Chłodzenie podzespołów elektronicznych

Transkrypt

1 Chłodzenie podzespołów elektronicznych Odprowadzanie ciepła jest jednym z waŝniejszych problemów elektroniki opartej na elementach półprzewodnikowych i jednym z czynników ograniczających jej rozwój. KaŜdy podzespół elektroniczny moŝna scharakteryzować za pomocą krzywej opisującej prawdopodobieństwo jego uszkodzenia w czasie pracy w konkretnej temperaturze. Zadaniem projektanta systemu jest zapewnienie dla kaŝdego z tych podzespołów odpowiednio niskiego prawdopodobieństwa uszkodzenia, skutkującego wymaganą niezawodnością całego urządzenia. Do najpopularniejszych odprowadzania ciepła z podzespołów i systemów elektronicznych naleŝą: radiatory, moduły Peltiera oraz wentylatory. Radiatory Radiatory, albo rozpraszacze ciepła, są najpopularniejszym i najprostszym sposobem na poprawę odprowadzania ciepła z podzespołów elektronicznych. Radiator moŝna modelować jako obwód RC, w którym pojemności odpowiada masa radiatora, a rezystancji elektrycznej rezystancja termiczna. Rezystancja termiczna jest kluczowym parametrem radiatora, który obliczany jest przy doborze radiatora do konkretnego zastosowania. Na wartość tego parametru wpływa wiele czynników, z których najistotniejsze to: wielkość powierzchni radiatora i jego kształt, kolor powierzchni, ruch powietrza wokół i temperatura radiatora. Zaskoczenie moŝe wywołać zwłaszcza ostatni z wymienionych czynników jak się jednak okazuje, radiator pracujący w wyŝszej temperaturze ma mniejszą rezystancję termiczną. Ogromne znaczenie ma teŝ ruch powietrza, zapewniany często poprzez zastosowanie dodatkowego wentylatora lub przynajmniej przez odpowiednie ustawienie przestrzenne radiatora. Dalsze obniŝenie rezystancji termicznej daje teŝ zastosowanie pasty termoprzewodzącej. Typowe wartości rezystancji termicznej, na przykładzie produktów Fischer Elektronik, dostępnych w ofercie TME, to od 123 do 0,7 K/W. W najprymitywniejszych rozwiązaniach w miejsce radiatora uŝywany jest kawałek blachy aluminiowej, rzadziej mosięŝnej lub miedzianej. Wraz ze wzrostem ilości ciepła do odprowadzenia stosuje się bardziej wyrafinowane radiatory odlewane lub prasowane, najczęściej wykonywane z aluminium lub jego stopów. Dodatkową poprawę właściwości radiatora uzyskuje się stosując aluminium czernione (oksydowane) lub anodowane (eloksalowane), którego powierzchnia ma lepsze zdolności emisji promieniowania podczerwonego. Największą popularnością cieszą się radiatory o kształtach oznaczanych H, U, Y oraz Ŝeberkowe, których przykłady z oferty TME są przedstawione na rys Wiele radiatorów jest zaprojektowanych pod kątem konkretnego typu obudowy, np. SOT32 lub TO220, albo przeznaczonych do konkretnych podzespołów, takich jak przekaźniki, rezystory czy diody. - 1

2 Rys. 1. Radiator typu H firmy Stonecold (model HS ) Rys. 2. Radiator typu U firmy Stonecold (model D02PA) Rys. 3. Radiator typu Y firmy Anly Electronics (model HS ) Rys. 4. Radiator Ŝeberkowy firmy Fischer Elektronik (model SK STS) Bardzo ciekawą grupę rozwiązań stanowią radiatory elastyczne. Firma Chromerics ma w ofercie dwie rodziny takich produktów: wykonane w postaci cienkiej (0,178 mm) folii miedzianej, w pełni plastyczne radiatory T-Wing oraz grubsze (1,6 mm) wykonane z tlenku glinu radiatory C-Wing, wyposaŝone w skrzydełka, które uŝytkownik moŝe wyginać wg potrzeb. Radiatory takie są wygodne w montaŝu mają formę naklejek z warstwą kleju silikonowego przykrytą łatwą do zerwania folią zabezpieczającą i pozwalają na obniŝenie temperatury układu, do którego są przyklejone typowo o o C. Drugim ciekawym rozwiązaniem są zaprojektowane przez firmę OKI przy współpracy z firmą Ceramission radiatory Stick-it Flexible. Wykonane są z płynnego materiału ceramicznego Cerac α, który cechuje się duŝą sprawnością emisji ciepła w postaci promieniowania podczerwonego. Mają postać naklejek, albo w pełni elastycznych, albo utwardzonych za pomocą podłoŝa - 2

3 aluminiowego. Kilkaset modeli radiatorów w róŝnych wykonaniach w tym ponad 150 przeznaczonych do diod LED ma w swojej ofercie firma TME. Są wśród nich radiatory odlewane i prasowane, wykonane w większości z aluminium lub miedzi, o rezystancjach termicznych od 123 do 0,36 K/W, produkcji m.in. firm: Fischer Electronik, Stonecold, Anly Electronics i Kunze. Proces doboru radiatora był wielokrotnie przedstawiany w róŝnych publikacjach, takŝe na łamach EP i EDW. Szczegółowe przedstawienie tego tematu moŝna znaleźć w cyklu czterech artykułów opublikowanych w numerach 3, 4, 5, i 6 EP z 1994 roku, które są dostępne w internetowym archiwum EP. Ogniwa Peltiera Rys. 5. Moduł Peltiera Stonecold 40X40-53 Ogniwo Peltiera jest jednym z kilku urządzeń wykorzystujących zaobserwowany po raz pierwszy w 1834 roku efekt Peltiera. Polega on na wydzielaniu ciepła przez złącze dwóch metali przy wymuszeniu przepływu prądu przez to złącze w określonym kierunku i pochłanianiu ciepła przez to złącze przy przepływie prądu w kierunku przeciwnym. Ogniwo Peltiera jest więc pompą transportującą ciepło w kierunku zaleŝnym od kierunku przepływającego przez nie prądu. Obecnie w miejsce metalu wykorzystuje się cechujący się większą sprawnością półprzewodnik, tellurek bizmutu domieszkowany antymonem i selenem. Barierą wykorzystania ogniw Peltiera jest wydzielające się w nich, rosnące z kwadratem natęŝenia prądu a wiec szybciej niŝ poŝądany przepływ ciepła związany z efektem Peltiera ciepło Joule a. Wynika ono z przepływu prądu przez nośnik, w tym wypadku półprzewodnik. Wykorzystywane w praktyce moduły Peltiera (rys. 5) składają się z wielu pojedynczych ogniw połączonych kaskadowo, co pozwala osiągać poŝądaną sprawność bez konieczności radykalnego zwiększenia prądu. Pojedyncze ogniwa montowane są pomiędzy parą płytek ceramicznych i łączone ścieŝkami miedzianymi (rys. 6). - 3

4 Rys. 6. Zasada działania modułów Peltiera [EDW 7/97] Prąd maksymalny, przy którym następuje zrównanie ciepła Joule a z ciepłem przepompowywanym wskutek efektu Peltiera jest jednym z najwaŝniejszych parametrów modułów Peltiera. Wartość tego parametru, podobnie jak większości innych waŝnych parametrów uŝytkowych, silnie zaleŝy od rozmiarów modułu. Dla przykładu, zestawienie parametrów (maksymalnego napięcia i prądu pracy, rezystancji, maksymalnej róŝnicy temperatur i ilości odprowadzanego ciepła) kilku modułów firmy Stonecold dostępnych za pośrednictwem TME jest przedstawione w tab. 1. Model 15X X X X X Wymiary [mm] 15 x 15 x x 30 x x 40 x x 40 x x 62 x 4.8 Umax [V] Imax [A] R [Ohm] RóŜnica temp. [ o C] 2,0 8,5 0, ,5 14,6 4,3 3, ,9 6,4 1, ,8 10,5 1, ,2 30,7 0, Ciepło odprowadzane [W] Tab. 1 Do zalet modułów Peltiera moŝna zaliczyć wytrzymałość mechaniczną, uzyskiwaną dzięki sztywnej konstrukcji bez elementów ruchomych, niewielkie rozmiary, duŝą Ŝywotność (np. firma Stonecold podaje 200 tys. godzin) oraz dodatkową izolację elektryczną dzięki płytkom ceramicznym. Istnieje teŝ moŝliwość łączenia modułów w stosy w celu poprawienia wydajności. Z racji duŝej gęstości oddawanej energii termicznej modułu Peltiera stosuje się zwykle wraz z radiatorami i pastą termoprzewodzącą. Wadą jest oczywiście konieczność zasilania oraz konieczność odprowadzania ciepła z powierzchni za pomocą dodatkowych - 4

5 radiatorów i/lub wentylatorów. W ofercie firmy TME moŝna znaleźć kilka modeli modułów Peltiera, w większości produkcji firmy Stonecold, a takŝe duŝy wybór past i klejów termoprzewodzących róŝnych producentów. Podobnie jak w przypadku radiatorów temat doboru modułu Peltiera był omawiany w Notatniku Praktyka EP z numerów 1, 2 i 3 z 1996 roku. Wentylatory Wentylatory z racji generowanego hałasu i relatywnie skomplikowanej konstrukcji mechanicznej, skutkującej potencjalną zawodnością bywają traktowane jako ostateczność przy wyborze rozwiązania obniŝającego temperaturę, ale nie da się umniejszyć ich roli w dzisiejszym sprzęcie elektronicznym, gdyŝ są często koniecznie nie tylko jako samodzielne systemy chłodzące, ale teŝ jako uzupełnienie radiatorów i modułów Peltiera. Rys. 7. Najmniejszy z dostępnych za pośrednictwem TME wentylatorów Sunon (model UF3H3-700) Kilkaset modeli wentylatorów AC i DC sprawdzonych producentów ma w swojej ofercie firma TME. Z szerokiej gamy wentylatorów firmy Sunon, o wymiarach zaczynających się od 17x17x3 mm (rys. 7) moŝna bez problemu wybrać wentylator do chłodzenia pojedynczych podzespołów, a nawet elementów. Fulltech i Papst są natomiast producentami większych urządzeń, mogących posłuŝyć do odprowadzania powietrza z obudowy całego systemu. Wentylatory i dmuchawy są pompami powietrza i opisuje się je za pomocą tych samych parametrów, co inne pompy. Kluczowe znaczenie mają tu ciśnienie statyczne (spręŝ.), czyli róŝnica ciśnień statycznych na wlocie i wylocie, opisująca zdolność wentylatora do pracy przeciwko duŝemu ciśnieniu oraz przepływ (wydatek/wydajność), który charakteryzuje ilość powietrza, jaką wentylator moŝe przepompować w jednostce czasu. Parametry te zaleŝą od konstrukcji śmigła, a w szczególności od kąta natarcia, czyli kąta jaki tworzy cięciwa łopatki śmigła z względnym kierunkiem ruchu powietrza. Im większy jest kąt natarcia, tym większe jest ciśnienie róŝnicowe (statyczne) i mniejszy przepływ. Znaczna większość dostępnych na rynku wentylatorów ma śmigła o stałym kącie natarcia, a przy tym stałą, stabilizowaną prędkość obrotową, co skutkuje konkretną wydajnością dla określonej róŝnicy ciśnień. Parametry te są więc wymienne przy duŝym ciśnieniu wentylatory osiągają słabsze przepływy i odwrotnie. Bardzo popularną i wygodną formą przedstawiania właściwości wentylatorów jest tzw. krzywa pracy (rys. 8), obrazująca zaleŝność ciśnienia statycznego od przepływu, za pomocą której wybiera się punkt pracy wentylatora. - 5

6 Rys. 8. Krzywa pracy wentylatora [EP 4/2009] Analizę krzywej przeprowadza się od prawej do lewej od największego przepływu do punktu odcięcia, czyli punktu, w którym ciśnienie statyczne uniemoŝliwia pracę wentylatora. Odpowiada to przejściu od maksymalnej energii kinetycznej do maksymalnej energii potencjalnej, a pole powierzchni pod krzywą odpowiada energię dostarczaną do wentylatora. Opisywane wielkości często podawane są w dosyć nietypowych jednostkach. SpręŜ bywa wyraŝany w calach lub milimetrach słupa wody, natomiast wydajność w CFM-ach, czyli stopach sześciennych na minutę (Cubic Feet per Minute). Jednostki te są jednak liniowo związane z jednostkami układu SI. Bardzo istotny uŝytkowo jest teŝ poziom hałasu generowany przez pracujący wentylator, który w zaleŝności od modelu moŝe się wahać od kilkunastu do ponad siedemdziesięciu decybeli A. Opis procesu doboru wentylatora na przykładzie wykorzystania dokumentacji dystrybuowanej przez TME firmy Sunon oraz większą ilość szczegółów dotyczących wentylatorów w ogóle moŝna znaleźć w artykule Chłodzenie urządzeń z numeru 4/2009 EP. Szczegółowe parametry wszystkich dostępnych w ofercie TME wentylatorów są dostępne na stronie Materiał obudowy Istotną rolę w odprowadzaniu ciepła od układów elektronicznych pełni obudowa. Szczególnie interesujące są tutaj obudowy przyrządów półprzewodnikowych średniej i duŝej mocy oraz układów scalonych. Przyrządy średniej i duŝej mocy bywają kojarzone z obudowami metalowymi, choć dzisiejsze przyrządy duŝej mocy są jednak często zamykane w hermetycznych obudowach z plastiku, co widać na przykładzie produktów takich firm jak: Vishay, Ixys czy International Rectifier, dostępnych w ofercie TME. Warto teŝ wspomnieć produkty niemieckiej firmy Semikron. Oferuje ona przyrządy wysokiej mocy w sprawdzonych obudowach takich jak Semipack, Semitrans czy Semipont, ale teŝ wyposaŝa nowe modele (SKiiPack, Semitop, MiniSKiiP) w róŝne ulepszenia, np. umieszczenie podłoŝa DCB, na którym wykonany jest układ wprost na radiatorze (bez typowej płytki miedzianej) czy wewnętrzne spręŝyny dociskające układ - 6

7 do radiatora. Moduły tyrystorowe oraz mostki prostownicze i tranzystory w obudowach Semipack, Semitop i Semipont firmy Semikron są dostępne za pośrednictwem TME. Rys. 9. Mostek prostowniczy SEMIKRON SKD110/16 w obudowie SEMIPONT4 z oferty TME Technologie produkcji obudów układów scalonych moŝna podzielić zasadniczo na cztery podstawowe kategorie: plastik odlewany, ceramika tłoczona, laminaty ceramiczne oraz laminaty plastikowe. Piątą technologią są hermetyczne obudowy metalowe, uŝywane jednak głównie w najbardziej wymagających zastosowaniach, np. militarnych, drogie i rzadko występujące w sprzęcie konsumenckim. Przewodność termiczna materiałów ceramicznych opartych o glin jest o rząd wielkości lepsza niŝ plastików. Dodatkową poprawę parametrów termicznych obudów ceramicznych przynosi wykorzystanie węglika krzemu oraz ceramiki AIN oraz zastosowanie płytki rozpraszającej ciepło. Obudowy plastikowe mogą konkurować z ceramicznymi tylko jeśli są wyposaŝone w dodatkowe ulepszenia, takie jak: dodatkowe kulki odprowadzające ciepło (w obudowach BGA), wewnętrzne płaszczyzny rozpraszające, dodatkowe przelotki termiczne czy miedziane płytki rozpraszające. Do zastosowań bardziej wymagających termicznie istnieją takŝe wersje dyskretnych elementów pasywnych zamykane w obudowach z radiatorami. Kilkaset rezystorów drutowych wyposaŝonych w radiator, produkcji m.in. firm TE Connectivity i Arcol jest dostępnych za pośrednictwem TME. Wszelkie informacje o ofercie oraz szczegółowe parametry podzespołów i urządzeń z oferty TME moŝna znaleźć na stronie internetowej lub uzyskać kontaktując się mailowo z działem sprzedaŝy firmy: dso@tme.eu. - 7