 상태가 달라지면 축력이 달라질 수 있다. torque 기록은 유용한 공정 지표지만 interface 전체의 pressure를 직접 측정한 값은 아니다.
Infineon HybridPACK 1 조립 지침의 Mounting the module to the heatsink는 clamp force가 torque와 heatsink 재료에 의존한다고 설명한다. 이 지침은 적용 부품의 screw·washer 조건을 정하고, 작은 torque로 먼저 crosswise 체결한 뒤 같은 순서로 최종 체결하도록 안내한다. 문서의 숫자를 다른 module의 torque 설정으로 그대로 옮기면 안 된다.
순서의 의미를 보기 위해 가상의 네 체결점을 놓자. module 중앙을 원점으로 하고 위치를 (±20 mm, ±20 mm)로 정한다. 체결 중 총힘 100 N이 (+20 mm, +20 mm) 한 점에만 걸리면, 중앙에 대한 x·y 방향 굽힘 moment의 크기는 각각 100 N × 0.020 m = 2 N·m다. 외부 지지 반력은 이 힘과 moment를 받아야 한다.
같은 총힘을 대각선 반대편 두 점에 50 N씩 주면 중앙에 대한 두 moment는 상쇄된다. 네 점에 25 N씩 줘도 총 moment는 0이다. 다만 대각선 두 점과 네 점의 국소 압력 분포가 같다는 뜻은 아니다. 이 계산은 체결 도중의 하중 배치가 기울어짐을 유발하는 조건을 바꾼다는 예다. 실제 baseplate의 변형량을 예측하려면 stiffness와 지지 구조가 필요하다.
작은 기울어짐도 interface 두께에 영향을 줄 수 있다. 가상 평판이 1 mrad 기울어졌다면 40 mm 구간의 높이 차이는 작은 각도 근사에서 40 mm × 0.001 = 40 μm다. 얇은 열전달층을 쓰는 조립에서는 무시하기 어려운 높이 차이다. 어느 쪽에 grease가 남고 어느 쪽으로 밀려 나가는지는 paste의 유동과 체결 속도, 표면 형상에 따라 달라진다.
여기에는 중요한 조건이 있다. 모든 재료가 완전히 탄성이고 마찰이나 유동의 이력이 없으며, 최종 하중과 경계 조건이 같다면 선형 정적 모델의 최종 변형은 순서와 무관하게 같아질 수 있다. 순서가 다르면 최종 온도가 반드시 달라진다는 법칙은 없다. 앞의 moment 계산만으로 영구적인 접촉 불량을 증명할 수도 없다.
실제 조립에는 grease 이동과 점성, 접촉면의 마찰, 국소 변형이 들어간다. 한쪽을 먼저 강하게 고정하면 나머지가 자리 잡는 동안 이동할 수 있는 조건이 달라질 수 있다. 단계적 대각 체결은 이런 과정을 재현 가능한 절차로 관리하는 방법이다. 순서의 효과는 최종 torque뿐 아니라 조립 후 두께·접촉 imprint와 열 측정으로 확인해야 한다.
같은 지침은 heatsink를 비틀지 않고 취급하며, 충분한 stiffness를 갖게 하도록 설명한다. 열전달 paste로 screw hole을 오염시키지 않는 조건도 포함한다. 순서만 정확해도 board나 heatsink가 휘거나 thread 마찰이 달라지면 목표 하중과 접촉을 보장하지 못한다. thermal foil로 재료를 바꾸는 경우에도 기존 paste 조건의 체결 절차가 그대로 유효한지 별도 확인이 필요하다.
공정 비교에서는 screw와 washer, torque 단계, 순서, 표면 상태와 열전달 재료를 함께 기록한다. 대표 조립품의 접촉 imprint와 온도, 필요한 경우 heat-up 이후 체결 상태를 대조한다. Module Screw Sequence의 목적은 나사 순서를 의식처럼 외우는 것이 아니라, module이 한쪽으로 강하게 눌린 상태를 거쳐 최종 접촉에 도달하는 과정을 통제하는 데 있다.