Chladič -Heat sink

Ventilátorem chlazený chladič na procesoru osobního počítače . Vpravo je menší chladič chladící další integrovaný obvod základní desky.
Typická kombinace chladiče a ventilátoru, která se nachází na spotřebitelském notebooku. Tepelné trubice, které obsahují pracovní tekutinu, jsou v přímém kontaktu s CPU a GPU, odvádějí teplo pryč od komponenty a přenášejí ho do sestavy žeber namontované na výfukovém portu chladicího ventilátoru. Stoh žeber funguje jako výměník tepla kapalina-kapalina přenášející tepelnou energii z pracovní kapaliny v heatpipe(ech) do okolního vzduchu v mrtvém stavu.

Chladič (také běžně hláskovaný chladič ) je pasivní výměník tepla , který přenáší teplo generované elektronickým nebo mechanickým zařízením do tekutého média, často vzduchu nebo kapalného chladiva, kde je odváděno pryč ze zařízení, čímž umožňuje regulaci. teploty zařízení. V počítačích se chladiče používají k chlazení CPU , GPU a některých čipových sad a modulů RAM. Chladiče se používají u vysoce výkonných polovodičových zařízení, jako jsou výkonové tranzistory a optoelektronika, jako jsou lasery a diody vyzařující světlo (LED), kde schopnost samotné součásti odvádět teplo nestačí ke zmírnění její teploty.

Chladič je navržen tak, aby maximalizoval svou povrchovou plochu v kontaktu s chladicím médiem, které jej obklopuje, jako je vzduch. Rychlost vzduchu, výběr materiálu, design výstupku a povrchová úprava jsou faktory, které ovlivňují výkon chladiče. Způsoby připevnění chladiče a materiály tepelného rozhraní také ovlivňují teplotu matrice integrovaného obvodu. Tepelné lepidlo nebo tepelná pasta zlepšují výkon chladiče vyplněním vzduchových mezer mezi chladičem a rozvaděčem tepla na zařízení. Chladič je obvykle vyroben z hliníku nebo mědi.

Princip přenosu tepla

Chladič přenáší tepelnou energii ze zařízení s vyšší teplotou do média s nižší teplotou . Kapalným médiem je často vzduch, ale může to být také voda, chladiva nebo olej. Pokud je tekutým médiem voda, chladič se často nazývá studená deska. V termodynamice je chladič tepelným zásobníkem , který může absorbovat libovolné množství tepla bez výrazné změny teploty. Praktické chladiče pro elektronická zařízení musí mít teplotu vyšší než okolní prostředí, aby přenášely teplo konvekcí, sáláním a vedením. Napájecí zdroje elektroniky nejsou absolutně účinné, takže vzniká další teplo, které může být škodlivé pro funkci zařízení. Jako takový je v návrhu zahrnut chladič, který rozptyluje teplo.

Fourierův zákon vedení tepla ukazuje, že když je v tělese teplotní gradient, teplo se bude přenášet z oblasti s vyšší teplotou do oblasti s nižší teplotou. Rychlost, kterou se teplo přenáší vedením , je úměrná součinu teplotního gradientu a plochy průřezu, kterou se teplo přenáší. Když je zjednodušen na jednorozměrný tvar ve směru x , lze jej vyjádřit jako:

Náčrt chladiče v potrubí používaného k výpočtu řídících rovnic ze zachování energie a Newtonova zákona chlazení

U chladiče v potrubí, kde vzduch proudí potrubím, bude základna chladiče obvykle teplejší než vzduch proudící potrubím. Aplikací zachování energie pro podmínky ustáleného stavu a Newtonova zákona ochlazování na teplotní uzly zobrazené v diagramu dostaneme následující sadu rovnic:

kde

je hmotnostní průtok vzduchu v kg/s
je měrná tepelná kapacita přiváděného vzduchu v J/(kg °C)
je tepelný odpor chladiče

Použití střední teploty vzduchu je předpokladem, který platí pro relativně krátké chladiče. Při výpočtu kompaktních výměníků tepla se používá logaritmická střední teplota vzduchu.

Výše uvedené rovnice ukazují, že:

  • Když se průtok vzduchu chladičem sníží, má to za následek zvýšení průměrné teploty vzduchu. To zase zvyšuje teplotu základny chladiče. A navíc se také zvýší tepelný odpor chladiče. Čistým výsledkem je vyšší teplota základny chladiče.
    • Nárůst tepelného odporu chladiče s poklesem průtoku bude ukázán dále v tomto článku.
  • Teplota vstupního vzduchu silně souvisí s teplotou základny chladiče. Pokud například dochází k recirkulaci vzduchu ve výrobku, teplota vstupního vzduchu není teplotou okolního vzduchu. Teplota vstupního vzduchu chladiče je tedy vyšší, což má za následek i vyšší teplotu základny chladiče.
  • Pokud kolem chladiče neproudí vzduch, nelze přenášet energii.
  • Chladič není zařízení s "magickou schopností absorbovat teplo jako houba a poslat ho do paralelního vesmíru".

Přirozená konvekce vyžaduje volné proudění vzduchu přes chladič. Nejsou-li žebra svisle vyrovnána nebo jsou-li žebra příliš blízko u sebe, aby mezi nimi umožňovala dostatečné proudění vzduchu, účinnost chladiče se sníží.

Konstrukční faktory

Teplotní odolnost

U polovodičových součástek používaných v nejrůznější spotřební a průmyslové elektronice myšlenka tepelného odporu zjednodušuje výběr chladičů. Tepelný tok mezi polovodičovou matricí a okolním vzduchem je modelován jako řada odporů vůči tepelnému toku; existuje odpor z matrice do pouzdra zařízení, z pouzdra do chladiče a z chladiče do okolního vzduchu. Součet těchto odporů je celkový tepelný odpor trysky vůči okolnímu vzduchu. Tepelný odpor je definován jako nárůst teploty na jednotku výkonu, analogicky k elektrickému odporu, a je vyjádřen v jednotkách stupňů Celsia na watt (°C/W). Pokud je známa ztráta zařízení ve wattech a je vypočítán celkový tepelný odpor, lze vypočítat nárůst teploty matrice nad okolním vzduchem.

Myšlenka tepelného odporu polovodičového chladiče je přibližná. Nebere v úvahu nerovnoměrné rozložení tepla po zařízení nebo chladiči. Modeluje pouze systém v tepelné rovnováze a nebere v úvahu změnu teplot v čase. Nereflektuje ani nelinearitu záření a konvekce s ohledem na nárůst teploty. Výrobci však tabulkují typické hodnoty tepelného odporu pro chladiče a polovodičová zařízení, což umožňuje výběr komerčně vyráběných chladičů zjednodušit.

Komerční chladiče z extrudovaného hliníku mají tepelnou odolnost (chladič vůči okolnímu vzduchu) v rozmezí od 0,4 °C/W pro velký chladič určený pro zařízení TO-3 až po 85 °C/W pro teplo s klipsem. dřez pro TO-92 malý plastový kufřík. Populární výkonový tranzistor 2N3055 v pouzdře TO-3 má vnitřní tepelný odpor od přechodu do pouzdra 1,52 °C/W . Kontakt mezi pouzdrem zařízení a chladičem může mít tepelný odpor mezi 0,5 a 1,7 °C/W , v závislosti na velikosti pouzdra a použití maziva nebo izolační slídové podložky.

Materiál

Materiály pro aplikace chladičů by měly mít vysokou tepelnou kapacitu a tepelnou vodivost, aby absorbovaly více tepelné energie bez posunu směrem k velmi vysoké teplotě a přenášely ji do okolí pro účinné chlazení. Nejběžnějším materiálem chladiče jsou hliníkové slitiny . Hliníková slitina 1050 má jednu z vyšších hodnot tepelné vodivosti 229 W/(m·K) a tepelnou kapacitu 922 J/(kg·K), ale je mechanicky měkká. Běžně se používají hliníkové slitiny 6060 (nízko namáhané), 6061 a 6063 s hodnotami tepelné vodivosti 166 a 201 W/(m·K). Hodnoty závisí na teplotě slitiny. Jednodílné hliníkové chladiče mohou být vyrobeny vytlačováním , litím , frézováním nebo frézováním .

Měď má vynikající vlastnosti chladiče, pokud jde o její tepelnou vodivost, odolnost proti korozi, odolnost proti biologickému znečištění a antimikrobiální odolnost (viz také Měď ve výměnících tepla ). Měď má přibližně dvojnásobnou tepelnou vodivost než hliník, přibližně 400 W/(m·K) pro čistou měď. Jeho hlavní aplikace jsou v průmyslových zařízeních, elektrárnách, solárních termálních vodních systémech, HVAC systémech, plynových ohřívačích vody, systémech nuceného vytápění a chlazení, geotermálním vytápění a chlazení a elektronických systémech.

Měď je třikrát hustší a dražší než hliník a měď je méně tažná než hliník. Jednodílné měděné chladiče lze vyrobit frézováním nebo frézováním . Plechová žebra lze připájet na obdélníkové měděné tělo.

Účinnost ploutví

Účinnost žeber je jedním z parametrů, pro který je materiál s vyšší tepelnou vodivostí důležitý. Žebro chladiče může být považováno za plochou desku s proudícím teplem na jednom konci a rozptýleným do okolní tekutiny, když se pohybuje na druhém konci. Jak teplo proudí žebrem, kombinace tepelného odporu chladiče, který brání proudění, a ztrát tepla v důsledku konvekce, teplota žebra a tím i přenos tepla do tekutiny, se bude snižovat od základny k konec fin. Účinnost žebra je definována jako skutečné teplo přenášené žebrem, děleno přestupem tepla, pokud žebro má být izotermické (hypoteticky žebro s nekonečnou tepelnou vodivostí). Tyto rovnice platí pro rovné ploutve:

kde

h f je koeficient konvekce ploutve:
10 až 100 W/(m 2 ·K) ve vzduchu,
500 až 10 000 W/(m 2 ·K) ve vodě,
k je tepelná vodivost materiálu žebra:
120 až 240 W /( m · K ) pro hliník,
L f je výška ploutve (m),
t f je tloušťka žebra (m).

Účinnost žeber se zvyšuje snížením poměru stran žeber (jejich silnější nebo kratší) nebo použitím vodivějšího materiálu (například měď místo hliníku).

Odolnost proti šíření

Dalším parametrem, který se týká tepelné vodivosti materiálu chladiče, je odolnost proti šíření. Šířící odpor nastává, když se tepelná energie přenáší z malé oblasti na větší oblast v látce s konečnou tepelnou vodivostí. V chladiči to znamená, že teplo se nerozděluje rovnoměrně skrz základnu chladiče. Fenomén šíření odporu se projevuje tím, jak se teplo šíří z místa zdroje tepla a způsobuje velký teplotní gradient mezi zdrojem tepla a okraji chladiče. To znamená, že některá žebra mají nižší teplotu, než kdyby byl zdroj tepla stejnoměrný napříč základnou chladiče. Tato nerovnoměrnost zvyšuje efektivní tepelný odpor chladiče.

Chcete-li snížit odpor šíření v základně chladiče:

  • zvětšit tloušťku základny,
  • zvolit jiný materiál s vyšší tepelnou vodivostí,
  • použijte parní komoru nebo tepelnou trubici v základně chladiče.

Uspořádání ploutví

Typy chladičů: kolíkové, rovné a rozšířené

Chladič s kolíky je chladič, který má kolíky, které vyčnívají z jeho základny. Čepy mohou být válcové, eliptické nebo čtvercové. Kolíček je jedním z nejběžnějších typů chladičů dostupných na trhu. Druhým typem uspořádání žeber chladiče je přímé žebro. Ty probíhají po celé délce chladiče. Variantou chladiče s rovnými žebry je chladič s příčným řezem. V pravidelných intervalech se řeže chladič s rovným žebrem.

Volné proudění kolem chladiče s kolíkovým žebrem

Obecně platí, že čím větší povrch má chladič, tím lépe funguje. To však není vždy pravda. Koncept chladiče typu pin-fin je pokusit se zabalit co největší plochu do daného objemu. Stejně tak funguje dobře v jakékoli orientaci. Kordyban porovnal výkon kolíkového chladiče a chladiče s rovným žebrem podobných rozměrů. Ačkoli má žebrovka povrch 194 cm 2 , zatímco rovná žebrovka má 58 cm 2 , teplotní rozdíl mezi základnou chladiče a okolním vzduchem je u žebrovky 50 °C , ale u rovné žebrovky bylo to 44 °C, neboli o 6 °C lepší než ploutev pin-fin. Výkon chladiče s kolíkovým žebrem je výrazně lepší než u přímých žeber, když se používají v jejich zamýšlené aplikaci, kde tekutina proudí axiálně podél kolíků, nikoli pouze tangenciálně přes kolíky.

Porovnání kolíkového a rovného chladiče podobných rozměrů
Typ žebrový chladič Šířka [cm] Délka [cm] výška [cm] Povrch [cm 2 ] Objem [cm 3 ] Rozdíl teplot, případ T  −  T vzduch [°C]
Rovný 2.5 2.5 3.2 58 20 44
Kolík 3.8 3.8 1.7 194 24 51

Další konfigurací je chladič s rozšířenými žebry; jeho žebra nejsou vzájemně rovnoběžná, jak je znázorněno na obrázku 5 . Rozšíření žeber snižuje odpor proudění a vede k tomu, že kanálem žeber chladiče prochází více vzduchu; jinak by ploutve obešlo více vzduchu. Jejich šikmé zachovává celkové rozměry stejné, ale nabízí delší ploutve. Forghan a kol. publikovali údaje o testech provedených na chladičích s kolíkovým žebrem, s rovným žebrem a s rozšířeným žebrem. Zjistili, že při nízké rychlosti přibližování vzduchu, obvykle kolem 1 m/s, je tepelný výkon alespoň o 20 % lepší než u chladičů s přímými žebry. Lasance a Eggink také zjistili, že u konfigurací s obtokem, které testovali, fungoval rozšířený chladič lépe než ostatní testované chladiče.

Dutiny (obrácené ploutve)

Dutiny (obrácená žebra) zapuštěné ve zdroji tepla jsou oblasti vytvořené mezi sousedními žebry, které představují základní promotory varu nebo kondenzace zárodků. Tyto dutiny se obvykle používají k extrakci tepla z různých těles generujících teplo do chladiče.

Silná vodivá deska mezi zdrojem tepla a chladičem

Umístění silné vodivé desky jako rozhraní pro přenos tepla mezi zdrojem tepla a chladnou tekutinou (nebo jakýmkoli jiným chladičem) může zlepšit chladicí výkon. V takovém uspořádání je zdroj tepla chlazen pod tlustou deskou místo toho, aby byl chlazen v přímém kontaktu s chladicí kapalinou. Je ukázáno, že tlustá deska může výrazně zlepšit přenos tepla mezi zdrojem tepla a chladicí kapalinou tím, že vede tepelný proud optimálním způsobem. Dvě nejatraktivnější výhody této metody jsou, že žádná další čerpací síla a žádná další plocha pro přenos tepla, což je zcela odlišné od žeber (prodloužených ploch).

Barva povrchu

Serverová flash paměťová karta s černým chladičem

K přenosu tepla z chladiče dochází konvekcí okolního vzduchu, vedením vzduchem a sáláním .

Přenos tepla sáláním je funkcí jak teploty chladiče, tak teploty okolí, se kterým je chladič opticky spojen. Jsou-li obě tyto teploty řádově 0 °C až 100 °C, je příspěvek záření ve srovnání s konvekcí obecně malý a tento faktor je často opomíjen. V tomto případě žebrované chladiče pracující buď v přirozené konvekci nebo nuceném proudění nebudou významně ovlivněny povrchovou emisivitou .

V situacích, kdy je konvekce nízká, jako je plochý bezžebrový panel s nízkým průtokem vzduchu, může být významným faktorem radiační chlazení . Zde mohou být vlastnosti povrchu důležitým konstrukčním faktorem. Matně černé povrchy vyzařují mnohem efektivněji než lesklý holý kov. Lesklý kovový povrch má nízkou emisivitu. Emisivita materiálu je ohromně závislá na frekvenci a souvisí s absorpcí (které mají lesklé kovové povrchy velmi málo). U většiny materiálů je emisivita ve viditelném spektru podobná emisivitě v infračerveném spektru; existují však výjimky – zejména určité oxidy kovů, které se používají jako „ selektivní povrchy “.

Ve vakuu nebo ve vnějším prostoru nedochází k žádnému přenosu tepla prouděním, takže v těchto prostředích je sálání jediným faktorem, který řídí tok tepla mezi chladičem a okolím. U satelitu ve vesmíru bude povrch o teplotě 100 °C (373 K) obrácený ke Slunci absorbovat velké množství sálavého tepla, protože povrchová teplota Slunce je téměř 6000 K, zatímco stejný povrch směřující do hlubokého vesmíru bude vyzařovat mnoho teplo, protože hluboký vesmír má efektivní teplotu pouze několik Kelvinů.

Inženýrské aplikace

Chlazení mikroprocesoru

Systém chlazení grafické karty Asus GTX-650; jsou vidět tři tepelné trubice

Odvod tepla je nevyhnutelným vedlejším produktem elektronických zařízení a obvodů. Obecně bude teplota zařízení nebo součásti záviset na tepelném odporu součásti vůči okolnímu prostředí a na teple, které součást odvádí. Aby se zajistilo, že se součástka nepřehřívá , snaží se tepelný inženýr najít účinnou cestu přenosu tepla ze zařízení do okolí. Cesta přenosu tepla může být ze součástky na desku s plošnými spoji (PCB), do chladiče, do proudění vzduchu zajišťovaného ventilátorem, ale ve všech případech případně do okolí.

Tepelný/mechanický výkon tepelného návrhu ovlivňují také dva další konstrukční faktory:

  1. Způsob, kterým je chladič namontován na komponentu nebo procesor. To bude diskutováno v části Metody připojení .
  2. Pro každé rozhraní mezi dvěma objekty, které jsou ve vzájemném kontaktu, dojde na rozhraní k poklesu teploty. U takových kompozitních systémů může být pokles teploty na rozhraní znatelný. Tuto teplotní změnu lze přičíst tomu, co je známé jako tepelný kontaktní odpor. Materiály tepelného rozhraní (TIM) snižují tepelný kontaktní odpor.

Způsoby připojení

Jak se ztrátový výkon komponent zvyšuje a velikost balení komponent se zmenšuje, tepelní inženýři musí inovovat, aby zajistili, že se komponenty nebudou přehřívat . Zařízení, která běží chladněji, vydrží déle. Konstrukce chladiče musí splňovat jak tepelné, tak i mechanické požadavky. Pokud jde o posledně uvedené, součást musí zůstat v tepelném kontaktu s chladičem s přiměřenými rázy a vibracemi. Chladičem může být měděná fólie obvodové desky nebo samostatný chladič namontovaný na součástku nebo obvodovou desku. Způsoby připevnění zahrnují tepelně vodivou pásku nebo epoxid, drátěné z-spony , ploché pružinové spony, distanční rozpěrky a tlačné kolíky s konci, které se po instalaci roztáhnou.

Tepelně vodivá páska
Role tepelně vodivé pásky.

Tepelně vodivá páska je jedním z cenově nejvýhodnějších upevňovacích materiálů chladiče. Je vhodný pro nízkohmotnostní chladiče a pro komponenty s nízkým ztrátovým výkonem. Skládá se z tepelně vodivého nosného materiálu s lepidlem citlivým na tlak na každé straně.

Tato páska je aplikována na základnu chladiče, která je následně připevněna ke komponentě. Níže jsou uvedeny faktory, které ovlivňují výkon tepelné pásky:

  1. Povrch součásti i chladiče musí být čistý, bez zbytků, jako je film silikonového maziva .
  2. Předpínací tlak je nezbytný pro zajištění dobrého kontaktu. Nedostatečný tlak má za následek oblasti bez kontaktu se zachyceným vzduchem a má za následek vyšší než očekávaný tepelný odpor rozhraní.
  3. Silnější pásky mají tendenci poskytovat lepší "smáčivost" u nerovných povrchů součástí. "Smáčivost" je procentuální plocha kontaktu pásky se součástkou. Silnější pásky však mají vyšší tepelnou odolnost než pásky tenčí. Z hlediska designu je nejlepší dosáhnout rovnováhy výběrem tloušťky pásky, která poskytuje maximální "smáčivost" s minimálním tepelným odporem.
Epoxid

Epoxid je dražší než páska, ale poskytuje větší mechanickou vazbu mezi chladičem a komponentou a také lepší tepelnou vodivost. Zvolený epoxid musí být formulován pro tento účel. Většina epoxidů jsou dvousložkové kapalné přípravky, které je třeba před aplikací na chladič a před umístěním chladiče na součást důkladně promíchat. Epoxid se poté vytvrzuje po stanovenou dobu, která se může lišit od 2 hodin do 48 hodin. Rychlejší doby vytvrzení lze dosáhnout při vyšších teplotách. Povrchy, na které se epoxid nanáší, musí být čisté a zbavené jakýchkoli zbytků.

Epoxidová vazba mezi chladičem a komponentou je semipermanentní/permanentní. To činí přepracování velmi obtížné a někdy nemožné. Nejtypičtějším poškozením způsobeným přepracováním je oddělení rozváděče tepla součásti od jeho obalu.

Chladič s kolíkovým žebrem s držákem ve tvaru Z.
Drátěné svorky tvaru Z

Dražší než páska a epoxid, drátěné z-spony připevňují chladiče mechanicky. Pro použití z-spony musí mít deska plošných spojů kotvy. Kotvy lze na desku buď připájet, nebo protlačit. Oba typy vyžadují, aby byly v desce navrženy otvory. Použití RoHS pájky musí být povoleno, protože taková pájka je mechanicky slabší než tradiční Pb/Sn pájka.

Chcete-li sestavit pomocí z-spony , připojte jednu její stranu k jedné z kotev. Vychylujte pružinu, dokud nebude možné druhou stranu spony umístit do druhé kotvy. Průhyb vyvine zatížení pružiny na součást, která udržuje velmi dobrý kontakt. Kromě mechanického připevnění, které poskytuje Z-klip, umožňuje také použití vysoce výkonných materiálů tepelného rozhraní, jako jsou typy s fázovou změnou.

Dva způsoby připevnění chladiče, jmenovitě maxiGRIP (vlevo) a Talon Clip (vpravo).
Klipy

Klipy, které jsou k dispozici pro procesory a komponenty BGA ( ball grid array ), umožňují připevnění chladiče BGA přímo ke komponentě. Klipy využívají mezeru vytvořenou kuličkovým mřížkovým polem (BGA) mezi spodní stranou součástky a horním povrchem desky plošných spojů. Klipy proto nevyžadují žádné otvory v desce plošných spojů. Umožňují také snadné přepracování součástí.

Pár tlačných kolíků.
Tlačné čepy s tlačnými pružinami

Pro větší chladiče a vyšší předpětí jsou velmi účinné tlačné kolíky s tlačnými pružinami. Tlačné kolíky, obvykle vyrobené z mosazi nebo plastu, mají na konci ohebný hrot, který zapadá do otvoru v PCB; jakmile je nainstalovaný, ozub drží kolík. Tlačná pružina drží sestavu pohromadě a udržuje kontakt mezi chladičem a komponentou. Při výběru velikosti přítlačného kolíku je třeba postupovat opatrně. Příliš velká vkládací síla může mít za následek prasknutí matrice a následné selhání součásti.

Závitové distanční sloupky s tlačnými pružinami

U velmi velkých chladičů neexistuje žádná náhrada za metodu připevnění pomocí závitové distanční a tlačné pružiny. Závitový distanční prvek je v podstatě dutá kovová trubka s vnitřními závity. Jeden konec je zajištěn šroubem skrz otvor v DPS. Druhý konec přijímá šroub, který stlačuje pružinu a dokončuje montáž. Typická sestava chladiče používá dva až čtyři distanční sloupky, což z něj činí nejnákladnější návrh připevnění chladiče. Další nevýhodou je nutnost otvorů v DPS.

Shrnutí způsobů upevnění chladiče
Metoda Profesionálové Nevýhody Náklady
Tepelná páska Snadné připevnění. Levný. Nelze zajistit mechanické upevnění pro těžší chladiče nebo pro prostředí s vysokými vibracemi. Pro optimální přilnavost je nutné povrch očistit. Střední až nízká tepelná vodivost. Velmi nízký
Epoxid Silná mechanická přilnavost. Relativně levné. Ztěžuje přepracování desky, protože může poškodit součást. Pro optimální přilnavost je nutné povrch očistit. Velmi nízký
Drátěné svorky tvaru Z Silné mechanické uchycení. Snadné odstranění/přepracování. Aplikuje předpětí na materiál tepelného rozhraní, čímž zlepšuje tepelný výkon. Vyžaduje otvory v desce nebo pájecí kotvy. Dražší než páska nebo epoxid. Vlastní návrhy. Nízký
Připnout Aplikuje předpětí na materiál tepelného rozhraní, čímž zlepšuje tepelný výkon. Nevyžaduje žádné otvory nebo kotvy. Snadné odstranění/přepracování. Pro klip musí být kolem BGA zóna "nechat mimo". Další montážní kroky. Nízký
Tlačný čep s tlačnými pružinami Silné mechanické uchycení. Nejvyšší předpětí materiálu tepelného rozhraní. Snadná demontáž a instalace. Vyžaduje otvory v desce, což zvyšuje složitost stop v PCB. Mírný
Stojany s tlačnými pružinami Nejpevnější mechanické uchycení. Nejvyšší předpětí pro materiál tepelného rozhraní. Ideální pro velké chladiče. Vyžaduje otvory v desce, což zvyšuje složitost rozložení stopy. Složitá montáž. Vysoký

Materiály tepelného rozhraní

Tepelná vodivost a odpor rozhraní tvoří část odporu tepelného rozhraní materiálu tepelného rozhraní.

K tepelnému přechodovému odporu dochází v důsledku dutin vytvořených vlivem drsnosti povrchu, defektů a nesouososti rozhraní. Dutiny přítomné v rozhraní jsou vyplněny vzduchem. Přenos tepla je proto způsoben vedením přes skutečnou kontaktní plochu a vedením (nebo přirozenou konvekcí) a sáláním přes mezery. Pokud je kontaktní plocha malá, jako je tomu u drsných povrchů, největší příspěvek k odporu mají mezery. Pro snížení tepelného kontaktního odporu lze drsnost povrchu snížit a zároveň zvýšit tlak na rozhraní. Tyto způsoby zlepšování však nejsou pro elektronická zařízení vždy praktické nebo možné. Materiály tepelného rozhraní (TIM) jsou běžným způsobem, jak tato omezení překonat.

Správně aplikované materiály tepelného rozhraní vytlačují vzduch, který je přítomen v mezerách mezi dvěma objekty, materiálem, který má mnohem vyšší tepelnou vodivost. Vzduch má tepelnou vodivost 0,022 W/(m·K), zatímco TIM mají vodivost 0,3 W/(m·K) a vyšší.

Při výběru TIM je třeba věnovat pozornost hodnotám dodaným výrobcem. Většina výrobců uvádí hodnotu tepelné vodivosti materiálu. Tepelná vodivost však nebere v úvahu odpory rozhraní. Pokud má tedy TIM vysokou tepelnou vodivost, nemusí to nutně znamenat, že odpor rozhraní bude nízký.

Výběr TIM je založen na třech parametrech: mezeře rozhraní, kterou musí TIM vyplnit, kontaktním tlaku a elektrickém odporu TIM. Kontaktní tlak je tlak aplikovaný na rozhraní mezi dvěma materiály. Výběr nezahrnuje cenu materiálu. Elektrický odpor může být důležitý v závislosti na detailech elektrického návrhu.

Výběr založený na mezeře rozhraní
Hodnoty mezer rozhraní Dostupné typy produktů
< 0,05 mm < 2 mil Tepelné mazivo, epoxid, materiály s fázovou změnou
0,05–0,1 mm 2–5 mil Materiály s fázovou změnou, polyimidové , grafitové nebo hliníkové pásky
0,1–0,5 mm 5–18 mil Tkaniny potažené silikonem
> 0,5 mm > 18 mil Výplně mezer
Výběr na základě kontaktního tlaku
Stupnice kontaktního tlaku Typické tlakové rozsahy Dostupné typy produktů
Velmi nízký < 70 kPa Výplně mezer
Nízký < 140 kPa Termoplastické, epoxidové, polyimidové, grafitové nebo hliníkové pásky
Vysoký 2 MPa Tkaniny potažené silikonem
Výběr na základě dielektrické pevnosti
Elektrická izolace Dielektrická pevnost Typické hodnoty Dostupné typy produktů
Není požadováno N/A N/A N/A Tepelné mazivo , epoxid , materiály s fázovou změnou , grafit nebo hliníkové pásky.
Požadované Nízký 10 kV/mm < 300 V/mil Tkaniny potažené silikonem , výplně mezer
Požadované Vysoký 60 kV/mm > 1500 V/mil Polyimidová páska
Poznámky k aplikaci TIM podle typu produktu
Typ produktu Poznámky k aplikaci Tepelný výkon
Termální pasta Chaotický. Náročné na práci. Relativně dlouhá doba montáže. ++++
Epoxid Vytváří "trvalé" spojení rozhraní. ++++
Změna fáze Umožňuje předběžné připojení. Při provozních teplotách měkne a přizpůsobuje se defektům rozhraní. Lze přemístit v poli. ++++
Tepelné pásky, včetně grafitových, polyimidových a hliníkových pásek Snadno se nanáší. Nějaká mechanická pevnost. +++
Tkaniny potažené silikonem Zajistěte odpružení a utěsnění a zároveň umožněte přenos tepla. +
Výplň mezer Lze použít k tepelnému spojení komponent s různou výškou k rozvaděči tepla nebo chladiči. Přirozeně nevkusné. ++
Vysoce výkonné LED diody od společnosti Philips Lumileds Lighting Company namontované na 21mm hvězdicových deskách s hliníkovým jádrem

Světelné diodové lampy

Výkon a životnost světelných diod (LED) jsou silnou funkcí jejich teploty. Účinné chlazení je proto nezbytné. Případová studie downlighteru na bázi LED ukazuje příklad výpočtů provedených za účelem výpočtu požadovaného chladiče potřebného pro efektivní chlazení osvětlovacího systému. Článek také ukazuje, že pro získání důvěry ve výsledky je zapotřebí více nezávislých řešení, která poskytují podobné výsledky. Konkrétně, výsledky experimentálních, numerických a teoretických metod by měly být všechny v rozmezí 10 % od sebe, aby byla zajištěna vysoká spolehlivost výsledků.

V pájení

Při pájení desek plošných spojů se někdy používají dočasné chladiče, které brání nadměrnému teplu v poškození citlivé blízké elektroniky. V nejjednodušším případě to znamená částečné uchopení součásti pomocí těžké kovové krokosvorky, hemostatu nebo podobné svorky. Moderní polovodičová zařízení, která jsou navržena pro montáž pájením přetavením, obvykle snesou teploty pájení bez poškození. Na druhé straně elektrické součástky, jako jsou magnetické jazýčkové spínače , mohou selhat, pokud jsou vystaveny žhavějším páječkám, takže tato praxe se stále velmi používá.

Metody stanovení výkonu

Obecně je výkon chladiče funkcí tepelné vodivosti materiálu, rozměrů, typu žebra, koeficientu prostupu tepla , rychlosti proudění vzduchu a velikosti potrubí. K určení tepelného výkonu chladiče lze vytvořit teoretický model. Alternativně lze tepelný výkon měřit experimentálně. Vzhledem ke komplexní povaze vysoce 3D proudění v současných aplikacích lze také použít numerické metody nebo výpočetní dynamiku tekutin (CFD). Tato část se bude zabývat výše uvedenými metodami pro stanovení tepelného výkonu chladiče.

Teoretický model přenosu tepla

Náčrt chladiče s ekvivalentními tepelnými odpory.
Tepelný odpor a součinitel prostupu tepla vynesené proti průtoku pro konkrétní použitou konstrukci chladiče. Data byla generována pomocí rovnic uvedených v článku. Data ukazují, že se zvyšujícím se průtokem vzduchu klesá tepelný odpor chladiče.

Jednou z metod stanovení výkonu chladiče je použití teorie přenosu tepla a dynamiky tekutin. Jedna taková metoda byla publikována Jeggelsem et al., ačkoli tato práce je omezena na ducted flow. Potrubní proudění je místo, kde je vzduch nucen proudit kanálem, který těsně přiléhá k chladiči. Tím je zajištěno, že veškerý vzduch prochází kanály tvořenými žebry chladiče. Když proud vzduchu není sveden, určité procento proudu vzduchu obchází chladič. Bylo zjištěno, že obtok toku se zvyšuje se zvyšující se hustotou žeber a vůlí, přičemž zůstává relativně necitlivý na rychlost vstupního kanálu.

Model tepelného odporu chladiče se skládá ze dvou odporů, jmenovitě z odporu v základně chladiče a odporu v žebrech . Tepelný odpor základny chladiče, , lze zapsat následovně, pokud je zdrojem rovnoměrně aplikovaná základna chladiče. Pokud tomu tak není, pak základní odpor je primárně šíření odporu:

(4)

kde je tloušťka základny chladiče, je tepelná vodivost materiálu chladiče a je plocha základny chladiče.

Tepelný odpor od základny žeber do vzduchu, , lze vypočítat podle následujících vzorců:

(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)

Průtok lze určit průsečíkem křivky systému chladiče a křivky ventilátoru. Křivku systému chladiče lze vypočítat pomocí průtokového odporu kanálů a vstupních a výstupních ztrát, jak je to provedeno ve standardních učebnicích mechaniky tekutin, jako je Potter, et al. a Bílá.

Jakmile jsou známy odpor základny chladiče a žebra, lze tepelný odpor chladiče vypočítat takto:

(14).

Pomocí rovnic 5 až 13 a rozměrových údajů v nich byl vypočítán tepelný odpor pro žebra pro různé rychlosti proudění vzduchu. Údaje pro tepelný odpor a součinitel prostupu tepla jsou uvedeny v diagramu, který ukazuje, že se zvyšujícím se průtokem vzduchu klesá tepelný odpor chladiče.

Experimentální metody

Experimentální testy jsou jedním z nejpopulárnějších způsobů, jak určit tepelný výkon chladiče. Aby bylo možné určit tepelný odpor chladiče, je třeba znát průtok, příkon, teplotu vstupního vzduchu a teplotu základny chladiče. Údaje dodané dodavatelem jsou běžně poskytovány pro výsledky testu potrubí. Výsledky jsou však optimistické a mohou poskytnout zavádějící údaje, pokud jsou chladiče použity v aplikaci bez vedení. Více podrobností o metodách testování chladičů a běžných nedopatřeních lze nalézt v Azar, et al.

Numerické metody

Radiální chladič s tepelným profilem a trajektoriemi toku vířivé nucené konvekce předpovězenými pomocí analytického balíčku CFD

V průmyslu jsou tepelné analýzy v procesu navrhování často ignorovány nebo prováděny příliš pozdě – když jsou změny návrhu omezené a stávají se příliš nákladnými. Ze tří metod zmíněných v tomto článku lze teoretické a numerické metody použít k určení odhadu teplot chladiče nebo komponent produktů před vytvořením fyzického modelu. Jako odhad prvního řádu se běžně používá teoretický model. Online kalkulačky chladičů mohou poskytnout přiměřený odhad výkonu chladiče s nucenou a přirozenou konvekcí na základě kombinace teoretických a empiricky odvozených korelací. Numerické metody nebo výpočetní dynamika tekutin (CFD) poskytují kvalitativní (a někdy i kvantitativní) předpověď proudění tekutin. To znamená, že poskytne vizuální nebo dodatečně zpracovaný výsledek simulace, jako jsou obrázky na obrázcích 16 a 17 a animace CFD na obrázcích 18 a 19, ale kvantitativní nebo absolutní přesnost výsledku je citlivá na zahrnutí a přesnosti příslušných parametrů.

CFD může poskytnout vhled do proudových vzorců, které je obtížné, drahé nebo nemožné studovat pomocí experimentálních metod. Experimenty mohou poskytnout kvantitativní popis jevů proudění pomocí měření pro jednu veličinu v čase, v omezeném počtu bodů a časových instancí. Pokud model v plném měřítku není k dispozici nebo není praktický, lze použít zmenšené modely nebo makety. Experimenty mohou mít omezený rozsah problémů a provozních podmínek. Simulace mohou poskytnout předpověď jevů proudění pomocí softwaru CFD pro všechny požadované veličiny, s vysokým rozlišením v prostoru a čase a prakticky jakýkoli problém a realistické provozní podmínky. Pokud jsou však kritické, může být nutné výsledky ověřit.

Chladič s kolíkovým žebrem s tepelným profilem a trajektoriemi volného konvekčního proudění předpovězenými pomocí analytického balíčku CFD
Chladič s kolíkovým žebrem o průměru 38 mm a výšce 50 mm s tepelným profilem a vířivými animovanými trajektoriemi proudění nucené konvekce z vaneaxiálního ventilátoru, předpovězené pomocí analytického balíčku CFD
60 mm x 60 mm x 10 mm přímý žebrovaný chladič s tepelným profilem a vířivými animovanými trajektoriemi proudění s nucenou konvekcí z trubkového ventilátoru, předpovězené pomocí analytického balíčku CFD

Viz také

Reference

externí odkazy