Охлаждане на електронни системи

• Универсалните формули, твърдящи, че в даден случай се използва определен тип радиатор, отстъпват на специално проектирани решения с тясно предназначение
  
  
• При съобразяването на условията на средата се взема предвид това как материалите реагират на циклична експозиция на топлина
  
  
• Базираните на SiC и GaN компоненти позволяват да се използва оптималното количество метал за радиаторите

Независимо дали става дума за потребителска електроника или специализирани индустриални технологии от висок клас, все по-сложните електронни системи в наши дни поставят пред инженерите предизвикателствата на все по-нарастваща необходимост от подобрено и рентабилно управление на термичните процеси. Много тенденции в индустрията, като стремеж за намаляване на разходите, намалени габарити и по-ниско тегло, се уравновесяват от необходимостта от по-висока плътност на електрическите вериги, за да се осигури повишена функционалност за поддържане на повече потребителски “функции”. Крайният резултат е увеличаване на генерираната топлина и нарастваща нужда от подобрено, рентабилно отвеждане на тази топлина.

За да се посрещнат конструктивните предизвикателства на тези разнообразни приложения, вариантите за избор на материали се разраснаха дотолкова, че предоставят на инженерите широк и гъвкав набор от инструменти за оптимизиране на разходите, ефективността и надеждността на охлаждането. Проектират се и се прилагат материали за охлаждащи системи, които чрез добро управление на температурата подобряват цялостната надеждност на устройствата, като пред потребителите се разкрива широк избор от множество стратегии за управление на топлинните процеси, които да доведат до цялостно намаляване на разходите.

Проектиране на охлаждащи системи

Въпросът за това каква е най-добрата стратегия за управление на температурата в електрониката е предмет на горещи дебати. Вторият закон на термодинамиката гласи, че използването на енергия води до отпадна топлина. В една интегрална схема например посредством управляващия ток транзисторите преобразуват и усилват електронните сигнали. Съвременните процесори могат да съдържат милиони транзистори, което означава, че допълнителният ток, необходим за захранването на тези транзистори, генерира огромни количества допълнителна топлина.

В етапа на проектиране все по-голямо внимание се обръща на охлаждането на електронните компоненти. Напоследък охлаждащите системи се превърнаха в поле за приложение на високотехнологични решения. Универсалните формули, твърдящи, че в даден случай се използва определен тип радиатор, отстъпват на специално проектирани решения с тясно предназначение. Все повече на брой са параметрите, които трябва да се вземат предвид в процеса на проектиране на охлаждащите компоненти. Макар дълго време от решаващо значение да е била цената и размерите, все по-съществена е ролята на конструктивните особености и цялостната концепция на охлаждането, така че то да отговаря на функционалните изисквания на конкретните устройства, за да се постигне оптимална производителност и продължителна експлоатация.

Основните принципи, утвърждаващи се като успешни, в съвременното проектиране на охлаждащи компоненти включват отвеждане на топлината, преодоляване на проблемите, произтичащи от наличието на топлина, съобразяване на средата и ограничаване на топлината.
За отвеждането на топлината при високи работни температури на устройството се използват както компоненти на охлаждането, така и материали за изработка на печатните платки, които имат повишена топлопроводимост за намаляване на пиковите работни температури и удължаване на живота на компонентите.

За преодоляване на проблемите, произтичащи от наличието на топлина, в продължение на повече от 30 години в приложенията с високи температури са се използвали полиамиден ламинат и препрег системи, за да осигурят надеждност на устройствата в работни среди над 200°C. Нови подобрени полиамидни системи, както и по-нови безоловно съвместими топлопроводими епоксидни системи предлагат на проектантите нови подходи за максимизиране на надеждността в тежки работни среди.

При съобразяването на условията на средата се взема предвид това как материалите реагират на циклично излагане на топлина, което продължава да е критичен фактор, допринасящ за определянето на надеждността на устройството. Проектирането и изработката на печатни платки от материали, които намаляват температурните деформации, подобрява надеждността на връзките и намалява напрежението и умората на материала при спойките към SMT компонентите. За ограничаването на температурата се налага използването на материали, които минимизират отделеното количество топлина при ниски загуби във високочестотни приложения.

Термоанализ при работни условия

Температурният анализ на електрическите устройства е незаменима стъпка за осигуряване на стабилност на системата, която е особено важна при миниатюрни и мощни устройства. Чрез термоанализ обикновено се изчисляват диапазоните на работните условия и топлопроводимостта между компонентите. Проектантите проучват потока на нагретия въздух, за да избегнат въздушни джобове във веригата. Топлината може да се разсейва както чрез принудителна конвекция с вентилатори, така и чрез естествена конвекция. Функционирането на веригите, трансформиращи енергия в електронните устройства, зависи от изчисленията, направени от проектантите. Едно от най-големите предизвикателства пред тях е да възпроизведат или симулират най-тежките условия на работа, при които устройствата ще бъдат подложени на високи температури.

Полупроводниците с голяма ширина на забранената зона (WBG) като силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN) значително подобряват ефективността на системата и плътността на тока в различни приложения на силовата електроника. Компонентите, базирани на SiC и GaN, позволяват да се използва оптималното количество метал в радиаторите и различните корпуси. Тъй като приборите с голяма ширина на забранената зона работят при по-високи температури и с по-голяма ефективност, има опасения относно отвеждането на топлината, които инженерите трябва да имат предвид, когато проектират използването на тези прибори в система. С последното поколение GaN и SiC устройства управлението на температурата чрез модификации на геометричните параметри става много важно.

Материали, използвани в компоненти за охлаждане

Ефективността и производителността на радиаторите за охлаждане зависи от няколко фактора, между които е необходимо да се поддържа перфектен баланс. Те включват топлопроводимост на използвания материал, скорост на въздушния поток и повърхностна обработка.
Алуминият и медта са най-често използваните материали за изработка на радиатори, тъй като имат добре дефинирани температурни свойства. Алуминият обаче е предпочитаният материал поради няколко причини. Докато медта има по-висока топлопроводимост (приблизително 60% по-висока от алуминия), основният й недостатък е липсата на гъвкавост, високата плътност и високата цена.

Алуминият превъзхожда медта, тъй като е лек, изключително гъвкав и с относително по-ниска цена. Освен това алуминият има добра проводимост и може да бъде екструдиран, докато медните радиатори трябва да бъдат щанцовани и допълнително обработени. Поради тези свойства алуминият е най-честият избор на материал за радиатори, а екструдирането е най-често срещаният производствен процес. Персонализираните алуминиеви екструдирани охлаждащи компоненти са подходящи за повечето приложения поради тяхната достъпност и гъвкавост.

Погрешно е схващането, че сплавта с най-висока топлопроводимост трябва да е най-често използваната за изработка на радиатори, тъй като е важно да се вземе предвид нейната издръжливост. Характеристиките на използваната сплав също са важно съображение. Съгласно стандарт ISO 6361-2:2014, определящ механичните свойства на алуминия и алуминиевите сплави за промишлени цели, алуминиевата сплав 1050a има по-висок коефициент на топлопроводимост – 229 W/mK, но по отношение на механичните й параметри тя е твърде мека, за да се използва за охлаждащи компоненти като радиатори. Най-подходящият избор за тези цели са алуминиеви сплави от серия 6000, тъй като те са здрави, ковки и са с идеални качества за формообразуване чрез екструзия. От тях сплавите 6060, 6061 и 6063 са най-предпочитани за изработка на радиатори.

Охлаждащи компоненти

Пазарът на електронни устройства се променя по-бързо от всякога, а екологичните изисквания и изискванията за ефективност непрекъснато се развиват. Това изправя производителите на компоненти за силова електроника и полупроводникови прибори пред различни предизвикателства. Компаниите, специализирани в производството на системи за охлаждане, откликват на своите клиенти с гъвкави и персонализирани решения, в това число разработват индивидуални концепции за цялостното управление и отвеждане на генерираната топлина, като предлагат различни иновативни технологии.
На интерес сред потребителите се радват редица разработки на охлаждащи елементи за електроника, като екструдирани профили от алуминиеви сплави, радиатори от огънат листов материал от мед и бронз. Водещите производители предлагат широко портфолио, вариращо от системи с течно и въздушно охлаждане до топлоотвеждащи тръби в различни конструкции и технологии (дори и вградени в самите печатни платки).

Устойчиво се налагат екструдираните профили за радиатори, базирани на специално разработени алуминиеви сплави с подобрено топлоотдаване. Ефективността на тези материали в съчетание с иновативни геометрични характеристики за оптимизиране на топлоотвеждането, като прорези и канали в ребрата на радиатора например, дават непостигани досега резултати и значително подобряват дълготрайната работа на устройствата.

Освен широкия спектър от производствени технологии големите производители на охлаждащи радиатори инвестират във възможности за адаптиране на решенията спрямо клиентските изисквания и постигане на оптимално управление на топлината. Използвайки мощни инструменти за изчисление на динамиката на флуидите – CFD симулация, могат да бъдат моделирани персонализирани радиатори и за най-авангардното приложение. Това предлага предимства по отношение на термосвойствата на оборудването, прецизен подбор на параметрите, като височина и стъпка на ребрата спрямо дебелината на основната плоча, и също така може да спомогне за намаляване на разходите, натрупани от неправилен избор на радиатор, който е твърде голям или с неправилен размер. Охладителните профили със запресовани ребра и удебелена основна плоча са особено ефективно решение. Тестовете установяват, че радиаторите с прорязани ребра осигуряват до 50% по-добро топлоотвеждане спрямо обикновените радиатори от екструдирани профили.