Регулирование температуры электронных схем: методы и эффективность охлаждения.

Введение

Регулирование температуры электронных схем для предотвращения снижения эффективности или отказа.

Все электронные устройства и схемы генерируют избыточное тепло и, следовательно, требуют теплового управления для повышения надежности и предотвращения преждевременного выхода из строя. Количество выделяемого тепла равно потребляемой мощности, при отсутствии иных энергетических взаимодействий. Существует несколько методов охлаждения, включая различные типы радиаторов, термоэлектрические охладители, системы принудительной воздушной циркуляции и вентиляторы, тепловые трубки и другие. В случаях экстремально низких температур окружающей среды может потребоваться нагрев электронных компонентов для обеспечения нормальной работы.

Термостойкость устройств

Это обычно указывается как тепловое сопротивление от кристалла до корпуса полупроводникового прибора. Единицы измерения – °C/W. Например, радиатор, рассчитанный на 10 °C/W, нагреется на 10 °C выше температуры окружающего воздуха при рассеивании 1 Вт тепла. Следовательно, радиатор с низким значением °C/W более эффективен, чем радиатор с высоким значением °C/W. Для двух полупроводниковых приборов в одном корпусе более низкое тепловое сопротивление от кристалла до окружающей среды (RθJ C) указывает на более эффективный прибор. Однако при сравнении двух приборов с различными тепловыми сопротивлениями корпуса без припоя (например, DirectFET MT против PQFN 5x6 мм с выводом), их тепловое сопротивление от кристалла до окружающей среды или от кристалла до корпуса может не напрямую коррелировать с их сравнительной эффективностью. Различные корпуса полупроводников могут иметь разную ориентацию кристалла, разную массу меди (или другого металла), окружающую кристалл, разную механику крепления кристалла и разную толщину литья, все из которых может привести к значительному различию в тепловом сопротивлении от кристалла до корпуса или от кристалла до окружающей среды, и, следовательно, может замаскировать общие показатели эффективности.

Термическая временная константа

Тепловую массу радиатора можно рассматривать как конденсатор (накапливающий тепло вместо электрического заряда), а тепловое сопротивление – как электрическое сопротивление (определяющее скорость рассеивания накопленного тепла). Вместе эти два компонента образуют тепловую RC-цепь с соответствующей постоянной времени, равной произведению R и C. Эта величина может быть использована для расчета динамической теплоотдачи устройства, аналогично тому, как это делается в электрических цепях.

Материал теплового интерфейса

Термоинтерфейсный материал или мастика (также известный как TIM) используется для заполнения зазоров между поверхностями теплопередачи, например, между микропроцессорами и радиаторами, чтобы повысить эффективность теплопередачи. Его теплопроводность в направлении Z выше, чем в направлении XY.

Персональные компьютеры

Благодаря недавним технологическим достижениям и растущему интересу публики, рынок розничных радиаторов достиг исторического максимума. В начале 2000-х годов стали выпускаться процессоры, выделявшие всё больше тепла, чем предыдущие модели, что привело к повышению требований к качественным системам охлаждения. Оверклокинг всегда требовал более эффективного охлаждения, а более горячие чипы вызывали больше беспокойства у энтузиастов. Эффективные радиаторы критически важны для компьютеров, подвергшихся разгону, поскольку чем выше скорость отвода тепла от микропроцессора, тем стабильнее и быстрее может работать компьютер; как правило, более высокая скорость работы обеспечивает более высокую производительность. Сейчас многие компании конкурируют, предлагая лучшие радиаторы для энтузиастов, занимающихся разгоном ПК. Среди известных производителей радиаторов для вторичного рынка: Aero Cool, Foxconn, Thermalright, Thermaltake, Swiftech и Zalman.

Сварка

Временные радиаторы иногда использовались при пайке печатных плат, чтобы предотвратить повреждение чувствительной электроники от избыточного нагрева. В простейшем случае это означает частичное прижатие компонента тяжелой металлической прищепкой типа "крокодил" или подобным зажимом. Современные полупроводниковые приборы, разработанные для сборки методом рефлоу, обычно выдерживают температуру пайки без повреждений. Однако, электрические компоненты, такие как герконовые выключатели, могут выйти из строя при воздействии паяльников большей мощности, поэтому эта практика до сих пор широко применяется.

Аккумуляторы

В батареях, используемых в электромобилях, номинальные характеристики обычно указываются для рабочих температур в диапазоне от +20 °C до +30 °C. Однако фактическая производительность может значительно отличаться от заявленной при эксплуатации батареи при более высоких или, особенно, более низких температурах, поэтому некоторые электромобили оснащены системами обогрева и охлаждения батарей.

Теплоотводы

Теплоотводы широко используются в электронике и стали неотъемлемой частью современной микроэлектроники. Как правило, это металлический объект, контактирующий с нагретой поверхностью электронного компонента, хотя в большинстве случаев между двумя поверхностями располагается тонкий термоинтерфейсный материал. Микропроцессоры и силовые полупроводники – примеры электроники, которым требуется теплоотвод для снижения температуры за счет увеличения тепловой массы и теплоотдачи (преимущественно посредством теплопроводности и конвекции, и в меньшей степени – излучения). Теплоотводы стали практически необходимы для современных интегральных схем, таких как микропроцессоры, DSP, GPU и другие. Теплоотвод обычно состоит из металлической конструкции с одной или несколькими плоскими поверхностями для обеспечения хорошего теплового контакта с охлаждаемыми компонентами, и массива гребнеобразных или пластинчатых выступов для увеличения площади контакта с воздухом и, следовательно, скорости теплоотдачи. Иногда теплоотвод используется совместно с вентилятором для увеличения скорости воздушного потока над теплоотводом. Это поддерживает больший температурный градиент, быстрее удаляя нагретый воздух, чем это происходило бы за счет естественной конвекции. Такая система называется системой принудительной воздушной конвекции.

Холодная плита

Размещение проводящей толстой металлической пластины, именуемой холодной пластиной, в качестве интерфейса теплопередачи между источником тепла и потоком хладагента (или любым другим теплоотводом) может повысить эффективность охлаждения. В такой конфигурации источник тепла охлаждается через толстую пластину, а не в непосредственном контакте с хладагентом. Показано, что толстая пластина способна значительно улучшить теплопередачу между источником тепла и хладагентом, оптимально проводя тепловой поток. Два наиболее существенных преимущества этого метода заключаются в отсутствии необходимости в дополнительной мощности для насоса и в отсутствии увеличения площади поверхности теплообмена, что принципиально отличает его от ребер (поверхностей увеличенной площади).

Принцип

Теплоотводы работают, эффективно передавая тепловую энергию ("тепло") от объекта с высокой температурой ко второму объекту с более низкой температурой и значительно большей теплоемкостью. Эта быстрая передача тепловой энергии быстро приводит первый объект к тепловому равновесию со вторым, снижая температуру первого объекта и выполняя функцию теплоотвода как охлаждающего устройства. Эффективная работа теплоотвода зависит от быстрой передачи тепловой энергии от первого объекта к теплоотводу, а затем от теплоотвода ко второму объекту. Наиболее распространенная конструкция теплоотвода – это металлическое устройство с множеством ребер. Высокая теплопроводность металла в сочетании с большой площадью поверхности обеспечивает быструю передачу тепловой энергии в окружающий, более холодный воздух. Это охлаждает теплоотвод и все, что находится с ним в непосредственном тепловом контакте. Использование жидкостей (например, хладагентов в холодильной технике) и термоинтерфейсных материалов (при охлаждении электронных устройств) обеспечивает эффективную передачу тепловой энергии к теплоотводу. Аналогично, вентилятор может улучшить передачу тепловой энергии от теплоотвода к воздуху.

Строительство и материалы

Радиатор обычно состоит из основания с одной или несколькими плоскими поверхностями и массива выступов, напоминающих гребень или плавники, для увеличения площади поверхности радиатора, контактирующей с воздухом, и, следовательно, повышения скорости рассеивания тепла. Хотя радиатор является статическим объектом, вентилятор часто помогает ему, обеспечивая усиленный поток воздуха над радиатором, тем самым поддерживая больший температурный градиент, заменяя нагретый воздух быстрее, чем это достигается при пассивной конвекции. Это известно как система принудительной воздушной циркуляции. В идеале радиаторы изготавливаются из хорошего теплопроводника, такого как серебро, золото, медь или алюминиевый сплав. Медь и алюминий – одни из наиболее часто используемых материалов для этой цели в электронных устройствах. Медь (401 Вт/(м·К) при 300 К) значительно дороже алюминия (237 Вт/(м·К) при 300 К), но также примерно вдвое эффективнее как теплопроводник. Алюминий имеет существенное преимущество в том, что его можно легко формовать методом экструзии, что позволяет создавать сложные поперечные сечения. Алюминий также намного легче меди, что снижает механическое напряжение на деликатных электронных компонентах. Некоторые радиаторы из алюминия имеют медное ядро в качестве компромисса. Контактная поверхность радиатора (основание) должна быть плоской и гладкой для обеспечения наилучшего теплового контакта с охлаждаемым объектом. Часто для обеспечения оптимального теплового контакта используется теплопроводящая паста; такие составы часто содержат коллоидное серебро. Кроме того, зажимной механизм, винты или термостойкий клей надежно удерживают радиатор на компоненте, но без давления, которое могло бы повредить компонент.

Выступление

Производительность радиатора (включая естественную конвекцию, принудительную конвекцию, жидкостное охлаждение и любые их комбинации) зависит от материала, геометрии и общего коэффициента теплопередачи с поверхности. Как правило, тепловая эффективность радиатора с принудительной конвекцией повышается за счет увеличения теплопроводности материалов радиатора, увеличения площади поверхности (обычно путем добавления расширенных поверхностей, таких как ребра или металлическая пена) и увеличения общего коэффициента теплопередачи с площади (обычно путем увеличения скорости потока жидкости, например, с помощью вентиляторов, насосов и т.п.). Онлайн-калькуляторы радиаторов от компаний, таких как Novel Concepts, Inc. и на сайте www.heatsinkcalculator.com, позволяют точно оценить эффективность радиаторов с принудительной и естественной конвекцией. Для более сложных форм радиаторов или радиаторов, состоящих из нескольких материалов или использующих несколько жидкостей, рекомендуется использовать вычислительную гидродинамику (CFD) (см. иллюстрации на этой странице).

Конвективное охлаждение воздухом

Этот термин описывает охлаждение устройства за счет конвекции, когда теплый воздух отводится из области компонента и замещается более холодным. Поскольку теплый воздух обычно поднимается вверх, для эффективности этого метода обычно требуется вентиляция в верхней или боковых частях корпуса.

Тепловые трубы

Тепловая труба – это устройство для передачи тепла, использующее испарение и конденсацию двухфазной "рабочей жидкости" или теплоносителя для транспортировки больших количеств тепла при очень незначительной разнице температур между горячей и холодной поверхностями. Типичная тепловая труба состоит из герметичной полой трубы, изготовленной из теплопроводящего металла, такого как медь или алюминий, и фитиля для возврата рабочей жидкости от испарителя к конденсатору. Внутри трубы содержится как насыщенная жидкость, так и пар рабочей жидкости (например, воды, метанола или аммиака), при этом все другие газы исключены. Наиболее распространенная тепловая труба для теплового управления электроникой имеет медную оболочку и фитиль, с водой в качестве рабочей жидкости. Медь/метанол используется, если тепловая труба должна работать при температурах ниже точки замерзания воды, а алюминий/аммиак – для охлаждения электроники в космосе. Преимущество тепловых труб заключается в их высокой эффективности теплопередачи. Теплопроводность тепловых труб может достигать 100 000 Вт/(м·К), в то время как у меди она составляет около 400 Вт/(м·К).

Плиты для охлаждения пельтие

Пельтиевые охлаждающие пластины используют эффект Пельтье для создания теплового потока между спаем двух различных электрических проводников при прохождении электрического тока. Этот эффект широко применяется для охлаждения электронных компонентов и небольших приборов. На практике для достижения необходимой мощности нагрева или охлаждения используют несколько таких спаев, соединенных последовательно. Поскольку в конструкции нет движущихся частей, пельтиевы пластины не требуют обслуживания. Они обладают относительно низкой эффективностью, поэтому термоэлектрическое охлаждение обычно применяют для электронных устройств, таких как инфракрасные датчики, которым необходимо работать при температурах ниже комнатной. Для охлаждения этих устройств преимущества твердотельной конструкции пельтиевых пластин перевешивают их низкую эффективность. Эффективность термоэлектрических спаев обычно составляет около 10% от эффективности идеального холодильника, работающего по циклу Карно, в то время как обычные компрессионные системы достигают эффективности в 40%.

Синтетическое воздушное охлаждение

Синтетическая струя создается непрерывным потоком вихрей, формирующихся за счет последовательного кратковременного выброса и всасывания воздуха через отверстие, при этом суммарный массовый поток равен нулю. Уникальной особенностью этих струй является то, что они формируются исключительно из рабочего тела системы, в которой они применяются, и способны создавать чистый импульс для потока системы без добавления массы в систему. Синтетические воздушные двигатели не имеют движущихся частей и, следовательно, не требуют обслуживания. Благодаря высоким коэффициентам теплопередачи и высокой надежности, но относительно невысокой производительности, синтетические воздушные двигатели обычно используются для охлаждения на уровне чипа, а не на уровне системы. Однако, в зависимости от размера и сложности системы, они могут применяться и на обоих уровнях.

Электростатическое ускорение жидкости

Электростатический ускоритель жидкости (EFA) – это устройство, которое перекачивает жидкость, например воздух, без каких-либо движущихся частей. Вместо вращающихся лопастей, как в обычном вентиляторе, EFA использует электрическое поле для разгона электрически заряженных молекул воздуха. Поскольку молекулы воздуха обычно нейтральны, EFA сначала должна создать заряженные молекулы, или ионы. Таким образом, процесс ускорения жидкости состоит из трех основных этапов: ионизация молекул воздуха, использование этих ионов для перемещения большего количества нейтральных молекул в нужном направлении и последующий захват и нейтрализация ионов для устранения чистого заряда. Основной принцип известен уже давно, но лишь в последние годы наблюдается прогресс в разработке и производстве устройств EFA, что может открыть им путь к практическому и экономически выгодному применению, например, в микроохлаждении электронных компонентов.

Последние события

В последнее время ведутся исследования материалов с высокой теплопроводностью, таких как синтетический алмаз и бор-арсенидные радиаторы, для обеспечения более эффективного охлаждения. Сообщается, что бор-арсенид обладает высокой теплопроводностью и высокой тепловой проводимостью на границе раздела с транзисторами из нитрида галлия, что обеспечивает более высокую производительность по сравнению с алмазными и карбидокремниевыми технологиями охлаждения. Например, при финансировании Министерства обороны США проводятся исследования с использованием высокомощных транзисторов из нитрида галлия и синтетических алмазов в качестве теплоотводящих элементов. Кроме того, некоторые радиаторы изготавливаются из нескольких материалов с желаемыми свойствами, таких как фазопереходные материалы, способные накапливать большое количество энергии благодаря теплу плавления.

Тепловое моделирование электроники

Тепловые расчеты предоставляют инженерам визуальное представление температуры и воздушных потоков внутри оборудования. Тепловые расчеты позволяют инженерам разрабатывать систему охлаждения, оптимизировать конструкцию для снижения энергопотребления, веса и стоимости, а также верифицировать тепловую конструкцию, чтобы гарантировать отсутствие проблем при изготовлении оборудования. Большинство программного обеспечения для тепловых расчетов использует методы вычислительной гидродинамики для прогнозирования температуры и воздушного потока в электронной системе.

Дизайн

Тепловое моделирование часто необходимо для определения эффективных способов охлаждения компонентов в заданных конструктивных ограничениях. Моделирование позволяет спроектировать и проверить тепловую конструкцию оборудования на самых ранних этапах и на протяжении всего процесса разработки электронных и механических компонентов. Проектирование с учетом тепловых характеристик изначально снижает риск внесения изменений в конструкцию на поздних стадиях для решения тепловых проблем. Использование теплового моделирования как части процесса проектирования позволяет создать оптимальный и инновационный дизайн продукта, соответствующий техническим требованиям и удовлетворяющий требованиям клиентов к надежности.

Оптимизировать

Легко спроектировать систему охлаждения для практически любого оборудования, если в распоряжении неограниченное пространство, мощность и бюджет. Однако для большинства оборудования предъявляются строгие требования, оставляющие небольшой запас прочности. Существует постоянное стремление к снижению энергопотребления, веса системы и стоимости компонентов, без ущерба для производительности и надежности. Тепловое моделирование позволяет проводить эксперименты по оптимизации, например, изменять геометрию радиатора или снижать скорость вращения вентиляторов в виртуальной среде, что быстрее, дешевле и безопаснее, чем физические эксперименты и измерения.

Проверка

Традиционно, тепловой расчет оборудования впервые проверяется уже после изготовления прототипа. Устройство включается, возможно, в камере климатических испытаний, и температуры критически важных компонентов системы измеряются с помощью датчиков, таких как термопары. В случае обнаружения проблем проект задерживается до поиска решения. Для устранения неполадки может потребоваться изменение конструкции печатной платы или детали корпуса, что потребует времени и значительных затрат. Если тепловое моделирование используется на этапе проектирования оборудования, проблемы с тепловым расчетом будут выявлены до изготовления прототипа. Исправление проблемы на этапе проектирования и быстрее, и дешевле, чем внесение изменений в конструкцию после создания прототипа.

Программное обеспечение

Существует широкий спектр программных инструментов, предназначенных для теплового моделирования электроники, включая 6SigmaET, IcePak от Ansys и FloTHERM от Mentor Graphics.

Телекоммуникационные среды

Для размещения оборудования с высоким тепловыделением в помещениях связи необходимо принимать меры по управлению тепловым режимом. Общие методы дополнительного/локального охлаждения, а также комплексные решения, разработанные производителями оборудования, являются жизнеспособными вариантами. Такие решения могут позволить размещать оборудование с очень высоким тепловыделением в центральном офисе с тепловой плотностью, соответствующей или близкой к охлаждающей способности центрального кондиционера. Согласно Telcordia GR 3028, "Управление тепловым режимом в центральных офисах связи", наиболее распространенным способом охлаждения современного телекоммуникационного оборудования является использование нескольких высокоскоростных вентиляторов для создания принудительной конвекции. Хотя прямое и косвенное жидкостное охлаждение может быть внедрено в будущем, текущая конструкция нового электронного оборудования ориентирована на использование воздуха в качестве теплоносителя. Для понимания текущих и будущих задач управления тепловым режимом требуется комплексный подход. Охлаждение помещений и охлаждение оборудования нельзя рассматривать как две изолированные части общей проблемы теплового режима. Основная задача системы распределения воздуха в помещении оборудования – обеспечивать эффективное охлаждение электронного оборудования путем распределения кондиционированного воздуха. Общая эффективность охлаждения зависит от того, как система распределения воздуха перемещает воздух через помещение оборудования, как оборудование перемещает воздух через стойки, и как эти воздушные потоки взаимодействуют друг с другом. Высокие уровни тепловыделения во многом зависят от слаженной интеграции систем охлаждения оборудования и помещений. Существующие решения для обеспечения экологической безопасности на телекоммуникационных объектах имеют свои ограничения. Например, большинство действующих центральных офисов имеют ограниченное пространство для установки больших воздуховодов, необходимых для охлаждения помещений с высокой тепловой плотностью. Кроме того, при отказе системы охлаждения быстро возникают резкие температурные градиенты, что подтверждено компьютерным моделированием, прямыми измерениями и наблюдениями. Несмотря на наличие резервных систем, в некоторых ситуациях они оказываются бесполезными. Недавно в крупном центральном офисе телекоммуникационное оборудование перегрелось, и критически важные услуги были прерваны из-за полного отключения системы охлаждения, вызванного ложной сигнализацией о задымлении. Основным препятствием для эффективного управления тепловым режимом является текущий способ представления данных о тепловыделении. Поставщики обычно указывают максимальную (номинальную) мощность тепловыделения оборудования. Однако в реальности конфигурация оборудования и разнообразие трафика приводят к значительно более низким значениям тепловыделения.

Экономическое воздействие

Потребление энергии телекоммуникационным оборудованием в настоящее время составляет значительную долю от общего энергопотребления в центральных офисах. Большая часть этой энергии рассеивается в виде тепла в окружающее пространство. Поскольку основная часть оставшейся энергии центрального офиса расходуется на охлаждение оборудования, повышение энергоэффективности электронного оборудования окажет существенное экономическое влияние на компании, использующие и эксплуатирующие телекоммуникационное оборудование. Это позволит снизить капитальные затраты на системы поддержки и улучшить тепловой режим в помещении с оборудованием.